JPH08196541A - Manipulator for operation - Google Patents

Manipulator for operation

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Publication number
JPH08196541A
JPH08196541A JP7014653A JP1465395A JPH08196541A JP H08196541 A JPH08196541 A JP H08196541A JP 7014653 A JP7014653 A JP 7014653A JP 1465395 A JP1465395 A JP 1465395A JP H08196541 A JPH08196541 A JP H08196541A
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JP
Japan
Prior art keywords
manipulator
force
slave manipulator
surgical instrument
force sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP7014653A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Michiguchi
信行 道口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP7014653A priority Critical patent/JPH08196541A/en
Publication of JPH08196541A publication Critical patent/JPH08196541A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00147Holding or positioning arrangements
    • A61B1/00149Holding or positioning arrangements using articulated arms

Abstract

PURPOSE: To facilitate the operation of a manipulator for holding operation machinery. CONSTITUTION: The manipulator 1 for operation which holds the machinery 2 for operation having an insertion section to be inserted into the cavity and moves the machinery for operation is provided with tactile sensors 22, 23 for operation input which detect the operating direction and operating capacity applied by an operator. The manipulator for operation described above includes a control means which is provided with a conversion means for receiving the input information on the operating direction and operating capacity obtd. by these tactile sensors and converting the information into commands for operating the manipulator 1 in accordance therewith, moves the manipulator 1 in accordance with the contents of these operation commands and moves the manipulator 1 at the operating speed corresponding to the operating capacity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は体腔内の観察や処置のた
めに体腔内に挿入する内視鏡や処置具等の手術用器具を
操作する手術用マニピュレータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surgical manipulator for operating a surgical instrument such as an endoscope or a treatment tool which is inserted into a body cavity for observing or treating the body cavity.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近、大きな切開を要しない低侵襲な術
式として内視鏡下での外科手術が広く行われるようにな
ってきた。例えば肺の一部や胆のう等を摘出するときに
はそれに対応した体壁の部位に小さな挿入孔を開け、こ
の挿入孔を通じて内視鏡や処置具を体腔内へ経皮的に挿
入してその体腔内での様々な処置を行う。
2. Description of the Related Art Recently, a surgical operation under an endoscope has been widely performed as a minimally invasive surgical method which does not require a large incision. For example, when a part of the lung or gallbladder is removed, a small insertion hole is opened in the corresponding part of the body wall, and an endoscope or treatment tool is percutaneously inserted into the body cavity through this insertion hole. Perform various procedures in.

【0003】この種の内視鏡下外科手術にあって、マニ
ピュレータによって手術用器具を操作する例が特開平6
−30896号公報において提案されている。この特開
平6−30896号公報には、腹腔内の観察下で処置を
行う手術用器具を取り付けるマニピュレータが示されて
いる。このマニピュレータはその保持した手術用器具の
挿入部の一点が常に変位の支点となって動作するように
支持するスライドリンク機構からなり、その支点を患者
の体に形成した挿入孔に一致させて用いるようにする。
また、マニピュレータへの動作入力手段は、手術用器具
に取り付けられた制御用スティックであり、それを操作
することによって、前記マニピュレータを動作させ、体
腔内の観察や処置等を行うようになっている。
In this type of endoscopic surgery, an example in which a surgical instrument is operated by a manipulator is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No.
It is proposed in Japanese Patent Publication No. -30896. This Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-30896 discloses a manipulator to which a surgical instrument for performing treatment while observing the abdominal cavity is attached. This manipulator consists of a slide link mechanism that supports one point of the insertion portion of the surgical instrument held so that it always operates as a fulcrum of displacement, and the fulcrum is used by matching it with the insertion hole formed in the patient's body. To do so.
Further, the operation input means to the manipulator is a control stick attached to the surgical instrument, and by operating it, the manipulator is operated to observe the inside of the body cavity or perform treatment. .

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た特開平6−30896号公報のものにあっては患者体
壁の挿入孔に対して手術器械の挿入部を挿入するには不
便であり、その操作作業性も悪い。なぜならば、そのシ
ステムは手術器械の挿入部の一点が支点となって動作す
るようなリンク保持構造になっているため、手術器械の
挿入部を挿入孔に挿入するにはかなり微妙な調節が必要
である。このような調節を制御用スイッチまたはキーボ
ード操作でマニピュレータを動作させることによって行
うことは面倒であるとともにその操作性がかなり悪い。
However, in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 6-30896, it is inconvenient to insert the insertion portion of the surgical instrument into the insertion hole of the patient's body wall. Operability is also poor. This is because the system has a link holding structure that allows one point of the surgical instrument insertion portion to act as a fulcrum, so a fairly delicate adjustment is required to insert the surgical instrument insertion portion into the insertion hole. Is. Performing such adjustment by operating the manipulator with a control switch or keyboard operation is troublesome and its operability is considerably poor.

【0005】本発明は前記課題に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、手術器械を保持する
マニピュレータの操作が容易であるとともに、そのマニ
ピュレータにより保持された手術器械の挿入部を体腔内
で観察および処置を行う際に、手術器械の挿入部が挿入
孔に対して無理な力を与えることなくスムーズに挿入
し、さらに観察および処置を行う作業を容易にする手術
用マニピュレータを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object thereof is to easily operate a manipulator for holding a surgical instrument and to insert an operating instrument held by the manipulator. When observing and performing treatment in the body cavity, a surgical manipulator that allows the insertion portion of the surgical instrument to be inserted smoothly without applying undue force to the insertion hole and further facilitates the work of observing and treating To provide.

【0006】[0006]

【課題を解決する手段および作用】本発明は、体腔内に
挿入する挿入部を備えた手術用器械を保持しその手術用
器械を動かす操作用マニピュレータと、前記マニピュレ
ータに取り付けられ、術者によって加えられる操作方向
と操作力量を検出する操作入力用力覚センサと、前記力
覚センサより得られる操作方向と操作力量の入力情報を
受けそれに対応して前記マニピュレータを動作させるた
めの指令に変換する変換手段を備え、前記動作指令の内
容に基づき前記マニピュレータを動かし、かつ前記操作
力量に対応した動作スピードで、前記マニピュレータを
動かす制御手段とを具備したことを特徴とする手術用マ
ニピュレータである。これによれば、マニピュレータに
より保持された手術器械の挿入部を体腔内に挿入し、ま
たは体腔内で観察や処置等を行う際において、そのマニ
ピュレータを容易に操作できるとともに、その作業の目
的に応じてそのマニピュレータの動作スピードを可変で
きる。
The present invention provides a manipulator for holding a surgical instrument having an insertion portion to be inserted into a body cavity and moving the surgical instrument, and an operating manipulator attached to the manipulator, which is added by an operator. Operation input force sensor for detecting the operation direction and operation force amount, and conversion means for receiving input information of the operation direction and operation force amount obtained from the force sensor and converting it into a command for operating the manipulator corresponding thereto And a control means for moving the manipulator based on the content of the operation command and for moving the manipulator at an operation speed corresponding to the operation force amount. According to this, when inserting the insertion portion of the surgical instrument held by the manipulator into the body cavity, or when performing observation or treatment in the body cavity, the manipulator can be easily operated and, depending on the purpose of the work. The operating speed of the manipulator can be changed.

【0007】[0007]

【実施例】【Example】

<第1の実施例>図1ないし図9を参照して、本発明の
第1の実施例を説明する。 (目的)この実施例は挿入孔を通じて体腔内に手術器械
を挿入し、体内の観察および/または処置を行う手術用
マニピュレータシステムにおいて、操作手段の1つであ
る力覚センサを操作することによりスレーブマニピュレ
ータを動作させるものであり、さらに、この場合におい
て、スレーブマニピュレータの手術器械の挿入部が、挿
入孔に対して無理な力が働かないように、力覚センサに
より決定される位置および姿勢をスレーブマニピュレー
タの位置および姿勢に対応させるようにしたものであ
る。 (構成)図1は手術用マニピュレータシステムを示す。
このシステムにおいてのスレーブマニピュレータ1は手
術器械2を支持するロボット3を備える。手術器械2は
ロボット3のアーム先端に取り付けられたシース4にそ
の手術器械2の挿入部5を挿通させる状態で着脱自在に
装着される。シース4は患者の体壁aに形成した挿通孔
bを通じて体腔cの内部に挿入されて配置され、前記手
術器械2の挿入部5の先端部分を体腔c内に臨ませるよ
うになっている。
<First Embodiment> A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. (Purpose) In this embodiment, in a surgical manipulator system in which a surgical instrument is inserted into a body cavity through an insertion hole to observe and / or treat the inside of the body, a slave is operated by operating a force sensor which is one of operating means. The manipulator is operated, and in this case, the position and the posture determined by the force sensor are slaved so that the insertion portion of the surgical instrument of the slave manipulator does not exert an unreasonable force on the insertion hole. It is adapted to correspond to the position and orientation of the manipulator. (Structure) FIG. 1 shows a manipulator system for surgery.
The slave manipulator 1 in this system comprises a robot 3 supporting a surgical instrument 2. The surgical instrument 2 is detachably mounted in a state in which the sheath 4 attached to the arm tip of the robot 3 is inserted through the insertion portion 5 of the surgical instrument 2. The sheath 4 is inserted and arranged in the body cavity c through an insertion hole b formed in the body wall a of the patient, and the distal end portion of the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 is exposed to the body cavity c.

【0008】また、手術器械2は立体観察式のスコープ
6と一対の処置具7a,7bとからなり、スコープ6の
左右位置に前記処置具7a,7bが配設されている。処
置具7a,7bはその先端処置部の位置や姿勢は自由に
選択可能なものであり、これは後述する手段によって操
作されるようになっている。前記スコープ6はシース4
の先端から突き出す部分の途中に湾曲部6aが形成され
ており、この湾曲部6aを後述する手段によって湾曲さ
せることにより最先端に設けられた先端部6bの向き
(視野方向)が選択されるようになっている。スコープ
6の先端部6bには照明手段の照明窓や観察手段の観察
窓が設けられている。観察手段は一対の観察窓6cを設
けて視差のある立体観察用画像を撮像する。
The surgical instrument 2 comprises a stereoscopic scope 6 and a pair of treatment tools 7a and 7b, and the treatment tools 7a and 7b are arranged at the left and right positions of the scope 6. The positions and postures of the distal treatment parts of the treatment tools 7a and 7b can be freely selected, and these can be operated by means described later. The scope 6 is a sheath 4
The curved portion 6a is formed in the middle of the portion protruding from the tip of the tip, and by bending the curved portion 6a by means described later, the orientation (viewing direction) of the tip portion 6b provided at the tip is selected. It has become. The distal end portion 6b of the scope 6 is provided with an illumination window for illumination means and an observation window for observation means. The observation means is provided with a pair of observation windows 6c to capture a stereoscopic observation image with parallax.

【0009】このスコープ6の湾曲部6aと前記一対の
処置具7a,7bの操作はその手術器械2自体に組み込
まれた操作機構によって行われる。操作機構の駆動部は
手術器械2の外端ケース部8内に組み込まれている。外
端ケース部8からはライトガイドや信号線等を内装した
可撓性のケーブル9が導出されている。
The bending portion 6a of the scope 6 and the pair of treatment tools 7a and 7b are operated by an operation mechanism incorporated in the surgical instrument 2 itself. The drive portion of the operating mechanism is incorporated in the outer end case portion 8 of the surgical instrument 2. A flexible cable 9 in which a light guide, a signal line, and the like are housed is led out from the outer end case portion 8.

【0010】この手術器械2を保持する前記ロボット3
は直動および回転の自由度を有する複数の軸を備えた多
関節アーム構造から構成されている。この実施例のスレ
ーブマニピュレータ1は支持機構として垂直軸に対して
旋回する旋回方向A1とその垂直方向A2に移動する第
1の動作軸11と、この第1の動作軸11に設けられ水
平軸方向A3へ移動する第2の動作軸12と、この第2
の動作軸12に対してその水平軸方向A3の軸まわりの
旋回方向A4に回転可能な第3の動作軸13と、この第
3の動作軸13の先端に設けられ前記旋回方向A4に直
交する旋回方向A5へ回転可能な先端保持部14とを備
え、前記シース4はその先端保持部14に対してシース
4の軸まわりの旋回方向A6に回転可能に設けられてい
る。
The robot 3 holding the surgical instrument 2
Is composed of a multi-joint arm structure having a plurality of axes having linear and rotational degrees of freedom. The slave manipulator 1 of this embodiment has, as a support mechanism, a swivel direction A1 that swivels with respect to a vertical axis and a first operating shaft 11 that moves in the vertical direction A2, and a horizontal axial direction provided on the first operating shaft 11. The second movement axis 12 that moves to A3, and the second
A third operating shaft 13 rotatable in a turning direction A4 around the horizontal axis A3 with respect to the second operating shaft 12, and provided at the tip of the third operating shaft 13 and orthogonal to the turning direction A4. The sheath 4 is provided rotatably in the swivel direction A6 around the axis of the sheath 4 with respect to the distal end holding part 14.

