JP5841451B2 - 手術器具およびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、手術器具、より詳しくは、開閉するエンドエフェクタを備えた手術器具およびその制御方法に関する。
医療の分野において、様々な手術器具が知られている。その一つに開閉するエンドエフェクタを備えた手術器具がある。エンドエフェクタは、体組織の把持や圧排に使用されるため、エンドエフェクタが体組織等に及ぼす把持力や圧排力等の作用力を適切に制御することは、患者に対する安全性の確保に鑑みて重要である。
特許文献１には、手術器具として、エンドエフェクタとしてのグリッパをモータにより駆動するマニピュレータシステムが記載されている。このマニピュレータでは、把持力開始推定オブザーバの出力にて把持開始角度を認識する。そして、把持開始後に把持力を増加させ、グリッパの開き角度が設定した最閉角度となったときに所望の把持力となるように制御を行っている。
特開２０１０−０７６０１２号公報
特許文献１に記載のマニピュレータシステムでは、操作部のトリガを最大限引いたときに最大把持力が得られるように把持力を調整している。そのため、把持する物体の大きさが変わると、トリガの操作量に対する把持力変化の傾きが変化し、術者の操作感が変化するという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、術者の使用感を変化させずに、エンドエフェクタに生じる作用力を好適に制御することができる手術器具およびその制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第一の態様は、開閉するエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを操作するための操作部とを備え、前記操作部を第一の方向に操作すると、前記エンドエフェクタが対象物に作用力を加える手術器具であって、前記エンドエフェクタが前記対象物に作用力を加えているか否かを判定するための情報を取得する把持検出部と、前記エンドエフェクタを開閉駆動する駆動部と、前記操作部への入力に基づいて前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記把持検出部の取得した情報にもとづいて前記エンドエフェクタが前記対象物に作用力を加えていると判定したときに、前記操作部の前記第一の方向における可動範囲内に所定範囲の作用力増加帯を設定し、前記可動範囲内の残りの領域に不感帯を設定し、前記作用力増加帯においては、前記操作部の操作量に対して一定の傾きで前記作用力が増加するように前記駆動部を制御し、前記不感帯においては、前記操作部の操作量に関わらず前記作用力が一定に保持されるように前記駆動部を制御することを特徴とする。
前記作用力増加帯は、前記可動範囲内において前記第一の方向における近位側に設定されてもよい。
また、前記把持検出部は、前記エンドエフェクタを撮像するカメラを含んでもよいし、前記作用力を検出する力センサを含んでもよい。
さらに、前記操作部の可動範囲は、前記エンドエフェクタの可動範囲よりも大きく設定されてもよい。
本発明の手術器具は、前記操作部を第二の方向に操作すると前記作用力が減少し、前記制御部は、前記操作部が前記第二の方向に操作されたときに、前記操作部の前記第二の方向における可動範囲内であって前記第二の方向における近位側に所定範囲の作用力減少帯を設定し、前記作用力減少帯においては、前記操作部の操作量に対して一定の傾きで前記作用力が減少するように前記駆動部を制御するように構成されてもよい。
本発明の第二の態様は、開閉するエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを操作するための操作部とを備え、前記操作部を第一の方向に操作すると、前記エンドエフェクタが対象物に作用力を加える手術器具の制御方法であって、前記エンドエフェクタが前記対象物に作用力を加えているか否かを繰り返し判定し、前記エンドエフェクタが前記対象物に作用力を加えていると判定したときに、前記操作部の前記第一の方向における可動範囲内に所定範囲の作用力増加帯を設定し、前記可動範囲内の残りの領域に不感帯を設定し、前記作用力増加帯においては、前記操作部の操作量に対して一定の傾きで前記作用力を増加させ、前記不感帯においては、前記操作部の操作量に関わらず前記作用力を一定に保持することを特徴とする。
本発明の手術器具およびその制御方法によれば、術者の使用感を変化させずに、エンドエフェクタに生じる作用力を好適に制御することができる。