【0011】そして、スレーブマニピュレータ1は支持
機構としてのリンク機構を構成するが、前記各方向A1
〜A6と対応させた同一符号でこのリンク機構の関節A
1〜A6を概念的に示せば、図2で示すようになり、関
節A1〜A6を備えて構成された6軸円筒座標形のリン
ク機構を形成する。前記スレーブマニピュレータ1の各
軸には電磁モータ等のアクチュエータ(図示せず)とそ
の回転角を検出するエンコーダ(図示せず)および減速
機(図示せず)がそれぞれ設けられている。
The slave manipulator 1 constitutes a link mechanism as a support mechanism.
To the joint A of this link mechanism with the same reference numerals as A6
1 to A6 are conceptually shown, as shown in FIG. 2, and form a 6-axis cylindrical coordinate type link mechanism including joints A1 to A6. Each axis of the slave manipulator 1 is provided with an actuator (not shown) such as an electromagnetic motor, an encoder (not shown) for detecting its rotation angle, and a speed reducer (not shown).

【0012】このスレーブマニピュレータ1を操作する
ための操作手段としてはそのスレーブマニピュレータ1
に組み付けられる力覚センサを用いるダイレクトムーブ
方式の第1の操作手段と、多関節構造を有するマスター
マニピュレータ21を用いるマスタースレーブ方式の第
2の操作手段とが用意されている。第1の操作手段を構
成する力覚センサ22,23は前記ロボット3における
異なるアーム部分に対してそれぞれ突出的に設けられて
術者が手で直接に保持できるようにした各把持部24,
25に対して別々に取り付けられている。
As an operation means for operating the slave manipulator 1, the slave manipulator 1 is used.
A direct move type first operating means using the force sensor attached to the above and a master slave type second operating means using the master manipulator 21 having an articulated structure are prepared. The force sensors 22 and 23 constituting the first operation means are provided in a projecting manner with respect to different arm portions of the robot 3, respectively, so that the operator can directly hold them by hand, respectively.
It is attached to 25 separately.

【0013】第1の把持部24は第2の動作軸13の左
側面に突設されており、第2の把持部25は先端保持部
14の右側面に突設されている。各力覚センサ22,2
3はいずれも歪ゲージを搭載して構成されており、第1
の力覚センサ22は第1の把持部24に装着されてお
り、第2の力覚センサ23は第2の把持部25に装着さ
れている。そして、第1の力覚センサ22はこれに加え
られる力の3つの方向ベクトル(B1,B2,B3)を
検出し、第2の力覚センサ23はこれに加えられる力の
2つの方向ベクトル(B4,B5)と1つの回転方向
(B6)を検出できるように搭載してある。さらに力覚
センサ22,23はこれに与えられる各方向と回転につ
いての操作力量も検出する。
The first grip portion 24 is provided on the left side surface of the second operating shaft 13, and the second grip portion 25 is provided on the right side surface of the tip holding portion 14. Each force sensor 22, 2
All 3 are equipped with strain gauges,
The force sensor 22 is attached to the first grip portion 24, and the second force sensor 23 is attached to the second grip portion 25. Then, the first force sensor 22 detects the three direction vectors (B1, B2, B3) of the force applied to it, and the second force sensor 23 detects the two direction vectors of the force applied to this (B1, B2, B3). B4, B5) and one rotation direction (B6) can be detected. Further, the force sensors 22 and 23 also detect the amount of operation force applied to each of them in each direction and rotation.

【0014】ところで、把持部24,25はねじ(図示
せず)により着脱自在に装着されている。装着方法はね
じによる装着ではなくマグネットやバよネットマウント
を用いても構わない。また、装着位置に関して本実施例
では第1の把持部24は第2の動作軸12の左側面に突
設され、第2の把持部25は先端保持部14の右側面に
突設されているが、第1の把持部24を第2の動作軸1
2の右側面あるいは上部側面に突設させても構わない。
さらには第1の把持部24を第3の動作軸13の左右い
ずれか、または上部側面に突設させても構わない。第2
の把持部25に関しても同様に、先端保持部14の左あ
るいは上部側面に突設させても構わないし、第3の動作
軸13の左右いずれかにまたは上部側面に突設させても
構わない。
By the way, the grips 24 and 25 are detachably mounted by screws (not shown). The mounting method may use a magnet or a bayonet mount instead of mounting with screws. Regarding the mounting position, in this embodiment, the first grip portion 24 is provided on the left side surface of the second operating shaft 12, and the second grip portion 25 is provided on the right side surface of the tip holding portion 14. However, the first grip portion 24 is connected to the second operation axis 1
It may be projected on the right side surface or the upper side surface of 2.
Further, the first grip portion 24 may be provided on either the left or right side of the third operating shaft 13 or on the upper side surface. Second
Similarly, the grip portion 25 may be provided so as to project on the left side or the upper side surface of the tip holding portion 14, or may be provided on either the left or right side of the third operation shaft 13 or the upper side surface.

【0015】図3および図4はその力覚センサ22,2
3の一例を示す6軸力・トルクセンサ方式のものであ
る。これはベース部31側とアクティブ部32側との間
に架設した4本のビーム33から構成されており、各ビ
ーム33には図4に示すように歪ゲージ34がそれぞれ
3枚づつ張り付けられている。この力覚センサ22,2
3に外力が働くと、各ビーム33に張り付けられた歪ゲ
ージ34が歪み、それらより得られる例えば歪み量に比
例した電気信号から力(FX,FY,FZ)やトルク(TX,T
Y,TZ)の働く方向およびその力量を求めることができ
る。1つの力覚センサ22,23につき、力および回転
方向についての情報は6データ(Fx,Fy,Fz,T
x,Ty,Tz)が得られるが、この実施例においては
第1の力覚センサ22については3つの力方向について
の情報のみを検出信号として、また、第2の力覚センサ
23については2つの力方向および1つの回転方向の情
報のみを検出信号として後述する制御装置の演算部に取
り込むようになっている。そして、それらをB1〜B5
の方向ベクトルとB6の回転方向に対応させている。ま
た、これらの把持部24,25に術者が加える操作力量
の大きさも力覚センサ22,23が操作入力として検出
するようになっている。
FIG. 3 and FIG. 4 show the force sensors 22 and 2 thereof.
3 is a 6-axis force / torque sensor system. This is composed of four beams 33 installed between the side of the base portion 31 and the side of the active portion 32, and three strain gauges 34 are attached to each beam 33 as shown in FIG. There is. This force sensor 22, 2
When an external force acts on 3, the strain gauges 34 attached to the respective beams 33 are distorted, and the force (FX, FY, FZ) and torque (TX, T) are obtained from the electric signals obtained from them, which are proportional to the amount of strain, for example.
The working direction of Y, TZ) and its force can be obtained. For one force sensor 22 or 23, information about force and rotation direction is 6 data (Fx, Fy, Fz, T).
x, Ty, Tz) are obtained, but in this embodiment, only the information about the three force directions is used as the detection signal for the first force sensor 22 and 2 for the second force sensor 23. Only the information on one force direction and one rotation direction is fetched as a detection signal into the arithmetic unit of the control device described later. And, they are B1-B5
And the rotation direction of B6. Further, the force sensors 22 and 23 detect the magnitude of the operation force applied by the operator to the grips 24 and 25 as an operation input.

【0016】ところで、力覚センサ22,23で得られ
る力およびトルク情報と方向ベクトルおよび回転(B1
〜B6)との対応関係は、任意に対応させることが望ま
しい。例えば、トルク情報を方向ベクトルと対応させ、
力情報を回転に対応させても良い。これらの歪みゲージ
を利用した力覚センサとしては、例えばピー・エル・オ
ートテック社製の6軸力覚センサ(文献:矢田 他著
「指先6軸力覚センサの開発と接触位置の検出」第4回
ロボットシンポジウムp.19-24(1994))がある。また、力
覚センサとしては、歪みゲージ以外として、静電式のも
の(例えば、森本英夫 他著「力・トルクを検出する」
自動化技術 第26巻第10号(1994) p.33-36) 、光学式の
もの(例えば、谷江和男著「光学式触覚センサ」光技術
コンタクトVol.27 No.9 p.537-546) を用いても構わな
い。
By the way, the force and torque information obtained by the force sensors 22 and 23, the direction vector and the rotation (B1
~ B6), it is desirable that the correspondence relationship with B6) is arbitrarily set. For example, the torque information is associated with the direction vector,
The force information may correspond to the rotation. As a force sensor using these strain gauges, for example, a 6-axis force sensor manufactured by P.L. Autotech (Reference: Yata et al., "Development of 6-axis fingertip force sensor and detection of contact position", No. 4) There is the Robot Symposium p.19-24 (1994)). In addition to the strain gauge, the force sensor is of an electrostatic type (for example, "Detects force / torque" by Hideo Morimoto et al.).
Automated technology Vol. 26, No. 10 (1994) p.33-36), optical type (for example, Kazuo Tanie "Optical Tactile Sensor" Optical Technology Contact Vol.27 No.9 p.537-546) You can use it.

【0017】前記力覚センサ22,23の指令値のオン
/オフの操作は、例えば歪みゲージ34の歪み量を抵抗
値変化による物理量を検出することによって行い、ま
た、力覚センサ22,23に加わる力量の大きさは、そ
の歪みの変化量を抵抗値の変化量の大きさとして検出す
ることによって求める。力覚センサ22,23とスレー
ブマニピュレータ1は制御装置35に接続されている。
The operation of turning on / off the command value of the force sensors 22 and 23 is performed, for example, by detecting the amount of strain of the strain gauge 34 by detecting a physical amount due to a change in resistance value. The magnitude of the applied force is obtained by detecting the amount of change in strain as the amount of change in resistance. The force sensors 22 and 23 and the slave manipulator 1 are connected to the control device 35.

【0018】そして、力覚センサ22,23により決定
される位置および姿勢が挿入部5の先端位置および姿勢
に対応するように動作させられる。さらに、力覚センサ
22,23に加わる力量の大きさに比例した動作スピー
ドでスレーブマニピュレータ1を動作させられるように
制御される。
The position and orientation determined by the force sensors 22 and 23 are operated so as to correspond to the tip position and orientation of the insertion section 5. Further, the slave manipulator 1 is controlled to operate at an operation speed proportional to the magnitude of the force applied to the force sensors 22 and 23.

【0019】ところで、本実施例ではスレーブマニピュ
レータ1を操作するための第1の操作手段として力覚セ
ンサ22,23を示しているが、この力覚センサ22,
23としてはジョイスティック、タッチパネルまたはス
イッチを代わりに用いても構わない。
By the way, in this embodiment, the force sensors 22 and 23 are shown as the first operating means for operating the slave manipulator 1.
As 23, a joystick, a touch panel or a switch may be used instead.

【0020】一方、図1で示すように、第2の操作手段
であるマスターマニピュレータ21は、移動用マスター
アーム41と、これの先端に設けられたHMD(ヘッド
マウントディスプレイ)用アーム42および左右一対の
処置操作手段用アーム43a,43bによって構成され
ている。左右一対の処置操作手段用アーム43a,43
bは前述した左右の処置具7a,7bに対応している。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the master manipulator 21, which is the second operating means, comprises a moving master arm 41, an HMD (head mount display) arm 42 provided at the tip of the moving master arm 41, and a pair of left and right. It is constituted by the arms 43a and 43b for the treatment operation means. Left and right pair of treatment operation means arms 43a, 43
b corresponds to the left and right treatment tools 7a and 7b described above.

【0021】HMD用アーム42の先端にはHMD44
が取り付けられている。このHMD44は術者45の頭
に装着して前記3次元(立体)方式のスコープ6で撮像
して得られた3次元画像が映し出され、術者45はHM
D44を介して体腔内の画像を立体的に観察することが
出来る。
An HMD 44 is attached to the tip of the HMD arm 42.
Is attached. The HMD 44 is attached to the head of the operator 45, and a three-dimensional image obtained by imaging with the scope 6 of the three-dimensional (three-dimensional) system is displayed.
An image inside the body cavity can be stereoscopically observed through D44.

【0022】マスターマニピュレータ21の各アームの
連結部分はそれぞれ特定の向きに回動する回転構造とな
っており、その回転部分にはその回転を検出する図示し
ないエンコーダが組み込まれている。そして、各エンコ
ーダによって得られる情報を制御装置35に送り、HM
D用アーム42および左右一対の処置操作手段用アーム
43a,43bの動きを判別する。
The connecting portion of each arm of the master manipulator 21 has a rotating structure for rotating in a specific direction, and an encoder (not shown) for detecting the rotation is incorporated in the rotating portion. Then, the information obtained by each encoder is sent to the control device 35, and the HM
The movements of the D arm 42 and the pair of left and right treatment operation means arms 43a and 43b are determined.

【0023】左右一対の処置操作手段用アーム43a,
43bは前述した左右の処置具7a,7bに対して個別
的に対応しており、処置操作手段用アーム43a,43
bを動かすと、これに対応した左右の処置具7a,7b
がその動きに追従して動くように制御される。また、H
MD44を動かすと、スコープ6の先端位置と向きが変
わり、スコープ6の観察視野とHMD44の観察視野と
が追従一致するように制御される。
A pair of left and right treatment operation means arms 43a,
Reference numeral 43b individually corresponds to the left and right treatment tools 7a and 7b, and the treatment operation means arms 43a and 43b.
When b is moved, left and right treatment tools 7a, 7b corresponding to this
Is controlled to follow the movement. Also, H
When the MD 44 is moved, the tip position and direction of the scope 6 are changed, and the observation visual field of the scope 6 and the observation visual field of the HMD 44 are controlled so as to follow and match each other.

【0024】このため、スレーブマニピュレータ1およ
びマスターマニピュレータ21はいずれも制御装置35
に接続されている。そして、マスターマニピュレータ2
1の先端の位置がスコープ6の挿入部先端の位置に対応
し、また、HMD44の回転部46の位置と姿勢がスコ
ープ6の挿入部先端の変向角に対応し、さらに処置操作
手段用アーム43a,43bが前記処置具7a,7bの
位置に対応するべく動作するように制御される。
Therefore, the slave manipulator 1 and the master manipulator 21 are both in the control unit 35.
It is connected to the. And the master manipulator 2
1, the position of the tip of the insertion portion of the scope 6 corresponds to the position of the tip of the insertion portion of the scope 6, the position and orientation of the rotating portion 46 of the HMD 44 corresponds to the deflection angle of the tip of the insertion portion of the scope 6, and further, the arm for treatment operation means. 43a and 43b are controlled to operate so as to correspond to the positions of the treatment tools 7a and 7b.

【0025】これらのため、スレーブマニピュレータ1
およびマスターマニピュレータ21はいずれも制御装置
35に接続されている。次に、この実施例における制御
システムの構成を図5を参照して説明する。この制御装
置35には演算処理を行うMPU51、前記スレーブマ
ニピュレータ1を駆動制御するアクチュエータ駆動回路
52、前記力覚センサ22,23を用いる第1の操作手
段53、マスターマニピュレータ21を用いる第2の操
作手段54を備え、さらに入出力インターフェース(I
/F)55を介して接続される操作スイッチ56が備え
られている。この操作スイッチ56は、それのキー入力
によりスレーブマニピュレータ1を動作(外部位置指令
モード)させるためのものである。
For these reasons, the slave manipulator 1
The master manipulator 21 and the master manipulator 21 are both connected to the control device 35. Next, the configuration of the control system in this embodiment will be described with reference to FIG. The control device 35 includes an MPU 51 that performs arithmetic processing, an actuator drive circuit 52 that drives and controls the slave manipulator 1, a first operation unit 53 that uses the force sensors 22 and 23, and a second operation that uses the master manipulator 21. Means 54, and an input / output interface (I
/ F) 55 and an operation switch 56 connected thereto. The operation switch 56 is for operating the slave manipulator 1 (external position command mode) by key input thereof.

【0026】前記第1の操作手段53で操作を行う場
合、スレーブマニピュレータ1に取り付けられ術者によ
って加えられる操作方向と操作力量を検出する操作入力
用力覚センサ22,23に与えられる操作物理量により
その力覚センサ22,23によって得られる操作方向と
操作力量の入力情報をMPU51で受けそれに対応した
位置や姿勢に前記スレーブマニピュレータ1を動かすた
めの指令に座標変換し、その動作指令の内容に基づき前
記アクチュエータ駆動回路52によってスレーブマニピ
ュレータ1を動かし、かつ前記操作力量に対応した動作
スピードで、そのスレーブマニピュレータ1を動かす制
御手段を構成している。
When the operation is performed by the first operation means 53, the operation physical quantity provided to the operation input force sensors 22 and 23 attached to the slave manipulator 1 for detecting the operation direction and the operation force applied by the operator. The MPU 51 receives the input information of the operation direction and the operation force amount obtained by the force sensors 22 and 23, converts the coordinates into a command for moving the slave manipulator 1 to a position and posture corresponding to the MPU 51, and based on the contents of the operation command, The actuator driving circuit 52 moves the slave manipulator 1, and constitutes a control means for moving the slave manipulator 1 at an operation speed corresponding to the amount of operation force.

【0027】ところで、図1においては操作手段の1つ
としてマスターマニピュレータ21を示しているが、3
次元的な位置・姿勢情報を検出できるものであれば他の
方式、例えば3次元位置センサである磁気センサや超音
波、光、ジャイロ、慣性センサを用いた方式のものでも
構わない。
By the way, in FIG. 1, the master manipulator 21 is shown as one of the operating means.
Any other method may be used as long as it can detect dimensional position / orientation information, for example, a method using a magnetic sensor which is a three-dimensional position sensor, ultrasonic waves, light, a gyro, or an inertial sensor.

【0028】また、図1においては手術器械2の挿入部
5はスコープ6と処置具7a,7bを一体とするのを示
しているが、手術器械2はスコープだけあるいは処置具
だけの構成でも構わない。また、スコープとしてはその
挿入部の先端側部分を湾曲する湾曲機構を有するもので
あったが、その湾曲機構がない硬性鏡のものでも構わな
い。 (作用)この手術用マニピュレータシステムを使用して
の内視鏡下外科手術を行うにあたっての使用モードは、
操作手段である力覚センサ22,23によりスレーブマ
ニピュレータ1を動かすダイレクトムーブモードと、マ
スターマニピュレータ21によりスレーブマニピュレー
タ1を動かすマスタースレーブモードと、力覚センサ2
2,23とマスターマニピュレータ21の両方でスレー
ブマニピュレータ1を動かすモードのいずれかを選択で
きる。
Further, in FIG. 1, the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 is shown to have the scope 6 and the treatment instruments 7a and 7b integrated with each other, but the surgical instrument 2 may be configured with only the scope or only the treatment instrument. Absent. Further, although the scope has a bending mechanism for bending the distal end side portion of the insertion portion, a scope having a bending mechanism without the bending mechanism may be used. (Operation) The mode of use for performing endoscopic surgery using this surgical manipulator system is
A direct move mode in which the slave manipulator 1 is moved by the force sensors 22 and 23 that are operation means, a master-slave mode in which the slave manipulator 1 is moved by the master manipulator 21, and a force sensor 2
It is possible to select either of the modes for moving the slave manipulator 1 by both 2, 23 and the master manipulator 21.

【0029】また、手術器械2の挿入部5はシース4に
挿通された状態で患者の体壁aに形成した挿通孔bを通
じて体腔cの内部に挿入される。そして、この際、挿通
孔bに無理な力が加わらないようにするため、挿通孔b
の位置を中心に手術器械2の挿入部5およびシース4が
回動するいわゆるポイントロック動作が行われるべきで
ある。
Further, the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 is inserted into the body cavity c through the insertion hole b formed in the body wall a of the patient while being inserted into the sheath 4. At this time, in order to prevent an unreasonable force from being applied to the insertion hole b, the insertion hole b
A so-called point lock operation in which the insertion portion 5 and the sheath 4 of the surgical instrument 2 rotate about the position of should be performed.

【0030】このとき、力覚センサ22,23またはマ
スターマニピュレータ21の位置と姿勢に関する入力情
報に従ってスレーブマニピュレータ1が追従的に動くた
め、例えば、術者が誤って操作手段を操作した場合、患
者の体壁aに形成した挿入孔bに挿入されている挿入部
5がその挿入孔bによって動きを拘束されているにもか
かわらず、スレーブマニピュレータ1がそれに逆らって
動くことによって患者の挿入孔bへの無理な力をかける
という事態が生じてしまうことが考えられる。
At this time, since the slave manipulator 1 moves following the input information relating to the position and posture of the force sensors 22 and 23 or the master manipulator 21, for example, when the operator erroneously operates the operation means, Even though the insertion portion 5 inserted into the insertion hole b formed in the body wall a is restrained in movement by the insertion hole b, the slave manipulator 1 moves against the insertion portion 5 to the insertion hole b of the patient. It is conceivable that a situation will occur in which excessive force is applied.

【0031】そこで、患者の体壁aに形成した挿入孔b
に無理な力が作用しないよう、その挿入孔bの位置を固
定中心(支点)として動く、いわゆるポイントロック動
作の下で前記スレーブマニピュレータ1が動く様な制御
を行わせる。つまり、スレーブマニピュレータ1の動作
をそのように制限する制御を行うことによって患者の挿
入孔bへ無理な力をかけるという問題点を解決すること
が可能となる。ここでは前記動作制限のことをポイント
ロック動作と称することにする。
Therefore, the insertion hole b formed in the body wall a of the patient
In order to prevent an unreasonable force from being applied, the slave manipulator 1 is controlled to move under the so-called point lock operation, which moves with the position of the insertion hole b as a fixed center (fulcrum). That is, it is possible to solve the problem that an excessive force is applied to the insertion hole b of the patient by performing control to limit the operation of the slave manipulator 1 in such a manner. Here, the operation restriction will be referred to as a point lock operation.

【0032】次に、力覚センサ22,23により操作す
る、ダイレクトムーブモード時においてのポイントロッ
ク制限動作を説明する。このダイレクトムーブモードで
は力覚センサ22,23とスレーブマニピュレータ1と
の動作の対応関係はその力覚センサ22,23の操作に
より決定される位置および姿勢情報をスレーブマニピュ
レータ1における挿入部5の先端に反映させて動作を行
わせる。
Next, the point lock limiting operation in the direct move mode, which is operated by the force sensors 22 and 23, will be described. In this direct move mode, the correspondence relationship between the motions of the force sensors 22 and 23 and the slave manipulator 1 is the position and orientation information determined by the operation of the force sensors 22 and 23, which is set in the tip of the insertion portion 5 of the slave manipulator 1. The operation is reflected.

【0033】前記力覚センサ22,23を直接操作する
ことにより決定される位置および姿勢(回転)の入力情
報は図1において示す力覚センサ22,23の成分B
1,B2,B3,B4,B5,B6を意味するが、ポイ
ントロック動作時の場合はその成分B1〜B5によって
決定される挿入部5の先端の注目点の位置により、スレ
ーブマニピュレータ1における挿入部5の長軸が挿入孔
bを通るための挿入部5の傾きを決定し、さらにB6に
より挿入部5の回転角により、挿入部2の前記注目点の
位置および回転(姿勢)を決定して、スレーブマニピュ
レータ1の動きを制御することになる。
The input information of the position and posture (rotation) determined by directly operating the force sensors 22 and 23 is the component B of the force sensors 22 and 23 shown in FIG.
1, B2, B3, B4, B5, B6, but in the case of point lock operation, depending on the position of the target point of the tip of the insertion section 5 determined by the components B1 to B5, the insertion section in the slave manipulator 1 5 determines the inclination of the insertion part 5 so that the major axis of the insertion part 5 passes through the insertion hole b, and further determines the position and rotation (posture) of the point of interest of the insertion part 2 by the rotation angle of the insertion part 5 by B6. , The movement of the slave manipulator 1 will be controlled.

【0034】すなわち、術者がスレーブマニピュレータ
1の把持部24,25を手で握り、例えば図6(b) に示
す矢印方向に移動させようとすると(このときの力覚セ
ンサ22,23により決定される位置ベクトルをP、そ
の回転角を△θとする)、既に述べたポイントロック拘
束条件を満たしながら、挿入部5の先端部のTCP(To
ol Center Point)がベクトルP、回転角△θのように移
動する。このとき、力覚センサ22,23からはB1〜
B6までの独立した位置および姿勢の情報が検出される
ため、それらの情報の合成に基づいて、前記スレーブマ
ニピュレータ1を動かすための指令に変換するMPU5
1の変換手段で、各関節の制御量(移動量)を算出し、
その指令内容で、スレーブマニピュレータ1の動作を行
えば良い。
That is, when the operator grasps the grips 24 and 25 of the slave manipulator 1 by hand and tries to move the grips 24 and 25 in the direction of the arrow shown in FIG. 6 (b) (determined by the force sensors 22 and 23 at this time). The position vector to be generated is P and the rotation angle is Δθ), and TCP (To
ol Center Point) moves like vector P and rotation angle Δθ. At this time, from the force sensors 22 and 23, B1 to
Since information of independent position and orientation up to B6 is detected, the MPU 5 that converts the command to move the slave manipulator 1 based on the combination of the information.
The conversion amount of 1 calculates the control amount (movement amount) of each joint,
The operation of the slave manipulator 1 may be performed according to the command contents.

【0035】このポイントロック動作の制御法を図6
(a)(b)を用いて具体的に示す。制御装置35は現在のス
レーブマニピュレータ1のTCPの位置と術者の操作し
た力覚センサ22,23から得られる位置への移動した
ときに得られるベクトルPを算出する。ついで、挿入孔
bであるポイントロック位置57と移動ベクトルPの示
すTCPsi58での位置とを結ぶ線分をP軸と定義し、
現在の挿入部5の先端のTCPs59の長軸方向の線分
を0軸と定義する。前記O軸とP軸とのなす角をα、前
記O軸、P軸の2軸が作る平面に垂直なベクトル(Eベ
クトル)の算出を行う。
The control method of this point lock operation is shown in FIG.
This is specifically shown using (a) and (b). The control device 35 calculates the vector P obtained when the current position of the TCP of the slave manipulator 1 and the position obtained from the force sensors 22 and 23 operated by the operator. Next, a line segment connecting the point lock position 57 which is the insertion hole b and the position at the TCPsi 58 indicated by the movement vector P is defined as the P axis,
The line segment in the long axis direction of the TCPs 59 at the tip of the current insertion portion 5 is defined as the 0 axis. A vector (E vector) perpendicular to the plane formed by the two axes of the O-axis and the P-axis is calculated by α representing the angle formed by the O-axis and the P-axis.

【0036】現在の挿入部5の先端のTCPs59をそ
の位置から移動させる際に挿入部5の軸がポイントロッ
ク位置57を常に通るという条件を満たすためには現在
のTCPs59を前記Eベクトル回りに前記角度αだけ
回転させながら移動させる。これとは別にZ軸(Zi)
回りに前記△θ回転させることにより所望のTCPsi5
8を実現させるようにスレーブマニピュレータ1を動作
させる。以上の動作を行うべく制御装置35内におい
て、一定時間毎に計算を行っている。この計算の繰り返
しによって、実時間でのポイントロック動作付きのダイ
レクトムーブモードが実現できる。
In order to satisfy the condition that the axis of the insertion part 5 always passes through the point lock position 57 when moving the TCPs 59 at the tip of the current insertion part 5 from that position, the current TCPs 59 is moved around the E vector as described above. Move while rotating by angle α. Apart from this, Z axis (Zi)
By rotating the above Δθ around, the desired TCPsi5
The slave manipulator 1 is operated so as to realize 8. In order to perform the above operation, the control device 35 performs calculation at regular intervals. By repeating this calculation, the direct move mode with the point lock operation in real time can be realized.