本発明の第一実施形態の医療用マスタスレーブマニピュレータの概略構成を示す図である。 同医療用マスタスレーブマニピュレータの把持部を示す拡大図である。 同医療用マスタスレーブマニピュレータにおけるスレーブアームの先端側の構造を示す模式図である。 同医療用マスタスレーブマニピュレータにおけるマニピュレータ制御部、スレーブアームの先端部、および処置具の機能的つながりを示すブロック図である。 エンドエフェクタ操作部の操作と処置具の作用部の動作との対応関係を示す図である。 同作用部が対象物を把持した状態を示す図である。 同医療用マスタスレーブマニピュレータにおける開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例である。 本発明の第二実施形態の医療用マスタスレーブマニピュレータにおけるマニピュレータ制御部、スレーブアームの先端部、および処置具の機能的つながりを示すブロック図である。 同医療用マスタスレーブマニピュレータにおける開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例である。 本発明の第三実施形態の医療用マスタスレーブマニピュレータにおける開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例である。 同医療用マスタスレーブマニピュレータの変形例における開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例である。 本発明の第四実施形態の医療用マスタスレーブマニピュレータにおける、エンドエフェクタ操作部の操作と処置具の作用部の動作との対応関係を示す図である。 同作用部が対象物を押圧した状態を示す図である。 同医療用マスタスレーブマニピュレータにおける開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例である。 本発明の変形例の医療用マスタスレーブマニピュレータにおけるマニピュレータ制御部、スレーブアームの先端部、および処置具の機能的つながりを示すブロック図である。
以下、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、本実施形態の手術器具である医療用マスタスレーブマニピュレータ（以下、単に「マスタスレーブマニピュレータ」と称する。）１を示す図である。マスタスレーブマニピュレータ１は、マスターアーム２１を有し、操作指令を発するためのマスタ入力部２と、スレーブアーム３１を有するスレーブマニピュレータ３とを備え、術者（操作者）Ｏｐによるマスターアーム２１の操作に追従させるようにしてスレーブアーム３１を遠隔制御するものである。マスターアーム２１を介した操作指令は、制御部４のマスタ制御部４１に送信され、さらにマニピュレータ制御部４２に入力される。その後、マニピュレータ制御部４２からスレーブマニピュレータ３へ動作信号が送られ、スレーブアーム３１が動作する。
図１に示すように、スレーブマニピュレータ３は、患者Ｐが載置される手術台１００に設置され、複数のスレーブアーム３１を有する。各スレーブアームは複数の多自由度関節を有して構成されており、多軸動作可能である。各多自由度関節は、図示しない動力部によって個別に駆動される。動力部としては、例えばインクリメンタルエンコーダや減速器等を備えたサーボ機構を有するモータ（サーボモータ）等を用いることができる。
複数のスレーブアーム３１の一つには、手技対象部位に係る術野の映像を取得する内視鏡等の図示しない観察手段が取り付けられ、他のスレーブアームには、各種処置を行うための後述する処置具が取り付けられる。観察手段は、公知のものを適宜選択して用いることができる。また、各スレーブアームは、装着された処置具等を駆動するための駆動源を有している。駆動源としては、例えばサーボモータを用いることができる。なお、以降の説明において、スレーブアームのうち処置具が取り付けられたスレーブアームを、「処置用スレーブアーム」と称することがある。
マスタ入力部２は、術者Ｏｐが操作する複数のマスターアーム２１と、上述の観察手段により取得された映像が表示される表示部２２とを備えている。各マスターアーム２１は、多軸動作可能な公知の構成を有し、術者Ｏｐに近い先端側に、術者が把持するための把持部（操作部）２１Ａを備えている。表示部２２は公知のディスプレイ等からなり、観察手段により取得された術野の映像が表示される。本実施形態では、表示部２２上に視差に相当するずれを有する２つの映像が投影され、術者Ｏｐが偏光機構やシャッター機構等を備えた公知の３Ｄメガネ１０１を通して見ることで、映像を立体的に見ることができる。
図２は、把持部２１Ａの拡大図である。把持部２１Ａは、術者Ｏｐが把持する把持体２５と、術者が開閉操作するエンドエフェクタ操作部（操作部）２６とを備えている。
術者Ｏｐが把持体２５を手に把持して、手首や肘、肩の動きにより把持部２１Ａの位置・姿勢を変化させると、把持体２５の位置・姿勢の変化に伴ってマスターアーム２１の各関節が駆動される。各関節の駆動量は、各関節の近傍に配置された位置検出器によって検出され、各駆動量に応じた操作信号がマスタ制御部４１に入力される。その後、マニピュレータ制御部４２から送られる信号によって当該マスターアームに対応付けられたスレーブアーム３１が駆動し、当該スレーブアームに取り付けられた処置具のエンドエフェクタの位置及び姿勢が把持体２５の位置・姿勢に対応した状態となる。