【0037】さて、以上はスレーブマニピュレータ1を
患者の体腔c内に挿入した後の場合の説明であるが、次
に挿入部5を挿入孔bに挿入する際あるいは抜去する際
に生じる特異点の対策について述べる。スレーブマニピ
ュレータ1における挿入部5を挿入する際に生じる特異
点とは挿入孔bの位置と挿入部5の先端のTCPとが一
致した場合に位置は求まっているが、挿入する姿勢が無
数に存在するため、スレーブマニピュレータ1の姿勢を
決定することができなくなることである。また、挿入孔
bの位置と挿入部5の先端のTCPが一致しない場合で
も近傍においては演算精度の問題が生じるため、姿勢決
定が出来ないこともある。
The above is a description of the case after the slave manipulator 1 is inserted into the body cavity c of the patient. The singular point that occurs when the insertion portion 5 is inserted into or removed from the insertion hole b next time. Describe the measures. The singular point that occurs when inserting the insertion portion 5 in the slave manipulator 1 is determined when the position of the insertion hole b and the TCP at the tip of the insertion portion 5 match, but there are countless insertion postures. Therefore, the posture of the slave manipulator 1 cannot be determined. Further, even if the position of the insertion hole b and the TCP at the tip of the insertion portion 5 do not match, the problem of calculation accuracy arises in the vicinity, so that the posture cannot be determined in some cases.

【0038】そこで、挿入部5の先端のTCPと挿入孔
bが一致する部分において、姿勢に関しては、挿入して
きた姿勢をそのまま維持することで、この問題を解決し
ている。ただし、どの部分から前記示した以前の姿勢を
採用するかを予め決めておく必要があるので、挿入孔b
の近傍にある一定範囲の不感帯を設けることによって、
挿入部5、スレーブマニピュレータ1の特異点が生じて
もスムーズな動きが出来るようにしてある。
Therefore, with respect to the posture, the problem is solved by maintaining the posture as inserted at the portion where the TCP at the tip of the insertion portion 5 and the insertion hole b coincide with each other. However, since it is necessary to determine in advance from which portion the above-described previous posture is adopted, the insertion hole b
By providing a certain range of dead zone near
Even if a singular point of the insertion section 5 or the slave manipulator 1 occurs, smooth movement is possible.

【0039】次に、スレーブマニピュレータ1の動作モ
ードについて示す。この動作モードは3つのモードが設
けられており、第1の動作モードはマスターマニピュレ
ータ21を操作することによってマスタースレーブモー
ドであり、第2の動作モードは力覚センサ22,23を
操作することによってダイレクトムーブモードがそれぞ
れ行えてスレーブマニピュレータ1が上記したポイント
ロック拘束条件と挿入孔bの近傍での拘束条件を満たす
ように動作する。さらに、第3の動作モードは、操作ス
イッチ56のキー入力操作によりスレーブマニピュレー
タ1を動作させることができる外部位置指令モードであ
り、上記したポイントロック拘束条件有効/無効、いず
れの場合にも操作可能である。また、各動作モードの選
択方法は操作スイッチキーボード上に設けられた選択操
作スイッチによって、いずれか1つの動作モードをスイ
ッチ入力により選択できるようになっている。
Next, the operation mode of the slave manipulator 1 will be described. This operation mode is provided with three modes. The first operation mode is the master-slave mode by operating the master manipulator 21, and the second operation mode is the operation of the force sensors 22 and 23. The direct move mode can be performed, and the slave manipulator 1 operates so as to satisfy the above-described point lock constraint condition and constraint condition near the insertion hole b. Furthermore, the third operation mode is an external position command mode in which the slave manipulator 1 can be operated by a key input operation of the operation switch 56, and can be operated in any of the above-mentioned point lock constraint condition valid / invalid. Is. As a method of selecting each operation mode, any one operation mode can be selected by switch input by a selection operation switch provided on the operation switch keyboard.

【0040】第1の動作モードについては、ポイントロ
ック拘束条件を満たしながら、マスターマニピュレータ
21の先端の位置が、挿入部5の湾曲部6aの位置に対
応し、また、HMD12の回転部の位置が、挿入部の湾
曲部6aの湾曲角に対応し、さらに、処置手段操作用ア
ーム43a,43bが、処置具7a,7bの位置に対応
して動作する。また、ポイントロック拘束条件無効の場
合についてもスレーブマニピュレータ1の動作が可能で
ある。
In the first operation mode, the position of the tip of the master manipulator 21 corresponds to the position of the bending portion 6a of the insertion portion 5 and the position of the rotating portion of the HMD 12 while the point lock constraint condition is satisfied. , Corresponding to the bending angle of the bending portion 6a of the insertion portion, and the treatment means operating arms 43a and 43b operate corresponding to the positions of the treatment tools 7a and 7b. Further, the slave manipulator 1 can operate even when the point lock constraint condition is invalid.

【0041】第2の動作モードについては、力覚センサ
22,23により決定される位置および回転情報をスレ
ーブマニピュレータ1の動作に反映させるわけである
が、ポイントロック拘束条件無効の場合と、ポイントロ
ック拘束条件有効の場合の2通りの動作が選択できる。
In the second operation mode, the position and rotation information determined by the force sensors 22 and 23 is reflected in the operation of the slave manipulator 1, but the case where the point lock constraint condition is invalid and the point lock is not locked. Two types of actions can be selected when the constraint condition is valid.

【0042】まず、ポイントロック拘束条件無効の場合
の動作については、力覚センサ22,23により決定さ
れる位置および回転勢情報であるB1〜B6に対して、
スレーブマニピュレータ1の各軸であるA1,A2,A
3,A4,A5,A6が1対1に対応するように制御さ
れている。すなわち、例えば、図7(a) のように力覚セ
ンサ22を前方(B3ベクトル方向)へ押すことによっ
て、A3軸のみが伸びる方向に動作する。この場合は、
力覚センサ22,23からの指令値は1つなので、その
指令値に対応する軸のみが動作し、それ以外の軸は動作
しない。また、指令値が2つ以上の場合においても各指
令値に対応する各軸が動作する。以上の動作を制御装置
35内において、一定時間毎に計算を行っている。この
計算の繰り返しによって、実時間でのポイントロック拘
束条件無効の場合のダイレクトムーブモードが実現でき
る。
First, regarding the operation in the case where the point lock constraint condition is invalid, with respect to the positions and rotational force information B1 to B6 determined by the force sensors 22 and 23,
Slave manipulator 1 axes A1, A2, A
3, A4, A5, A6 are controlled so as to correspond one to one. That is, for example, when the force sensor 22 is pushed forward (B3 vector direction) as shown in FIG. 7A, only the A3 axis moves in the extending direction. in this case,
Since there is one command value from the force sensors 22 and 23, only the axis corresponding to the command value operates, and the other axes do not operate. Further, even when there are two or more command values, each axis corresponding to each command value operates. The above operation is calculated in the control device 35 at regular time intervals. By repeating this calculation, the direct move mode when the point lock constraint condition is invalid in real time can be realized.

【0043】次に、ポイントロック拘束条件有効の場合
であるが、B1〜B5により決定される挿入部5の先端
の注目点の位置により、スレーブマニピュレータ1の先
端の位置および挿入部5の長軸が挿入孔bを通るための
挿入部5の傾きを決定し、B6による挿入部5の回転角
により、挿入部5の注目点の位置および回転を制御す
る。すなわち、例えば図7(b) のように力覚センサ22
を前方(B3ベクトル方向)へ押すことによって、挿入
部5はポイントロック拘束条件を満たすようにスレーブ
マニピュレータ1の各軸であるA1〜A6は動作する。
以上の動作を制御装置35内において、一定時間毎に計
算を行っている。この計算の繰り返しによって、実時間
でのポイントロック条件有効の場合のダイレクトムーブ
モードが実現できる。
Next, in the case where the point lock constraint condition is valid, the position of the tip of the slave manipulator 1 and the long axis of the insertion part 5 depend on the position of the target point of the tip of the insertion part 5 determined by B1 to B5. Determines the inclination of the insertion part 5 for passing through the insertion hole b, and controls the position and rotation of the point of interest of the insertion part 5 by the rotation angle of the insertion part 5 by B6. That is, for example, as shown in FIG.
By pushing forward (in the B3 vector direction), the insertion unit 5 operates the respective axes A1 to A6 of the slave manipulator 1 so as to satisfy the point lock constraint condition.
The above operation is calculated in the control device 35 at regular time intervals. By repeating this calculation, the direct move mode when the point lock condition is valid in real time can be realized.

【0044】このように、力覚センサ22,23からの
位置および回転情報に基づいてスレーブマニピュレータ
1を動作させるために、ポイントロック拘束条件無効/
有効とすることができるような変換手段が設けられてい
る。すなわち変換手段とは、力覚センサ22,23から
の位置および姿勢(回転)情報をスレーブマニピュレー
タ1の各関節軸を動作させるための動作指令値として1
対1に対応させるポイントロック拘束条件無効とする変
換と、力覚センサ22,23からの位置および姿勢(回
転)情報を座標変換し、スレーブピュレータ1の各関節
軸を動作させるための動作指令値としてポイントロック
動作が行えるように対応させるポイントロック拘束条件
有効とする変換である。
As described above, in order to operate the slave manipulator 1 based on the position and rotation information from the force sensors 22 and 23, the point lock constraint condition is invalidated /
Conversion means are provided which can be validated. That is, the conversion means uses the position and orientation (rotation) information from the force sensors 22 and 23 as 1 as an operation command value for operating each joint axis of the slave manipulator 1.
An operation command value for converting the point lock constraint condition corresponding to the pair 1 to be invalid and the position and orientation (rotation) information from the force sensors 22 and 23 to coordinate to operate each joint axis of the slave purator 1. Is a conversion that makes the point lock constraint condition valid so that the point lock operation can be performed.

【0045】一方、ダイレクトムーブによるスレーブマ
ニピュレータ1の動作スピードに関しては、MPU51
においてその力量の入力情報に応じた指令情報を算出し
ている。つまり、力覚センサ22,23に加えられる力
量の大きさに比例して変化するように制御されている。
力覚センサ22,23を強く押すことによりスレーブマ
ニピュレータ1は早く動作し、逆に、弱く押すことによ
りスレーブマニピュレータ1は遅く動作する。
On the other hand, regarding the operation speed of the slave manipulator 1 by the direct move, the MPU51
In, the command information corresponding to the input information of the ability is calculated. That is, the force sensors 22 and 23 are controlled so as to change in proportion to the magnitude of the force applied thereto.
When the force sensors 22 and 23 are strongly pressed, the slave manipulator 1 operates fast, and conversely, when the force sensors 22 and 23 are weakly pressed, the slave manipulator 1 operates slowly.

【0046】また、ダイレクトムーブモードにおいての
ポイントロック拘束条件無効/有効の切換は、操作スイ
ッチ56の操作盤上に設けた切換スイッチにより、ポイ
ントロック拘束条件無効/有効いずれかを選択できるよ
うになっている。
Further, in the switching of the point lock restraint condition invalidity / validity in the direct move mode, it is possible to select either invalidity / validity of the point lock restraint condition by a changeover switch provided on the operation panel of the operation switch 56. ing.

【0047】第3の動作モード3についても、ポイント
ロック拘束条件有効の場合とポイントロック拘束条件無
効の場合の2通りの動作が可能である。まず、ポイント
ロック拘束条件無効の場合の動作については、キー入力
によりA1〜A6の各軸毎にそれぞれ独立に動作させ
る。
Also in the third operation mode 3, two kinds of operations are possible when the point lock constraint condition is valid and when the point lock constraint condition is invalid. First, regarding the operation in the case where the point lock constraint condition is invalid, each axis of A1 to A6 is independently operated by key input.

【0048】一方のポイントロック拘束条件有効の場合
は、キー入力により、挿入部先端6bのTCPを基準と
した移動ベクトル(P)、および回転角(△θ)を指令
する。図8において、第3の動作モードである外部位置
指令モードに入った時点でのスレーブマニピュレータ1
の先端部のTCPの状態をTCPs59とし、キー入力
されたベクトルPから、移動後のスレーブマニピュレー
タ1のTCPsi58を算出する。ここで、ポイントロ
ック位置57からTCPsi58の位置へ向かうベクト
ルをTCPsi58のZ軸(Zi)とする。ポイントロ
ック位置57からTCPs59への直線と、ポイントロ
ック位置57からTCPsi58への直線との成す角度
をα、および前記2直線の作る平面に垂直なベクトルE
を算出する。TCPsi58をEベクトル回りにα回転
した後、Z(Zi)軸回りに入力された回転角△θだけ
回転したものをTCPsi58の状態とする。このTC
Psi58を実現するためにスレーブマニピュレータ1
を動作させる。以上の動作を制御装置35内において、
一定時間毎に計算を行っている。この計算の繰り返しに
よって、実時間でのポイントロック拘束条件有効の場合
での外部位置指令モードが実現できる。
If one of the point lock constraint conditions is valid, a movement vector (P) and a rotation angle (Δθ) of the tip 6b of the insertion portion with reference to TCP are commanded by key input. In FIG. 8, the slave manipulator 1 at the time of entering the external position command mode which is the third operation mode
Let TCPs59 be the TCP state at the tip of the, and calculate TCPsi58 of the moved slave manipulator 1 from the vector P keyed in. Here, the vector from the point lock position 57 to the position of TCPsi 58 is defined as the Z axis (Zi) of TCPsi 58. The angle between the straight line from the point lock position 57 to TCPs 59 and the straight line from the point lock position 57 to TCPsi 58 is α, and the vector E perpendicular to the plane formed by the two straight lines is
To calculate. The TCPsi 58 is rotated by α around the E vector, and then rotated by the rotation angle Δθ input around the Z (Zi) axis, which is set to the state of the TCPsi 58. This TC
Slave manipulator 1 to realize Psi58
To operate. The above operation is performed in the control device 35.
Calculation is performed at regular intervals. By repeating this calculation, the external position command mode can be realized when the point lock constraint condition is valid in real time.

【0049】また、外部位置指令モードにおいてのポイ
ントロック拘束条件の無効/有効の切換は操作スイッチ
56の同一操作盤上に設けた切換スイッチ(図示しな
い。)によって、そのポイントロック拘束条件の無効/
有効いずれかを選択できるようになっている。
Further, in the external position command mode, the invalidity / validity of the point lock restraint condition is switched by the changeover switch (not shown) provided on the same operation panel of the operation switch 56 as the invalidity / validity of the point lock restraint condition.
You can select either valid.

【0050】次に、本実施例でのダイレクトムーブモー
ドについての動作の一連の流れを示す。図9はダイレク
トムーブモードについての動作の一連の動作フローを示
し、図10はポイントロック拘束条件無効の場合につい
て示し、また、図11はポイントロック拘束条件有効の
場合についての動作フローをそれぞれ示す。
Next, a series of flow of operations in the direct move mode in this embodiment will be shown. FIG. 9 shows a series of operation flows in the direct move mode, FIG. 10 shows the case where the point lock constraint condition is invalid, and FIG. 11 shows the operation flow when the point lock constraint condition is valid.

【0051】まず、図9を用いてダイレクトムーブモー
ドの一連の動作フローについて説明する。このダイレク
トムーブモード状態では、操作スイッチ56に設けてあ
る切換スイッチの操作によりポイントロック拘束条件無
効による動作とポイントロック拘束条件有効による動作
のうち1つの動作を選択し、その選択した動作モードに
入るようになっている。
First, a series of operation flows in the direct move mode will be described with reference to FIG. In this direct move mode state, one of the operation due to the point lock constraint condition being invalid and the operation due to the point lock constraint condition being valid is selected by operating the changeover switch provided in the operation switch 56, and the selected operation mode is entered. It is like this.

【0052】次に、図10を用いてポイントロック拘束
条件無効の場合の動作フローについて説明する。 術者
はスレーブマニピュレータ1のダイレクトムーブ用の把
持部24,25を手で持ち、スレーブマニピュレータ1
の動作させる所望の関節軸に対応する把持部24,25
を持ち、動作させたい移動方向へスレーブマニピュレー
タ1を移動させようとする。制御装置35側ではその把
持部24,25に取り付けられている力覚センサ22,
23における位置および回転を動作指令として制御装置
35に入力する。前記処理を終えたら動作指令に対応す
るスレーブマニピュレータ1の関節軸を、力覚センサ2
2,23により決定された位置およびまたは回転の指令
値に一致するようにスレーブマニピュレータ1を動作さ
せる。
Next, the operation flow when the point lock constraint condition is invalid will be described with reference to FIG. The surgeon holds the grips 24 and 25 for the direct move of the slave manipulator 1 by hand, and the slave manipulator 1
24, 25 corresponding to the desired joint axis to be operated by
, And tries to move the slave manipulator 1 in the desired movement direction. On the control device 35 side, the force sensor 22 attached to the grips 24, 25,
The position and rotation at 23 are input to the control device 35 as operation commands. When the above process is completed, the joint axis of the slave manipulator 1 corresponding to the operation command is set to the force sensor 2
The slave manipulator 1 is operated so as to match the command value of the position and / or rotation determined by 2 and 23.

【0053】次に、図11を用いてポイントロック拘束
条件有効の場合の動作フローについて説明する。術者
は、スレーブマニピュレータ1のダイレクトムーブ用の
把持部24,25を手に持ち、所望の移動方向へスレー
ブマニピュレータ1を移動させようとする。制御装置3
5側ではその把持部24,25に取り付けられている力
覚センサ22,23における位置および回転を動作指令
として制御装置35に入力する。前記処理を終えたら、
手術器械2の操作対象部位(スレーブマニピュレータ1
の先端TCP)が挿入孔bの近傍にあるか、ないかを判
断する。ここでは、スレーブマニピュレータのTCPが
体腔c内にあるか否かを判断する。もし、体腔c外にあ
るのであれば、挿入部5の長軸の傾きの値として、手術
器械2の操作対象部位(スレーブマニピュレータ1のT
CP)の位置が、挿入孔bの近傍に入る直前の値を用
い、さらに、挿入部5の長軸まわりの回転がスレーブマ
ニピュレータ1のTCPの回転の指令に一致するように
動作させる。もし、スレーブマニピュレータ1のTCP
の位置が体腔c内に位置する場合は、挿入部5が挿入孔
bの位置を通り、手術器械2の操作対象部位(スレーブ
マニピュレータ1のTCP)の位置が、力覚センサ2
2,23により決定された指令位置に一致するように
し、さらに、挿入部5の長軸まわりの回転が力覚センサ
22,23の回転の指令に一致するように動作させる。 (効果)術者は、力覚センサ22,23の操作を行う
と、ポイントロック拘束条件を満たすようにスレーブマ
ニピュレータ1を動作させることができ、体腔c内に挿
入された挿入部5の先端を挿入孔bに無理な力を作用さ
せずにスムーズに動作させることができる。
Next, the operation flow when the point lock constraint condition is valid will be described with reference to FIG. The operator holds the grips 24 and 25 for the direct move of the slave manipulator 1 in his hand and tries to move the slave manipulator 1 in a desired moving direction. Control device 3
On the 5 side, the positions and rotations of the force sensors 22 and 23 attached to the grips 24 and 25 are input to the control device 35 as operation commands. After finishing the above process,
Operation target part of the surgical instrument 2 (slave manipulator 1
It is determined whether or not the tip end TCP) is near the insertion hole b. Here, it is determined whether the TCP of the slave manipulator is inside the body cavity c. If it is outside the body cavity c, as the value of the inclination of the long axis of the insertion portion 5, the operation target portion of the surgical instrument 2 (T of the slave manipulator 1).
The value of CP) immediately before entering the vicinity of the insertion hole b is used, and further operation is performed so that the rotation of the insertion portion 5 about the long axis coincides with the rotation instruction of the TCP of the slave manipulator 1. If slave manipulator 1 TCP
Is located in the body cavity c, the insertion portion 5 passes through the position of the insertion hole b, and the position of the operation target site of the surgical instrument 2 (TCP of the slave manipulator 1) is the force sensor 2
The command positions determined by 2 and 23 are matched, and further, the rotation of the insertion section 5 about the long axis is matched to the command of rotation of the force sensors 22 and 23. (Effect) When the operator operates the force sensors 22 and 23, the operator can operate the slave manipulator 1 so as to satisfy the point lock constraint condition, and the tip of the insertion portion 5 inserted into the body cavity c can be moved. The insertion hole b can be operated smoothly without exerting an excessive force.

【0054】また、動作モードは、ダイレクトムーブモ
ード、マスタースレーブモードおよび外部位置指令モー
ドのうちいずれか一つが選択でき動作させることができ
るため、術者にとっては手術の用途に応じて動作モード
が選択できるため、作業の容易化が図れ操作性が向上す
る。さらに、ダイレクトムーブモードによる動作におい
ては、ポイントロック拘束条件の無効/有効が作業用途
に応じて切換えられるので、操作性が向上する。さら
に、力覚センサ22,23に加わる力量に応じてスレー
ブマニピュレータ1の動作スピードが変えられるため、
作業の容易化が図れ操作性が向上する。 <第2の実施例>図2ないし図5、図12および図13
を参照して、本発明の第2の実施例を説明する。 (目的)この実施例は手術器械を体腔内(脳内)に挿入
し、体内(脳内)の観察またはおよび処置を行う手術用
マニピュレータシステムにおいて、スレーブマニピュレ
ータに取り付けた力覚センサを操作することにより、ス
レーブマニピュレータを動作させる場合に、スレーブマ
ニピュレータの手術器械の挿入部が、観察および処置を
行う対象部位に対し、挿入部を真っ直ぐ挿入できるよう
に、力覚センサにより決定される位置および姿勢をスレ
ーブマニピュレータの位置および姿勢に対応させるもの
である。 (構成)この実施例において、前述した第1の実施例と
同一の構成部分は同一の符号を付して説明しまたはその
説明を省略する。図12に示すように手術用マニピュレ
ータシステムにおいて、スレーブマニピュレータ1は手
術器械2を支持するロボット3を備えて構成されてい
る。手術器械2はその先端部を患者の頭部内に挿入する
挿入部5を有しており、ロボット3は直動および回転の
自由度を有する複数の軸を有する。手術器械2はロボッ
ト3に着脱可能となっている。また、リンク機構につい
ては第1の実施例で述べたと同様、図2で示すように構
成されている。また、挿入部5の先端部には、3次元
(立体)スコープ6とこれの左右位置に配設される処置
具7a,7bとを備えている。3次元(立体)スコープ
6の先端部および一対の処置具7a,7bはそれぞれ湾
曲可能となっている。
Further, as the operation mode, one of the direct move mode, the master-slave mode and the external position command mode can be selected and operated. Therefore, the operator can select the operation mode according to the application of the operation. Therefore, the work can be facilitated and the operability is improved. Further, in the operation in the direct move mode, the invalidity / effectiveness of the point lock constraint condition can be switched according to the work application, so that the operability is improved. Furthermore, since the operating speed of the slave manipulator 1 can be changed according to the amount of force applied to the force sensors 22 and 23,
Work can be facilitated and operability is improved. <Second Embodiment> FIGS. 2 to 5, FIG. 12 and FIG.
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. (Purpose) This embodiment is to operate a force sensor attached to a slave manipulator in a surgical manipulator system in which a surgical instrument is inserted into a body cavity (in the brain) to observe or treat the inside of the body (in the brain). Thus, when operating the slave manipulator, the position and posture determined by the force sensor can be set so that the insertion part of the surgical instrument of the slave manipulator can be inserted straight into the target site to be observed and treated. It corresponds to the position and posture of the slave manipulator. (Structure) In this embodiment, the same components as those in the first embodiment described above will be designated by the same reference numerals and will not be described. As shown in FIG. 12, in the surgical manipulator system, the slave manipulator 1 includes a robot 3 that supports a surgical instrument 2. The surgical instrument 2 has an insertion part 5 for inserting its tip into the patient's head, and the robot 3 has a plurality of axes having degrees of freedom of linear movement and rotation. The surgical instrument 2 is attachable to and detachable from the robot 3. Further, the link mechanism is configured as shown in FIG. 2 as in the first embodiment. In addition, a three-dimensional (three-dimensional) scope 6 and treatment tools 7a and 7b arranged at left and right positions thereof are provided at the tip of the insertion portion 5. The tip of the three-dimensional (three-dimensional) scope 6 and the pair of treatment tools 7a and 7b can be curved.

【0055】また術者の頭部にはHMD(ヘッドマウン
テッドディスプレイ)44が装着されている。このHM
D44に関しての位置を検出するための3次元位置セン
サ61が設けられている。この3次元位置センサ61は
術者の頭部位置、例えば前記HMD44に取り付けられ
た検出部61aと絶対空間に設置された発信部61bと
を備えてなり、前記発信部61bに対する検出部61a
の3次元位置関係が求められる。この3次元位置センサ
61の検出部61aと発信部61bは3つの直交する電
磁コイルからなり、双方の相互インダクタンスの変化量
より、3つの位置座標と3つの姿勢情報が検出できるよ
うになっている。
An HMD (head mounted display) 44 is attached to the operator's head. This HM
A three-dimensional position sensor 61 for detecting the position with respect to D44 is provided. The three-dimensional position sensor 61 is provided with a head position of an operator, for example, a detection unit 61a attached to the HMD 44 and a transmission unit 61b installed in an absolute space, and the detection unit 61a for the transmission unit 61b.
The three-dimensional positional relationship of is calculated. The detection unit 61a and the transmission unit 61b of the three-dimensional position sensor 61 are composed of three orthogonal electromagnetic coils, and are capable of detecting three position coordinates and three attitude information from the amount of change in mutual inductance of both. .