エンドエフェクタ操作部２６は、ベース２６ａと、ベース２６ａに対して等角度で開閉する一対の開閉部材２６ｂ、２６ｃを有する。各開閉部材２６ｂ、２６ｃのベース２６ａに対する開き角度は、図示しないエンコーダ等の検出手段により検出され、マスタ制御部４１に送信される。
図３は、処置用スレーブアーム３１の先端側の構造を示す模式図である。処置用スレーブアーム３１の先端側には、処置具５０が取り付けられている。本実施形態の処置具５０は、処置用スレーブアーム３１に対して着脱可能であるが、必ずしも着脱可能でなくてもよい。
処置具５０は、患者Ｐの体腔に向けられる先端側から、処置用スレーブアーム３１に接続される基端側に向かって、作用部（エンドエフェクタ）５１、駆動リンク５２、および被駆動部５３を備える。駆動リンク５２および被駆動部５３は、筒状の筐体５４の内部に収容されている。
作用部５１は、例えば、開閉可能に設けられた一対のジョー５１Ａ、５１Ｂを有し、一対のジョーが閉じられる時にその間に体組織や曲針等の対象物を挟んで把持し、対象物に把持力（作用力）を加える。被駆動部５３は棒状の部材であり、スレーブアーム３１に対して処置具５０が連結される際に、スレーブアーム３１内の駆動ロッド（後述）と連結される。被駆動部５３は、駆動ロッドから伝達される駆動力によって、駆動リンク５２の原節を筐体５４の軸方向に進退させることにより作用部５１を開閉させる。駆動リンク５２は、作用部５１と被駆動部５３とを接続しており、公知のリンク機構を用いることができる。
スレーブアーム３１の先端側には、駆動ロッド３４、リニアエンコーダ３５、直動機構３６、モータ（駆動部）３７が設けられている。直動機構３６は、ボールスクリュー３６ａおよび直動ブロック３６ｂを備えた公知の構成を有し、モータ３７の回転駆動を、作用部５１を開閉駆動する直動ブロック３６ｂの進退運動に変換する。駆動ロッド３４の基端部は直動ブロック３６ｂに接続されており、直動ブロック３６ｂの進退運動により自身の長手方向に進退して、連結された処置具５０の被駆動部５３を進退させる。駆動ロッド３４の進退量は、リニアエンコーダ３５により検出される。
図４は、マニピュレータ制御部４２、スレーブアーム３１の先端部、および処置具５０の機能的つながりを示すブロック図である。そのため、マニピュレータ制御部４２とスレーブアームの先端部以外の関節等とのつながりは示されていない。
スレーブアーム３１の先端部には、処置具５０の作用部５１の状態を撮像するカメラ（把持検出部）６１と、モータ３７の駆動を制御するモータ制御部６２とが設けられており、それぞれマニピュレータ制御部４２と接続されている。カメラ６１は、作用部５１を例えば数十ミリ秒（ｍｓｅｃ）等の所定間隔で撮像し、取得された画像を作用部が対象物を把持したか否かの判定に用いる情報としてマニピュレータ制御部４２に逐次送信する。モータ制御部６２は、マニピュレータ制御部４２の指令を受けてモータ３７に印可される電流値および電流の印可時間を制御し、モータ３７で発生される駆動力の大きさおよび駆動時間を制御する。
上記のように構成されたマスタスレーブマニピュレータ１の動作について説明する。
術者は、マスターアーム２１を操作して、対応付けられた処置用スレーブアーム３１を動かし、取り付けられた処置具５０の作用部５１を体組織や曲針等の把持対象物に近づける。把持対象物が作用部の一対のジョー５１Ａ、５１Ｂ間に位置する状態で術者がエンドエフェクタ操作部２６の開閉部材２６ｂ、２６ｃをつまむように操作すると、開閉部材２６ｂ、２６ｃ間の角度（開き角度）が徐々に小さくなる。この変化は検出手段の検出値としてマスタ制御部４１に送信され、さらにマニピュレータ制御部４２に送信される。マニピュレータ制御部４２では、エンドエフェクタ操作部２６の状態とカメラ６１から送信された画像とに基づいてモータ制御部６２に対する制御信号を生成し、モータ制御部６２へ送信する。以下では、モータ制御部６２に対する制御信号の生成態様について詳細に説明する。
マニピュレータ制御部４２は、カメラ６１から送られてくる画像を順次画像処理し、対象物が一対のジョー５１Ａ、５１Ｂ間に把持されたか否かを繰り返し判定する。対象物と一対のジョー５１Ａ、５１Ｂとが接触し、対象物が一対のジョー５１Ａ、５１Ｂ間に把持されるまでは、エンドエフェクタ操作部２６の操作量と作用部の開閉量が所定の対応関係となるように、モータ制御部６２に対する制御信号が生成される。その結果、図５に示すように、エンドエフェクタ操作部２６の開閉部材２６ｂ、２６ｃの閉じ量に応じて一対のジョー５１Ａ、５１Ｂが閉じられる。このとき、エンドエフェクタ操作部２６の開閉部材２６ｂ、２６ｃの開き角度（以下、この角度を「開閉部材開き角度」と称することがある。）の変化量と一対のジョー５１Ａ、５１Ｂの開き角度の変化量とを１対１で対応させてもよいし、所定の係数をかけて対応させてもよい。