【0056】一方、このシステムにおける操作手段とし
ては前記ロボット3に着脱自在な各把持部24,25に
対して別々に取り付けられた力覚センサ22,23が設
けられている。スレーブマニピュレータ1、3次元位置
センサ61および力覚センサ22,23は制御装置35
に接続されており、その力覚センサ22,23により決
定される位置および姿勢(回転)がスレーブマニピュレ
ータ1の位置および姿勢に対応するように動作し、3次
元位置センサ61により決定される位置および姿勢が3
次元(立体)スコープ6の湾曲部の湾曲角に対応するよ
うに動作させる。また、一対の処置具7a,7bは手術
器械2の外端ケース部8に近接する位置に設けた操作部
63a,63b,63c,63dにより機械的に操作さ
れるようになっている。
On the other hand, as the operating means in this system, force sensors 22 and 23 separately attached to the respective gripping portions 24 and 25 which are detachable from the robot 3 are provided. The slave manipulator 1, the three-dimensional position sensor 61, and the force sensors 22 and 23 are the control device 35.
And the position and orientation (rotation) determined by the force sensors 22 and 23 correspond to the position and orientation of the slave manipulator 1 and the position and orientation determined by the three-dimensional position sensor 61. Posture 3
The three-dimensional scope 3 is operated so as to correspond to the bending angle of the bending portion. Further, the pair of treatment tools 7a, 7b are mechanically operated by operating portions 63a, 63b, 63c, 63d provided at positions close to the outer end case portion 8 of the surgical instrument 2.

【0057】また、力覚センサ22は力の3つの方向ベ
クトル(B1,B2,B3)を、力覚センサ23は力の
2つの方向ベクトル(B4,B5)と1つの回転(B
6)を検出できるように、その内部に歪ゲージが搭載さ
れており、その具体的な構成は前述した通りである。
The force sensor 22 has three direction vectors of force (B1, B2, B3), and the force sensor 23 has two direction vectors of force (B4, B5) and one rotation (B).
A strain gauge is mounted inside so that 6) can be detected, and its specific configuration is as described above.

【0058】なお、図12においては3次元(立体)ス
コープ6としての内視鏡と処置具を一体とする挿入部5
を示しているが、内視鏡だけあるいは処置具だけの構成
でも構わない。また、内視鏡は硬性鏡でも構わない。ま
た、この実施例の手術用マニピュレータの動作を制御す
るシステム構成は第1の実施例での図5に示したものと
同一あり、その説明を省略する。 (作用)脳外分野でのポイントロック位置は、患者頭部
内に位置する部分であるため、予めCT等の画像観察装
置によって目的部位の位置を確認しておく必要がある。
この目的部位の位置を知るためには、例えば制御装置3
5の操作スイッチ56から位置情報を入力したりするこ
とによって、その制御装置35側で目的部位(ポイント
ロック位置)とスレーブマニピュレータ1との位置関係
を認識させることも可能である。
Note that, in FIG. 12, the insertion portion 5 in which the endoscope as the three-dimensional (stereoscopic) scope 6 and the treatment tool are integrated.
However, it may be configured with only an endoscope or only a treatment tool. The endoscope may be a rigid endoscope. Further, the system configuration for controlling the operation of the surgical manipulator of this embodiment is the same as that shown in FIG. 5 in the first embodiment, and the explanation thereof is omitted. (Operation) Since the point lock position in the extra-cerebral field is a portion located inside the patient's head, it is necessary to confirm the position of the target site in advance by an image observation device such as CT.
In order to know the position of this target site, for example, the control device 3
By inputting position information from the operation switch 56 of No. 5, it is possible to make the control device 35 recognize the positional relationship between the target portion (point lock position) and the slave manipulator 1.

【0059】次に、具体的な動作について説明すると、
図13(a) で示したように、手術器械2をS1の状態か
ら水平(矢印方向)に移動させるために、スレーブマニ
ピュレータ1のA3の軸を伸長するように操作する。つ
まり、力覚センサ22をB3方向に押したとする。ポイ
ントロックモードでないときには、図13(a) の点線で
示されたように手術器械2の先端が移動するが、ポイン
トロックモードのときには、ポイントロック位置Aと手
術器械2の長軸とが一致するように動作するため、図1
3(a) に示されているS1の位置からS2の状態に移動
する。
Next, the specific operation will be described.
As shown in FIG. 13 (a), in order to move the surgical instrument 2 horizontally from the state of S1 (direction of arrow), the axis of A3 of the slave manipulator 1 is extended. That is, it is assumed that the force sensor 22 is pushed in the B3 direction. When not in the point lock mode, the tip of the surgical instrument 2 moves as shown by the dotted line in FIG. 13 (a), but in the point lock mode, the point lock position A and the long axis of the surgical instrument 2 coincide. Because it works like
It moves from the position of S1 shown in 3 (a) to the state of S2.

【0060】また、手術器械2を図13(b) に示すよう
にS3の位置から垂直方向(矢印)に移動させるため
に、スレーブマニピュレータ1のA2軸を短縮するよう
にするため力覚センサ22を −B2方向へ押す操作を
したとすると、ポイントロックモードでない場合には、
手術器械2は図13(b) の点線で示す部分に移動する
が、ポイントロックモードのときには、図13(b) のS
4の状態に移動する。
Further, in order to move the surgical instrument 2 in the vertical direction (arrow) from the position of S3 as shown in FIG. 13 (b), the force sensor 22 is used to shorten the A2 axis of the slave manipulator 1. If you press in the -B2 direction, if the point lock mode is not available,
The surgical instrument 2 moves to the portion shown by the dotted line in FIG. 13 (b), but in the point lock mode, S in FIG. 13 (b) is used.
Move to state 4.

【0061】以上、水平・垂直についての移動方法を示
したが、スレーブマニピュレータ1は回転を行わせるこ
とも可能であり、それについては、図13(b) に示した
S3の状態からスレーブマニピュレータ1のA5軸が回
転するように力覚センサ23のB5の回転操作を行う。
ポイントロックモードでないときは図13(c) のS5の
状態から点線で示す部分に手術器械2が移動するが、ポ
イントロックモードのときはポイントロック拘束条件を
満たすために、姿勢をS6状態に移動させる。
The horizontal / vertical movement method has been described above, but the slave manipulator 1 can also be rotated, and the slave manipulator 1 can be rotated from the state of S3 shown in FIG. 13 (b). The rotation operation of B5 of the force sensor 23 is performed so that the A5 axis of is rotated.
When not in the point lock mode, the surgical instrument 2 moves from the state of S5 in FIG. 13 (c) to the portion indicated by the dotted line, but in the point lock mode, the posture is moved to the state of S6 to satisfy the point lock constraint condition. Let

【0062】以上、脳外科分野で使用される手術器械2
をスレーブマニピュレータ1に取り付けたときのスレー
ブマニピュレータ1の操作方法を説明したが、脳外科分
野で使用する場合、ポイントロック位置というのは患者
の頭部内にある。
As mentioned above, the surgical instrument 2 used in the field of brain surgery
The operation method of the slave manipulator 1 when the is attached to the slave manipulator 1 has been described, but when used in the field of brain surgery, the point lock position is inside the head of the patient.

【0063】したがって、第1の実施例で示したよう
に、ポイントロック位置を通過するということは実際に
は無いが、仮に、ポイントロック位置と手術器械2の先
端部の位置が一致した場合、第1の実施例で述べたよう
に、特異点が生じるようになるため、本実施例でも制御
装置35側で第1の実施例で示した不感帯の処理を行
う、姿勢を決定できなくなった場合、不感帯に入る直前
の姿勢に決定する処理を制御装置35側で行わせてい
る。 (効果)したがって、力覚センサの操作により決定され
る位置および姿勢が、スレーブマニピュレータ1の手術
器械2の挿入部5が、観察および処置を行う対象部位に
対し、挿入部5を真っ直ぐ挿入する拘束条件を満たさな
い場合においても、この拘束条件を満たすよう動作させ
ることができる。手術器械2の挿入部5が観察および処
理を行う対象部に対し、真っ直ぐ向け、さらに真っ直ぐ
挿入することも容易にできるという効果がある。
Therefore, as shown in the first embodiment, it does not actually pass through the point lock position. However, if the point lock position and the position of the distal end portion of the surgical instrument 2 match, As described in the first embodiment, a singular point occurs, and therefore, in this embodiment, the dead band processing shown in the first embodiment is performed on the control device 35 side, and the posture cannot be determined. The control device 35 side performs a process of determining the posture immediately before entering the dead zone. (Effect) Therefore, the position and the posture determined by the operation of the force sensor are constrained so that the insertion section 5 of the surgical instrument 2 of the slave manipulator 1 inserts the insertion section 5 straight into the target site to be observed and treated. Even when the condition is not satisfied, the operation can be performed so as to satisfy the constraint condition. There is an effect that the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 can be easily orientated in a straight line with respect to a target portion to be observed and processed, and further can be inserted straight.

【0064】また、術者は、力覚センサ22,23の操
作を行うと、これに追従してスレーブマニピュレータ1
が動作し、頭部内に挿入された手術器械2をスムーズに
操作することができる。さらに、力覚センサ22,23
に加わる力量に応じてスレーブマニピュレータ1の動作
スピードが変えられるため、作業の容易化が図れ操作性
が向上する。
When the operator operates the force sensors 22 and 23, the slave manipulator 1 follows the operation of the force sensors 22 and 23.
Can be operated, and the surgical instrument 2 inserted in the head can be operated smoothly. Further, the force sensors 22, 23
Since the operation speed of the slave manipulator 1 can be changed according to the amount of force applied to, the work can be facilitated and the operability is improved.

【0065】また、術者は、術者の頭部にHMD44お
よび3次元位置センサ61の検出部61aを設けている
ので、術者が頭部を動かすと、3次元位置センサ61が
検出する動きに追従して、3次元式スコープ6の湾曲部
が動作するため、術者はHMD44に表示された画像を
観察しながら手術器械2で処置ができる。したがって、
体腔内にいるような臨場感の中で処置が可能となるた
め、開腹手術の感覚で内視鏡下外科手術が可能となる。 <第3の実施例>図14を参照して、本発明の第3の実
施例を説明する。 (目的)この実施例の目的は手術器械を体腔内に挿入
し、体内の観察およびまたは処置を行うマニピュレータ
システムにおいて、力覚センサを操作することにより、
スレーブマニピュレータを動作させる場合に、スレーブ
マニピュレータの手術器械の挿入部を、挿入孔に対して
無理な力が働かないように、挿入するための手術器械を
動作させる。 (構成)この実施例のシステム構成は前述した第2の実
施例と同じであるが、以下のような作業を行う点で相違
する。 (作用)まず、第2の実施例で示したように体腔内、例
えば患者頭部脳内への位置決めを行う際に、ポイントロ
ックを行って挿入するが、この際に手術器械先端TCP
(Tool Center Point)の姿勢がポイントロック軸上と同
じでないと挿入できない。この事を解決するために手術
器械2の先端TCPの姿勢変換を行うのが、この第3の
実施例の内容である。
Further, since the operator has the HMD 44 and the detecting portion 61a of the three-dimensional position sensor 61 on the operator's head, the movement detected by the three-dimensional position sensor 61 when the operator moves the head. Since the bending portion of the three-dimensional scope 6 operates following the above, the operator can perform treatment with the surgical instrument 2 while observing the image displayed on the HMD 44. Therefore,
Since the treatment can be performed in the presence of being inside a body cavity, endoscopic surgery can be performed with the sensation of laparotomy. <Third Embodiment> A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. (Purpose) The purpose of this embodiment is to insert a surgical instrument into a body cavity and operate a force sensor in a manipulator system for observing and / or treating the body.
When operating the slave manipulator, the surgical instrument for inserting the surgical instrument of the slave manipulator is inserted so that an unreasonable force is not applied to the insertion hole. (Structure) The system structure of this embodiment is the same as that of the second embodiment described above, but is different in that the following work is performed. (Operation) First, as shown in the second embodiment, when positioning is performed in the body cavity, for example, in the brain of the patient's head, a point lock is performed for insertion. At this time, the surgical instrument tip TCP is inserted.
It cannot be inserted unless the (Tool Center Point) posture is the same as the point lock axis. In order to solve this, the attitude of the tip TCP of the surgical instrument 2 is changed, which is the content of the third embodiment.

【0066】図14(a) は現在の手術器械2の先端部と
患者の頭部との位置関係を示す。このまま手術器械2の
挿入部5を患者の頭部dに挿入しようとすると、図14
(b)のように患者の頭部dを切り裂くようになり、これ
は避けるべきである。
FIG. 14A shows the current positional relationship between the distal end of the surgical instrument 2 and the head of the patient. If the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 is attempted to be inserted into the patient's head d as it is, as shown in FIG.
As shown in (b), the head d of the patient is dissected, which should be avoided.

【0067】そこで、この実施例では患者の頭部d内の
所望の位置と手術器械2のZ軸とが同一になるように姿
勢変換させるのである。制御装置35での処理として
は、所望位置と現在の挿入部5の先端のTCPの位置と
を結び線分Rを仮想的に設定する。次に、線分Rの空間
上の姿勢を求め、現在位置での手術器械2の先端TCP
の姿勢を求める。
Therefore, in this embodiment, the posture is changed so that the desired position in the patient's head d and the Z axis of the surgical instrument 2 become the same. As the processing in the control device 35, a line segment R is virtually set by connecting the desired position and the current TCP position at the tip of the insertion portion 5. Next, the spatial orientation of the line segment R is obtained, and the tip TCP of the surgical instrument 2 at the current position is calculated.
Ask for the attitude.