本実施形態では、一対のジョー５１Ａ、５１Ｂの開き角度の制御は、モータ制御部６２に対する制御信号によりモータ３７の駆動を制御することで行われる。これに代えて、カメラ６１が取得した画像の画像処理によって一対のジョーの開き角度を制御してもよいし、リニアエンコーダ３５の検出値にもとづいて一対のジョーの開き角度を制御してもよい。
図６に示すように把持対象物Ｓｂが一対のジョー５１Ａ、５１Ｂに接触して一対のジョー５１Ａ、５１Ｂ間に把持されたと判定したら、マニピュレータ制御部４２は、モータ制御部６２に対する制御信号の生成態様を切り替える。
マニピュレータ制御部４２は、現在の開閉部材開き角度の値と開閉部材開き角度の構造上の最小値（各開閉部材がベース２６ａと平行となった後もさらに閉じ方向へ操作することができる場合は、負の値となることもある）と比較し、把持開始時点における開閉部材の閉じ方向（第一の方向）の可動範囲内に所定範囲の把持力増加帯を設定し、残りの領域に不感帯を設定する。
本発明における「不感帯」とは、開閉部材の可動範囲のうち、開閉部材を操作しても、作用部から対象物に作用するゼロでない把持力（作用力）が変化しない領域を意味する。本実施形態では、各開閉部材の開き角度の最小値から所定の角度範囲（例えば３０度）を、開閉部材開き角度と把持力が比例関係にある「把持力増加帯」とし、それ以外の角度範囲、すなわち現在の開閉部材開き角度から把持力増加帯に入るまでの角度範囲を不感帯に設定する。
開閉部材開き角度が不感帯内にある間は、一対のジョー５１Ａ、５１Ｂの開き角度（以下、この角度を「エンドエフェクタ開き角度」と称することがある。）の制御が継続され、マニピュレータ制御部４２は、開き角度が変化せず、かつ把持力が変化しないように、モータ制御部６２を制御する。例えば、把持力が増加しない程度の低電流が継続してモータ３７に印可されるように制御信号を生成する。
術者が開閉部材２６ｂ、２６ｃを閉じていき、開閉部材開き角度が把持力増加帯に入ったら、マニピュレータ制御部４２は、開閉部材開き角度の閉じ方向への変化量に比例して把持力が増加し、開閉部材開き角度が最小値になったときに把持力が予め設定した上限値となるように制御信号を生成する。本実施形態では、あらかじめ求めておいたモータ駆動電流値と把持力との関係式にもとづいて、開閉部材が閉じられるにつれて電流値が増大するように制御信号が生成される。
図７は、開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例であり、上段に開閉部材開き角度θＭ、中段にエンドエフェクタ開き角度θＳ、下段に把持力ＦＳをそれぞれ示している。開閉部材の可動範囲のうち、対象物が作用部５０に把持される前（θＭ＞把持開始時における開き角度θｇの範囲）の第一領域Ｒ１では、開閉部材開き角度θＭとエンドエフェクタ開き角度θＳとが比例関係にある。第一領域Ｒ１では、対象物が把持されていないため、基本的に把持力ＦＳはゼロであり、対象物が把持される第一領域Ｒ１と不感帯Ｒ２との境界前後でわずかに把持力が発生する。
第一領域Ｒ１に連続する不感帯Ｒ２では、開閉部材開き角度θＭが減少する間、エンドエフェクタ開き角度θＳは不変であり、把持力ＦＳも増加せず、一定の値に保持される。
不感帯Ｒ２に連続する把持力増加帯（作用力増加帯）Ｒ３では、開閉部材開き角度θＭの減少に伴って、把持力ＦＳが一定の傾きで増加し、把持力増加帯Ｒ３の終わりで設定された最大把持力Ｆｍａｘとなる。把持力増加帯Ｒ３におけるエンドエフェクタ開き角度θＳの挙動は、把持対象物の剛性等により変化する。例えば、剛性が高い場合は対象物が変形しないため、エンドエフェクタ開き角度θＳほとんど変化しないが、対象物の剛性が低い場合は、把持力の増加に伴い対象物が変形するため、エンドエフェクタ開き角度θＳが剛性に応じて一定量減少する。
以上説明したように、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１では、カメラ６１の画像に基づいて作用部５１による対象物の把持が開始されたと判定されると、制御部４のマスタ制御部４１およびマニピュレータ制御部４２が、その時点でのマスターアーム２１のエンドエフェクタ操作部２６の閉じ方向への可動範囲において、所定の角度範囲を把持力増加帯とし、残りの領域が不感帯となるように、モータ３７を制御して作用部５１の動作を制御する。その結果、把持対象物の大きさ等に関係なく、エンドエフェクタ操作部２６を所定の角度範囲操作したときに作用部５１に生じる把持力が設定した最大把持力Ｆｍａｘとなり、かつ把持力増加帯におけるエンドエフェクタ操作部２６の操作量と把持力増加量との関係を示す傾きが一定となる。
したがって、作用部に生じる把持力が過剰とならないよう好適に制御しつつ、把持対象物が変化しても術者の操作感が変化しない手術器具とすることができる。
本発明の手術器具においては、想定するもっとも小さい把持対象物を把持した時でも操作部に所定の角度範囲の把持力増加帯を設定できるように操作部および作用部の可動範囲および対応関係を設定しておく必要がある。例えば、操作部の可動可能な角度範囲を作用部の可動範囲よりも大きくしておいたり、操作部の操作量と作用部の開閉量との比率を調節して、操作部の操作量の所定倍だけ作用部が開閉するように設定したりすればよく、その具体的態様には特に制限はない。
次に、本発明の第二実施形態について、図８および図９を参照して説明する。本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ７１と上述のマスタスレーブマニピュレータ１との異なるところは、把持検出部の構成および操作部の可動範囲における把持力増加帯と不感帯との位置関係である。なお、以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図８は、マスタスレーブマニピュレータ７１におけるマニピュレータ制御部４２、スレーブアーム３１の先端部、および処置具５０の機能的つながりを示すブロック図であり、図４同様、マニピュレータ制御部４２とスレーブアームの先端部以外の関節等とのつながりは示されていない。
スレーブマニピュレータ３１には、カメラ６１は設けられていない。一方、処置具５０の作用部５１には、一対のジョー５１Ａ、５１Ｂ間に発生する把持力を検出する力センサ７２が把持検出部として設けられている。力センサ７２の検出値は、マニピュレータ制御部４２に逐次送信される。
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ７１の動作について説明する。
マニピュレータ制御部４２は、力センサ７２の検出値を常時参照し、力センサ７２において把持力が検出され始めた（ゼロでなくなった）時点で、対象物が一対のジョー５１Ａ、５１Ｂ間に把持されたと判定する。
図９は、マスタスレーブマニピュレータ７１における開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例であり、表示態様は図７と概ね同様である。本実施形態において、マニピュレータ制御部４２は、図９に示すように、第一領域Ｒ１の直後、すなわち、可動範囲内における第一の方向近位側に所定の角度範囲の把持力増加帯Ｒ３を設定する。したがって、対象物が一対のジョー５１Ａ、５１Ｂ間に把持されたと判定された後、開閉部材開き角度θＭの減少に伴って、把持力ＦＳが一定の傾きで増加し、把持力増加帯Ｒ３の終わりで設定された最大把持力Ｆｍａｘとなるように、マニピュレータ制御部４２が制御信号を生成し、モータ制御部６２に送信する。作用部５１に生じる把持力の制御は、力センサ７２の検出値にもとづいて行われる。この制御には公知のフィードバック制御を適用してもよい。
把持力ＦＳの値がＦｍａｘに達した以降のエンドエフェクタ操作部２６の閉じ方向の可動範囲は、不感帯Ｒ４とされる。不感帯Ｒ４においては、開閉部材開き角度θＭの減少に関わらず、把持力ＦＳはＦｍａｘに保持される。マニピュレータ制御部４２は、力センサ７２の検出値に基づいて把持力ＦＳの値のみ制御するため、エンドエフェクタ開き角度θＳを直接制御しないが、エンドエフェクタ開き角度θＳは不感帯Ｒ４においてほぼ不変となる。
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ７１においても、第一実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１同様、作用部に生じる把持力が過剰とならないよう好適に制御しつつ、把持対象物が変化しても術者の操作感が変化しない手術器具とすることができる。
また、対象物の把持が開始されたと判定された後、エンドエフェクタ操作部２６の閉じ方向の可動範囲にまず把持力増加帯Ｒ３が設定されるため、対象物の把持後に術者がエンドエフェクタ操作部２６を閉じる操作を行うと、すぐに作用部５１に生じる把持力が増加していく。したがって、術者はより直感的に操作を行うことができる。
さらに、把持力増加帯Ｒ３における把持力ＦＳの制御が、作用部５１に設けられた力センサ７２の検出値によって行われるため、把持力の制御をより高精度に行うことができる。
本実施形態においては、把持力の制御が力センサ７２の検出値に基づいて行われる例を説明したが、これは必須ではないことは当然である。すなわち、精度は若干落ちるものの、第一実施形態と同様にモータ３７の駆動電流値を制御することで把持力を制御することも可能である。
本発明の第三実施形態について、図１０を参照して説明する。本実施形態のマスタスレーブマニピュレータと上述の各実施形態との異なるところは、エンドエフェクタ操作部の開き方向の操作においても把持力増加帯および不感帯を設定する点である。