【0068】前記処理が終わったら、手術器械2の先端
TCPの位置をそのまま保持しながら線分Rの姿勢と挿
入部5との姿勢が同一になるようにスレーブマニピュレ
ータ1を動作させる。具体的には制御装置35側での挿
入部5の姿勢の値と線分Rの姿勢の値との差がゼロにな
るように動作させる。これによって、図14(c) に示す
ように、挿入部5の挿入のための姿勢変換がなされ、姿
勢変換後はポイントロックを行いながら挿入部5を患者
の頭部d内で動作させる。 (効果)したがって、スレーブマニピュレータ1の手術
器械2の挿入部5の長軸が挿入孔bに向かっていない場
合においても、長軸の延長線上に挿入孔bがくるように
動作させることができ、ひいては手術器械2の挿入が容
易となる。
After the above processing is completed, the slave manipulator 1 is operated so that the posture of the line segment R and the posture of the insertion portion 5 become the same while keeping the position of the tip TCP of the surgical instrument 2 as it is. Specifically, the control device 35 is operated so that the difference between the posture value of the insertion portion 5 and the posture value of the line segment R on the control device 35 side becomes zero. As a result, as shown in FIG. 14 (c), the posture of the insertion portion 5 is changed for insertion, and after the posture is changed, the insertion portion 5 is operated within the patient's head d while performing point lock. (Effect) Therefore, even when the long axis of the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 of the slave manipulator 1 does not face the insertion hole b, the insertion hole b can be operated so as to come on the extension line of the long axis, As a result, the surgical instrument 2 can be easily inserted.

【0069】また、術者は、マスターマニピュレータの
操作を行うと、これに追従してスレーブマニピュレータ
1が動作し、体腔内に挿入された手術器械2を操作する
ことができ、また、術者の頭部dにHMD44の位置お
よびそのHMD44の回転角が検出できるため、術者が
頭部dを動かすと、スレーブマニピュレータ1がそれに
追従する。HMD44には内視鏡像が表示されるため、
後者はHMD44に表示された画像を観察しながら手術
器械2で処置できる。したがって、体腔内にいるような
臨場感の中で処置が可能となるため、開腹手術の感覚で
内視鏡外科手術が可能となる。
When the surgeon operates the master manipulator, the slave manipulator 1 operates following the operation of the master manipulator to operate the surgical instrument 2 inserted in the body cavity. Since the position of the HMD 44 and the rotation angle of the HMD 44 can be detected on the head d, when the operator moves the head d, the slave manipulator 1 follows it. Since an endoscopic image is displayed on the HMD 44,
The latter can be treated with the surgical instrument 2 while observing the image displayed on the HMD 44. Therefore, since the treatment can be performed in the presence of being in a body cavity, endoscopic surgery can be performed with the sensation of laparotomy.

【0070】また、術者は力覚センサ22,23の操作
を行うと、拘束条件を満たすよう動作させることがで
き、スムーズに挿入部5を体腔内に挿入することができ
る。さらに力覚センサ22,23に加わる力量に応じて
スレーブマニピュレータ1の動作スピードが変えられる
ため、作業の容易化が図れ操作性が向上する。 <第4の実施例>図15を参照して、本発明の第4の実
施例を説明する。この実施例は前述した第1ないし第3
の実施例でのシステム構成で、その動作フローを挙げる
ものである。
When the operator operates the force sensors 22 and 23, the operator can operate the force sensors 22 and 23 to satisfy the constraint condition, and the insertion section 5 can be smoothly inserted into the body cavity. Further, since the operation speed of the slave manipulator 1 can be changed according to the amount of force applied to the force sensors 22 and 23, work can be facilitated and operability is improved. <Fourth Embodiment> A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is based on the above-mentioned first to third embodiments.
In the system configuration of the embodiment of FIG.

【0071】ダイレクトムーブモードについての一連の
動作を説明すれば、ポイントロック拘束条件無効状態に
てダイレクトムーブにより、スレーブマニピュレータ1
における手術器械2の挿入部5の先端を挿入孔bの位置
に一致させることより、挿入孔bの位置が認識され、制
御装置35に挿入孔bの位置が記憶される。次に、長
軸,すなわち挿入部5が挿入孔bに入るように挿入部5
の姿勢変換を行う。体腔内に挿入後、ポイントロック拘
束条件有効にて、力覚センサ22,23の操作を行い、
その力覚センサ22,23より決定される位置および回
転を動作指令として制御装置35に入力される。力覚セ
ンサ22,23により求めた位置および姿勢情報を、ス
レーブマニピュレータ1の手術器械2の位置または姿勢
に座標変換する。そこで、手術器械2の対象部の位置が
挿入孔bの近傍にあるかどうかの拘束条件との比較を行
い、その結果に応じて以下の2つの処理動作が選択され
る。
A series of operations in the direct move mode will be described. The slave manipulator 1 is operated by the direct move when the point lock constraint condition is invalid.
The position of the insertion hole b is recognized by matching the tip of the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 with the position of the insertion hole b, and the position of the insertion hole b is stored in the control device 35. Next, the long axis, that is, the insertion portion 5 so that the insertion portion 5 enters the insertion hole b.
Posture conversion. After inserting into the body cavity, operate the force sensors 22 and 23 with the point lock constraint condition enabled,
The position and rotation determined by the force sensors 22 and 23 are input to the control device 35 as operation commands. The position and orientation information obtained by the force sensors 22 and 23 is coordinate-converted into the position or orientation of the surgical instrument 2 of the slave manipulator 1. Therefore, a comparison is made with a constraint condition regarding whether or not the position of the target portion of the surgical instrument 2 is near the insertion hole b, and the following two processing operations are selected according to the result.

【0072】まず、拘束条件に一致する場合(挿入孔b
の近傍にあるとき)は、挿入部5の傾きの値として、手
術器械2の操作対象部の位置が、挿入孔bの近傍に入る
直前の値を用い、さらに、挿入部5の長軸まわりの回転
が、スレーブマニピュレータ1の回転の指令に一致する
ように動作させる。一方、拘束条件に一致しない場合
(挿入孔近傍にないとき)には、挿入部5の挿入位置を
通り、手術器械2の操作対象部の位置が、力覚センサ2
2,23により決定された指令位置に一致するように
し、さらに挿入部5の長軸まわりの回転が、力覚センサ
22,23の回転の指令に一致するように動作させる。 (効果)スレーブマニピュレータ1により保持された手
術器械2の挿入部5を体腔内に挿入し、体腔内で観察お
よび処置を行う際に、手術器械2の挿入部5が挿入孔b
に対して無理な力を与えることなく挿入し、さらに、観
察および処置を行う作業を容易にする。あるいはスレー
ブマニピュレータ1により保持された手術器械2の挿入
部5を体腔内に挿入し、体腔内で観察および処置を行う
際に、手術器械2の挿入部5が観察および処置を行う対
象部位に対し、真っ直ぐ向け、真っ直ぐ挿入する作業を
容易にする。 <第5の実施例>図4および図5、図16ないし図18
を参照して、本発明の第5の実施例を説明する。 (目的)この実施例は手術器械を体腔内に挿入し、体内
の観察を行う手術用マニピュレータシステムにおいて、
スレーブマニピュレータにおける挿入部である手術器械
を保持する関節をフリー関節とすることによって、操作
手段である力覚センサの操作によるスレーブマニピュレ
ータを動作させる場合、スレーブマニピュレータの手術
器械の挿入部が、挿入孔に対して無理な力が働かないよ
うに、力覚センサの位置および姿勢をスレーブマニピュ
レータの位置および姿勢に対応させるものである。 (構成)図16に示すように、本手術用マニピュレータ
システムにおいてスレーブマニピュレータ100はその
先端を体腔c内に挿入する挿入部102を有する手術器
械103と、この手術器械103を支持するための直動
および回転の自由度を有する複数の軸を有するロボット
104からなる。手術器械103はロボット104の先
端に着脱可能となっている。一方、挿入部102の先端
には湾曲部105を介して設けた先端部を備えた3次元
(立体)式のスコープ106が設けられている。
First, when the constraint condition is met (insertion hole b
When the position of the operation target portion of the surgical instrument 2 immediately before entering the vicinity of the insertion hole b is used as the value of the inclination of the insertion portion 5, The rotation of the slave manipulator 1 is operated so as to match the rotation command of the slave manipulator 1. On the other hand, when the constraint conditions are not met (when not in the vicinity of the insertion hole), the position of the operation target portion of the surgical instrument 2 passes through the insertion position of the insertion portion 5 and the force sensor 2
2 and 23 are made to coincide with the command position, and further, the rotation of the insertion section 5 about the major axis is made to coincide with the rotation command of the force sensors 22 and 23. (Effect) When the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 held by the slave manipulator 1 is inserted into the body cavity and observation and treatment are performed in the body cavity, the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 is inserted into the insertion hole b.
The insertion is performed without exerting an excessive force on the robot, and the observation and treatment operations are facilitated. Alternatively, when the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 held by the slave manipulator 1 is inserted into the body cavity and the observation and treatment are performed in the body cavity, the insertion portion 5 of the surgical instrument 2 is used for the target site to be observed and treated. , Straight, easy to insert straight. <Fifth Embodiment> FIGS. 4 and 5, and FIGS.
The fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. (Purpose) This example is a surgical manipulator system for inserting a surgical instrument into a body cavity and observing the inside of the body.
When operating the slave manipulator by operating the force sensor, which is the operating means, by making the joint holding the surgical instrument, which is the insertion section of the slave manipulator, a free joint, the insertion section of the surgical instrument of the slave manipulator has an insertion hole. The position and the posture of the force sensor are made to correspond to the position and the posture of the slave manipulator so that an unreasonable force does not work. (Structure) As shown in FIG. 16, in the present manipulator system, the slave manipulator 100 has a surgical instrument 103 having an insertion portion 102 for inserting the distal end thereof into a body cavity c, and a linear motion for supporting the surgical instrument 103. And a robot 104 having a plurality of axes having rotational degrees of freedom. The surgical instrument 103 can be attached to and detached from the tip of the robot 104. On the other hand, a three-dimensional (three-dimensional) scope 106 having a tip portion provided via a curved portion 105 is provided at the tip of the insertion portion 102.

【0073】図17はそのスレーブマニピュレータ10
0で用いるリンク機構を示す。このスレーブマニピュレ
ータ100は前述した第1の実施例の場合と同様、関節
A1〜A5より構成されており、5軸円筒座標形のリン
ク機構を構成している。スレーブマニピュレータ100
の各軸にはその回転角を検出するエンコーダ(図示せ
ず)が各々設けてある。3つの関節A1〜A3にはアク
チュエータ(図示せず)および減速機(図示せず)を各
々設けてあり、関節A4,A5にはアクチュエータは設
けておらず、いわゆるフリー関節となっている。
FIG. 17 shows the slave manipulator 10
The link mechanism used in 0 is shown. This slave manipulator 100 is composed of joints A1 to A5 as in the case of the first embodiment described above, and constitutes a 5-axis cylindrical coordinate type link mechanism. Slave manipulator 100
An encoder (not shown) for detecting the rotation angle of each shaft is provided. An actuator (not shown) and a speed reducer (not shown) are provided on each of the three joints A1 to A3, and no actuators are provided on the joints A4 and A5, which are so-called free joints.

【0074】ロボット104には操作用把持部111が
第2の動作軸101の左側面に突設されており、この把
持部111には操作手段である力覚センサ112が取り
付けられている。なお、操作用把持部111の取付け場
所は第2の動作軸101の右側または上部側面でもよ
い。この力覚センサ112は力の3つの方向ベクトル
(B1,B2,B3)を検出できるように、その内部に
歪ゲージを搭載して構成している。この力覚センサ11
2の構造は第1の実施例で前述した通り図4および図5
で示すような6軸力・トルクセンサの構造であり、この
力覚センサ112に外力が働くと、その各ビームに張り
付けられた歪ゲージが歪み、それらより得られる例えば
歪み量に比例した電気信号から力(Fx,FY,Fz)(Tx,
TY,Tz)の働く方向および力量を求めることができる。
1つの力覚センサ112につき力および回転方向につい
ての情報は6データが得られるが、本実施例において
は、力覚センサ112については3つの力方向について
の情報のみを検出信号として取り込むようになってい
る。そして、それらの検出信号を前記B1〜B3の方向
ベクトルと対応させている。また、力覚センサ112か
らの検出信号としては力の向きのみならず、その力覚セ
ンサ112に加わる力の大きさである力量も検出するよ
うになっている。
An operating grip 111 is provided on the left side surface of the second operation shaft 101 in the robot 104, and a force sensor 112 as an operating means is attached to the grip 111. The operation grip portion 111 may be attached to the right side or the upper side surface of the second operation shaft 101. This force sensor 112 is configured with a strain gauge mounted therein so that it can detect three direction vectors of force (B1, B2, B3). This force sensor 11
The structure of FIG. 2 is the same as that of the first embodiment described above with reference to FIGS.
6 is a structure of a 6-axis force / torque sensor, and when an external force acts on the force sensor 112, the strain gauges attached to the respective beams are distorted, and an electric signal obtained from them is proportional to the strain amount, for example. From force (Fx, FY, Fz) (Tx,
The working direction and the amount of force of (TY, Tz) can be obtained.
Six pieces of information about the force and the rotation direction are obtained for each force sensor 112, but in the present embodiment, the force sensor 112 is configured to fetch only the information about the three force directions as a detection signal. ing. Then, these detection signals are made to correspond to the direction vectors of B1 to B3. Further, as the detection signal from the force sensor 112, not only the direction of the force but also the amount of force which is the magnitude of the force applied to the force sensor 112 is detected.