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの機械的構造は、第二実施形態のマスタスレーブマニピュレータ７１と同様であり、エンドエフェクタ操作部２６の閉じ方向の操作における制御も同様である。本実施形態では、これに加えて、エンドエフェクタ操作部２６の開き方向（第二の方向）の操作にも所定の制御を行う。
図１０は、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータにおける開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例であり、表示態様は図９と概ね同様である。図１０では、閉じ方向の操作における不感帯Ｒ４に続いて、開き方向の操作における開閉部材開き角度θＭ、エンドエフェクタ開き角度θＳ、および把持力ＦＳの関係を示している。
マニピュレータ制御部４２は、力センサ７２の検出値に基づき、把持力ＦＳが減少したときにエンドエフェクタ操作部２６の操作が開き方向であると判定し、開き方向における制御をモータ駆動部６２への駆動信号生成に適用する。図１０に示すように、開き方向の可動範囲においては、開き方向の近位側に所定範囲の把持力減少帯（作用力減少帯）Ｒ５がまず設定される。把持力減少帯Ｒ５では、開閉部材開き角度θＭの増加に伴って、把持力ＦＳがゼロになるまで一定の傾きで減少していく。
把持力減少帯Ｒ５に続いて、開閉部材開き角度θＭの増加に伴ってエンドエフェクタ開き角度θＳが一定の傾きで増加する第二領域Ｒ６が設定され、作用部５１と把持対象物とが離間し、把持が解除される。第二領域Ｒ６におけるエンドエフェクタ開き角度θＳの制御は、第一実施形態と同様に、モータ３７の駆動電流を制御することにより行う。作用部５１が限界まで開いた後は、開閉部材の開き方向における残りの可動範囲は、開閉部材の操作によって作用部５１が動作しない遊び領域Ｒ７に設定される。
把持力減少帯Ｒ５の角度範囲は、開き方向の操作が行われる直前のエンドエフェクタ操作部２６の状態によって変化する。図１０に示した例では、エンドエフェクタ操作部２６を、不感帯Ｒ４を含む可動範囲の限界まで閉じ方向に操作した後に開き方向の操作を行っているため、把持力減少帯Ｒ５の角度範囲は把持力増加帯Ｒ３と一致している。例えば、エンドエフェクタ操作部２６を把持力増加帯Ｒ３に入ってから途中まで、例えば１５度だけ閉じ方向に操作してから開き方向の操作を行ったときは、把持力減少帯Ｒ５の角度範囲は、把持力増加帯Ｒ２内における閉じ方向操作量に等しい１５度に設定される。
また、把持力減少帯Ｒ５における把持力減少の傾きは、把持力増加帯Ｒ３における把持力増加の傾きに−１を乗じた値に設定されている。これらの構成により、把持力を増減させる際に術者に与える操作感が、エンドエフェクタ操作部２６の開き方向と閉じ方向で同一とされている。
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータにおいても、上述の各実施形態のマスタスレーブマニピュレータ同様、作用部に生じる把持力が過剰とならないよう好適に制御しつつ、把持対象物が変化しても術者の操作感が変化しない手術器具とすることができる。
また、エンドエフェクタ操作部２６の開き方向への操作開始直後に把持力減少帯Ｒ５が設定され、かつ把持力変化の傾きが、把持力増加帯の傾きに−１を乗じた値となるようにマニピュレータ操作部４２が制御を行うため、閉じ方向の操作と開き方向の操作とを交互に繰り返して作用部の把持力を細かく調節するような操作においても、術者の操作感を好適に保持することができる。
本実施形態では、エンドエフェクタ操作部２６の開き方向への操作開始直後に把持力減少帯Ｒ５が設定される例を説明したが、開き方向における制御はこれには限られない。
図１１に示す変形例では、開き方向への操作開始直後に不感帯Ｒ８が設定され、その後に把持力減少帯Ｒ５、さらに第二領域Ｒ６が設定されており、開閉部材の開き角度に対する制御内容の対応関係が閉じ方向と開き方向とで完全に一致している。このように制御すると、図１０の場合と異なり、エンドエフェクタ操作部２６を限界まで閉じてから開き方向の操作を行っても、把持が解除されるときの開閉部材開き角度と把持が開始された時の開閉部材開き角度とが一致する。したがって、術者が操作感として開閉部材開き角度とエンドエフェクタ開き角度との対応関係を重視するような場合に好適である。
また、エンドエフェクタ操作部２６が開き方向へ操作されたことを検出するために、力センサ７２の検出値に代えて把持部２１Ａに設けられた検出手段の情報が用いられてもよい。
本発明の第四実施形態について、図１２から図１４を参照して説明する。本実施形態のマスタスレーブマニピュレータと上述の各実施形態との異なるところは、取り付けられる処置具の使用態様である。
図１２は、本実施形態における処置具８０とエンドエフェクタ操作部９０を示す模式図である。作用部８１は、一対のジョー８１Ａ、８１Ｂを有する点は上述の処置具５０と同様であるが、一対のジョー８１Ａ、８１Ｂは対象物を把持するものでなく、開くことにより対象物を押圧して押し広げるために用いられる点で異なっている。これに対応して、エンドエフェクタ操作部９０の一対の開閉部材９０ｂ、９０ｃは、初期状態において閉じており、術者が開閉部材９０ｂ、９０ｃを開くように操作することで、一対のジョー８１Ａ、８１Ｂが開く。一対の開閉部材９０ｂ、９０ｃには、開き操作をしやすくするために、適宜指掛け等を設けてもよい。
上述の処置具８０を取り付けた本実施形態のマスタスレーブマニピュレータでは、一対のジョーを開くことにより対象物に作用する押圧力が、作用力として制御される。また、エンドエフェクタ操作部９０の開き方向の操作によって作用部８１に生じる押圧力が増加するため、開き方向が第一の方向となる。
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータでは、図１３に示すように、一対のジョー８１Ａ、８１Ｂの開閉方向外側の面に押圧対象物Ｓｂ１が接触したときに、押圧対象物Ｓｂ１の押圧が開始されたとマニピュレータ制御部４２が判定する。この判定は、カメラ等の取得した画像を用いて行われても、力センサ等の検出値等に基づいて行われてもいずれでも構わないが、処置具８０のような押し広げるための処置具は、一対のジョーが閉じた状態で接触している２つの組織の隙間等に挿入されてから押圧操作を開始することも少なくないため、画像処理による押圧開始の判定は容易ではない。したがって、力センサ等により押圧対象物から一対のジョーに作用する反力を検出して押圧の開始を判定するのが好ましい。
図１４は、本実施形態の本実施形態のマスタスレーブマニピュレータにおける開閉部材開き角度、エンドエフェクタ開き角度、および把持力の関係を示すグラフの一例であり、表示態様は図９等と概ね同様であるが、作用力である押圧力ＦＳ１は、上述の押圧力ＦＳと反対方向に作用する力であるため、負の値として示している。
図１４に示すように、一対の開閉部材９０ｂ、９０ｃの開き方向における制御は、第二実施形態における開閉部材９０ｂ、９０ｃの閉じ方向における制御と概ね同様である。すなわち、開閉部材開き角度θＭとエンドエフェクタ開き角度θＳとが比例する第一領域Ｒ１ａ、押圧力が一定の傾きで設定した最大押圧力Ｆｍａｘまで増加する押圧力増加帯Ｒ９、および開閉部材開き角度θＭの値に関わらず押圧力がＦｍａｘに保持される不感帯Ｒ１０が、一対の開閉部材９０ｂ、９０ｃの開き角度の小さい方から順に設定される。
これにより、押圧が開始されたと判定された時点から所定の角度範囲だけ一対の開閉部材９０ｂ、９０ｃを開き方向に操作すると、押圧力の値が最大押圧力Ｆｍａｘとなるように開閉部材の操作量と押圧力との対応関係が制御される。その結果、押圧対象物の種類等にかかわらず所定の操作感が保持される。
このように、本発明の手術器具およびその制御方法は、開くことにより対象物に作用力を与えるエンドエフェクタを備えた手術器具にも適用可能である。
本実施形態では、作用力が増加する開き方向の操作についてのみ制御が行われる例を示したが、第三実施形態と同様に、反対方向である一対の開閉部材の閉じ方向についても制御を行うようにしてもよい。また、第一実施形態のように、不感帯および押圧力増加帯の順序を入れ替えてもよい。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したり、各実施形態の構成を組み合わせたりすることが可能である。
たとえば、図１５に示す変形例のように、把持検出部として、カメラ６１および力センサ７２の両方を備えてもよい。このようにすると、作用部と対象物との接触を判定する際に、マニピュレータ制御部がカメラ６１の取得した画像および力センサ７２の検出値のいずれを採用するかを適宜切り替えたり、両方の情報に基づいて判定を行うようにしたりすることで、より好適な制御を行うことができる。
また、作用力増加帯を挟むように、２つの不感帯が設定されてもよい。特に作用部と対象物とが接触する第一領域等の領域と作用力増加帯との間にわずかな（例えば数度程度の）角度範囲の不感帯を設けると、これが「遊び」として機能し、非把持状態から把持状態への移行がスムーズとなって操作感を向上させることができる。
また、作用部と対象物との接触後において、不感帯が作用力増加帯に先行する場合は、不感帯と作用力増加帯との境界が分かりにくい場合があるため、操作部の操作量が当該境界に達した時に術者が認知可能な信号を発するように構成してもよい。信号の種類には特に制限はなく、光等の視覚的信号、音等の聴覚的信号、さらには、一瞬だけ開閉部材の動きを重くする等のあらゆる形式の信号を用いることができる。
同様に、作用力増加帯の後に不感帯が設定される場合に、作用力増加帯と不感帯との境界で術者が認知可能な信号が発せられるようにすると、不感帯に入っているにもかかわらず術者が作用力をさらに増加させようとして操作部を限界まで操作するようなことがなくなり、無駄な操作の発生を抑えることができる。
さらに、本発明の手術器具は、上述の各実施形態で示したマスタスレーブマニピュレータに限定されない。例えば、操作部とエンドエフェクタとが同一の本体に設けられた、遠隔操作を行わない手術器具であってもよい。
また、操作部の構成についても、一対の開閉部材を有する者に限られない。例えばベースに対して接近および離間可能な操作部材を有し、当該操作部材をベースに接近および離間させることで作用部の開閉を行うような構成でもよい。また、閉じ操作、開き操作に代えて、第一の方向および第二の方向へのスライド操作やねじり操作、押し込み操作等の各種操作が用いられてもよい。
さらに、作用力の最大値を、スイッチやダイヤル等の各種入力機構や表示部に表示されるユーザインターフェースを介して所望の値に設定可能に構成してもよい。
１、６１、７１ 医療用マスタスレーブマニピュレータ
４ 制御部
２６、９０ エンドエフェクタ操作部（操作部）
３７ モータ（駆動部）
５１、８１ 作用部（エンドエフェクタ）
６１ カメラ（把持検出部）
７２ 力センサ（把持検出部）
Ｓｂ 把持対象物（対象物）
Ｓｂ１ 押圧対象物（対象物）
ＦＳ 把持力（作用力）
ＦＳ１ 押圧力（作用力）
Ｒ３、Ｒ９ 作用力増加帯
Ｒ２、Ｒ４、Ｒ８、Ｒ１０ 不感帯
Ｒ５ 作用力減少帯

Claims (7)

  1. 開閉するエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを操作するための操作部とを備え、前記操作部を第一の方向に操作すると、前記エンドエフェクタが対象物に作用力を加える手術器具であって、
    前記エンドエフェクタが前記対象物に作用力を加えているか否かを判定するための情報を取得する把持検出部と、
    前記エンドエフェクタを開閉駆動する駆動部と、
    前記操作部への入力に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記把持検出部の取得した情報にもとづいて前記エンドエフェクタが前記対象物に作用力を加えていると判定したときに、
    前記操作部の前記第一の方向における可動範囲内に所定範囲の作用力増加帯を設定し、
    前記可動範囲内の残りの領域に不感帯を設定し、
    前記作用力増加帯においては、前記操作部の操作量に対して一定の傾きで前記作用力が増加するように前記駆動部を制御し、
    前記不感帯においては、前記操作部の操作量に関わらず前記作用力が一定に保持されるように前記駆動部を制御する
    ことを特徴とする手術器具。
  2. 前記作用力増加帯は、前記可動範囲内において前記第一の方向における近位側に設定されることを特徴とする請求項１に記載の手術器具。
  3. 前記把持検出部は、前記エンドエフェクタを撮像するカメラを含むことを特徴とする請求項１に記載の手術器具。
  4. 前記把持検出部は、前記作用力を検出する力センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の手術器具。
  5. 前記操作部の可動範囲は、前記エンドエフェクタの可動範囲よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の手術器具。
  6. 前記操作部を第二の方向に操作すると前記作用力が減少し、
    前記制御部は、前記操作部が前記第二の方向に操作されたときに、
    前記操作部の前記第二の方向における可動範囲内であって前記第二の方向における近位側に所定範囲の作用力減少帯を設定し、
    前記作用力減少帯においては、前記操作部の操作量に対して一定の傾きで前記作用力が減少するように前記駆動部を制御する
    ことを特徴とする請求項２に記載の手術器具。
  7. 開閉するエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを操作するための操作部とを備え、前記操作部を第一の方向に操作すると、前記エンドエフェクタが対象物に作用力を加える手術器具の制御方法であって、
    前記エンドエフェクタが前記対象物に作用力を加えているか否かを繰り返し判定し、
    前記エンドエフェクタが前記対象物に作用力を加えていると判定したときに、
    前記操作部の前記第一の方向における可動範囲内に所定範囲の作用力増加帯を設定し、
    前記可動範囲内の残りの領域に不感帯を設定し、
    前記作用力増加帯においては、前記操作部の操作量に対して一定の傾きで前記作用力を増加させ、
    前記不感帯においては、前記操作部の操作量に関わらず前記作用力を一定に保持する
    ことを特徴とする手術器具の制御方法。
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