【0075】ところで、力覚センサ112で得られる力
およびトルク情報と方向ベクトルおよび回転(B1〜B
3)との対応関係は、任意に対応させることが望まし
い。例えば、トルク情報を方向ベクトルと対応させ、力
情報を回転に対応させても良い。また、力覚センサ11
2の各指令値のON/OFF操作は、例えば歪ゲージの
抵抗値変化による物理量の変化を検出することによって
行い、また、力覚センサ112に加わる力量の大きさ
は、抵抗値の変化量の大きさを検出することによって求
めることができる。歪みゲージを利用した力覚センサと
しては前述したように、例えば、ピー・エル・オートテ
ック社製の6軸力覚センサ等がある。また、力覚センサ
としては歪ゲージ以外として、静電式や光学式のものを
用いても構わない。力覚センサ112は制御装置35に
接続されており、力覚センサ112により決定される位
置および姿勢が挿入部102の先端の位置および姿勢に
対応するように動作させる。力覚センサ112の代用と
して、ジョイスティック、タッチパネル、スイッチをス
レーブマニピュレータに設けても構わない。
By the way, the force and torque information obtained by the force sensor 112, the direction vector and the rotation (B1 to B
It is desirable that the correspondence with 3) be arbitrarily matched. For example, torque information may be associated with a direction vector, and force information may be associated with rotation. In addition, the force sensor 11
The ON / OFF operation of each command value of 2 is performed by, for example, detecting a change in the physical quantity due to a change in the resistance value of the strain gauge, and the magnitude of the force applied to the force sensor 112 is the change amount of the resistance value. It can be determined by detecting the size. As a force sensor using a strain gauge, as described above, for example, there is a 6-axis force sensor manufactured by PL Autotech. In addition to the strain gauge, an electrostatic or optical force sensor may be used as the force sensor. The force sensor 112 is connected to the control device 35, and operates so that the position and orientation determined by the force sensor 112 correspond to the position and orientation of the distal end of the insertion portion 102. As a substitute for the force sensor 112, a joystick, a touch panel, and a switch may be provided in the slave manipulator.

【0076】ところで、図16においては挿入部102
として内視鏡を示しているが、内視鏡と処置具を一体と
したもの、あるいは処置具だけの構成でも構わない。ま
た、内視鏡として硬性鏡のものでもよい。
By the way, in FIG. 16, the insertion portion 102
Although the endoscope is shown as the above, the endoscope and the treatment tool may be integrated, or only the treatment tool may be configured. A rigid endoscope may be used as the endoscope.

【0077】本実施例のマニピュレータの動作を制御す
るシステムの構造は第1の実施例で述べたような構成に
なっている。スレーブマニピュレータ100と、スレー
ブマニピュレータ100を制御する制御装置35と、力
覚センサによる操作手段と、操作スイッチがあり、制御
装置35には、MPUと、アクチュエータ駆動回路と入
出力インターフェイス(I/F)があり、それぞれ、操
作手段とスレーブマニピュレータ100と、操作スイッ
チ56が接続されている。本実施例における操作手段は
力覚センサ112であるが、これとは別に操作スイッチ
56上のキー入力によりスレーブマニピュレータ100
を動作(外部位置指令モード)させられる構成になって
いる。 (作用)上記構成において、スレーブマニピュレータ1
00の挿入部102の先端を挿入孔bを介して、体腔c
内に挿入して動作させるためには、その挿入部102を
挿入孔bを支点として動作させることになる。そこで、
ここでは挿入孔bを支点とする動作をポイントロック動
作ということにする。
The structure of the system for controlling the operation of the manipulator of this embodiment has the structure as described in the first embodiment. There are a slave manipulator 100, a control device 35 for controlling the slave manipulator 100, an operation means by a force sensor, and an operation switch. The control device 35 has an MPU, an actuator drive circuit, and an input / output interface (I / F). The operation means, the slave manipulator 100, and the operation switch 56 are connected to each other. The operation means in the present embodiment is the force sensor 112, but separately from this, the slave manipulator 100 is operated by key input on the operation switch 56.
Is operated (external position command mode). (Operation) In the above configuration, the slave manipulator 1
00 through the insertion hole b to the body cavity c
In order to insert and operate the insertion part 102, the insertion part 102 is operated with the insertion hole b as a fulcrum. Therefore,
Here, the operation using the insertion hole b as a fulcrum will be referred to as a point lock operation.

【0078】動作モードは2つのモードが設けられてお
り、第1の動作モードは力覚センサ112を操作するこ
とによってダイレクトムーブモードが行え、スレーブマ
ニピュレータ100が動作する。また、第3の動作モー
ドとして、制御スイッチ56上のキー入力によりスレー
ブマニピュレータを動作させる外部位置指令モードでも
操作できる。また、各動作モードの選択は制御用操作ス
イッチ56の操作盤上に設けたスイッチによりどちらか
一つの動作モードを選択することができる。
Two operation modes are provided. In the first operation mode, the direct move mode can be performed by operating the force sensor 112, and the slave manipulator 100 operates. Further, as the third operation mode, the operation can also be performed in an external position command mode in which the slave manipulator is operated by key input on the control switch 56. Further, as for the selection of each operation mode, either one of the operation modes can be selected by a switch provided on the operation panel of the control operation switch 56.

【0079】第1の動作モードについては、力覚センサ
112により決定される位置が、図16における力覚セ
ンサ112の成分B1,B2,B3を意味し、スレーブ
マニピュレータ100の各関節軸A1,A2,A3にそ
れぞれ1対1に対応している。この力覚センサ112の
B1,B2,B3からの位置情報に基づいて、各関節A
1,A2,A3の制御量を算出し、ロボット104の動
作を行えば良い。以上の動作を制御装置35内におい
て、一定時間毎に計算を行っている。この計算の繰り返
しによって、実時間でのダイレクトムーブモードが実現
される。なお、スレーブマニピュレータ100の各関節
A4,A5はフリー関節となっているため、スレーブマ
ニピュレータ100をダイレクトムーブで動作させる場
合は、挿入部102の長軸が挿入孔bを支点として動作
する。また、スレーブマニピュレータ100の動作スピ
ードは、力覚センサ112の力量に応じて変化するよう
になっている。つまり、力覚センサ112を強く押せ
ば、それに比例してスレーブマニピュレータ100の動
作スピードが早くなり、逆に、弱く押せば、それに比例
してスレーブマニピュレータ100の動作スピードは遅
くなる。
In the first operation mode, the position determined by the force sensor 112 means the components B1, B2, B3 of the force sensor 112 in FIG. 16, and the joint axes A1, A2 of the slave manipulator 100. , A3 have a one-to-one correspondence with each other. Based on the position information from B1, B2, B3 of this force sensor 112, each joint A
The control amount of 1, A2, A3 may be calculated and the operation of the robot 104 may be performed. The above operation is calculated in the control device 35 at regular time intervals. By repeating this calculation, the direct move mode is realized in real time. Since the joints A4 and A5 of the slave manipulator 100 are free joints, when the slave manipulator 100 is operated by direct move, the long axis of the insertion portion 102 operates with the insertion hole b as a fulcrum. The operation speed of the slave manipulator 100 changes according to the amount of force of the force sensor 112. That is, if the force sensor 112 is strongly pressed, the operating speed of the slave manipulator 100 becomes proportionally faster, and conversely, if the force sensor 112 is weakly pressed, the operating speed of the slave manipulator 100 becomes proportionally slower.

【0080】第2の動作モードについては、ポイントロ
ック拘束条件が有効の場合とポイントロック拘束条件が
無効の場合の動作が可能である。まず、ポイントロック
拘束条件が無効の場合であるが、操作スイッチ56上の
キー入力により、スレーブマニピュレータ100のA1
〜A3軸毎に独立に動作させる。
In the second operation mode, an operation is possible when the point lock constraint condition is valid and when the point lock constraint condition is invalid. First, in the case where the point lock constraint condition is invalid, A1 of the slave manipulator 100 is pressed by a key input on the operation switch 56.
~ Operate independently for each A3 axis.

【0081】一方、ポイントロック拘束条件が有効の場
合は、キー入力により、挿入部102の先端のTCP
(Tool Center Point)を基準とした移動ベクトル(P)
を指令する。図18において、第3の動作モードである
外部位置指令モードに入った時点でのスレーブマニピュ
レータ100の先端のTCPの状態をTCPs140と
し、キー入力されたベクトルPから、移動後のスレーブ
マニピュレータ100のTCPsi141を算出する。
ここで、ポイントロック位置135からTCPsi14
1の位置へ向かうベクトルをTCPsi141のZ軸
(Zi)とする。ポイントロック位置135からTCP
s140への直線と、ポイントロック位置135からT
CPsi141への直線との成す角度をα、および前記
2直線の作る平面に垂直なベクトルEを算出する。TC
Ps140をEベクトル回りにα回転させたものをTC
Psi141の状態とする。このTCPsi141を実
現するためにスレーブマニピュレータ100を動作させ
る。以上の動作を制御装置35内において、一定時間毎
に計算を行っている。この計算の繰り返しによって、実
時間でのポイントロック拘束条件での外部位置指令モー
ドが実現できる。 (効果)したがって、スレーブマニピュレータ100の
関節A4,A5がフリー関節のため、手術器械103の
挿入部102が挿入孔を支点として動作する際に、挿入
孔bに対し無理な力を作用させることがない。また、手
術中に仮に患者が動いて挿入孔が移動しても、スレーブ
マニピュレータ100の関節A4,A5がフリー関節の
ため、挿入部102は挿入孔に対し無理な力を作用させ
ることがない。
On the other hand, when the point lock constraint condition is valid, the TCP at the tip of the insertion portion 102 is pressed by key input.
Movement vector (P) based on (Tool Center Point)
Command. In FIG. 18, the TCP state at the tip of the slave manipulator 100 at the time of entering the external position command mode, which is the third operation mode, is TCPs140, and the TCPsi 141 of the slave manipulator 100 after movement is determined from the keyed vector P. To calculate.
Here, TCP si14 from the point lock position 135
The vector toward the position of 1 is the Z axis (Zi) of TCPsi 141. TCP from point lock position 135
Straight line to s140 and T from point lock position 135
The angle formed by the straight line to CPsi 141 is α, and the vector E perpendicular to the plane formed by the two straight lines is calculated. TC
TC of Ps140 rotated α around E vector
The state of Psi141 is set. The slave manipulator 100 is operated to realize the TCPsi 141. The above operation is calculated in the control device 35 at regular time intervals. By repeating this calculation, the external position command mode can be realized under the point lock constraint condition in real time. (Effect) Therefore, since the joints A4 and A5 of the slave manipulator 100 are free joints, when the insertion portion 102 of the surgical instrument 103 operates with the insertion hole as a fulcrum, an unreasonable force can be applied to the insertion hole b. Absent. Further, even if the patient moves during operation and the insertion hole moves, the insertion portion 102 does not exert an unreasonable force on the insertion hole because the joints A4 and A5 of the slave manipulator 100 are free joints.

【0082】また、術者は、力覚センサ112の操作を
行うと、これに追従してスレーブマニピュレータ100
が動作するため、手術器械103をスムーズに操作する
ことができる。さらに、力覚センサ112に加わる力量
に応じてスレーブマニピュレータ100の動作スピード
が変えられるため、作業の容易化が図れ操作性が向上す
る。 [付記] 1.体腔内に挿入する挿入部を備えた手術用器械を保持
しその手術用器械を動かす操作用マニピュレータと、前
記マニピュレータに取り付けられ術者によって加えられ
る操作方向と操作力量を検出する操作入力用力覚センサ
と、前記力覚センサに与えられる操作物理量によりその
力覚センサによって得られる操作方向と、操作力量の入
力情報を受けそれに対応した位置や姿勢に前記マニピュ
レータを動かすための指令に変換する変換手段と、前記
動作指令の内容に基づき前記マニピュレータを動かし、
かつ前記操作力量に対応した動作スピードで、前記マニ
ピュレータを動かす制御手段とを具備したことを特徴と
する手術用マニピュレータ。 2.前記操作用マニピュレータは複数の軸を有する多関
節構造である。これによれば、そのマニピュレータの構
造の簡略化とその占有スペースを小さくすることができ
る。 3.前記変換手段は、力覚センサより得られる位置およ
び姿勢情報を、手術用マニピュレータの各関節軸を動作
させるための動作指令値として1対1に対応させる。 4.前記変換手段は前記力覚センサより得られる位置お
よび姿勢情報を、前記手術用マニピュレータの各関節軸
を動作させるための動作指令値としてポイントロック動
作が行えるように対応させる。 5.前記力覚センサは歪ゲージである 6.前記力覚センサは静電式である。 7.前記力覚センサは光学式である。 8.前記手術器械は内視鏡である。 9.前記手術器械は湾曲付き内視鏡である。 10.前記手術器械は処置具である。 11.前記手術器械は湾曲付き処置具である。 12.前記手術器械は内視鏡と処置具が一体となってい
る。
When the operator operates the force sensor 112, the slave manipulator 100 follows the operation of the force sensor 112.
Is operated, the surgical instrument 103 can be operated smoothly. Further, since the operation speed of the slave manipulator 100 can be changed according to the amount of force applied to the force sensor 112, work can be facilitated and operability is improved. [Additional Notes] 1. An operation manipulator for holding a surgical instrument having an insertion portion to be inserted into a body cavity and moving the surgical instrument, and a force sensor for operation input attached to the manipulator and detecting an operation direction and an operation force applied by an operator. And a conversion means for converting the operation direction obtained by the force sensor by the operation physical quantity given to the force sensor and the input information of the operation force into a command for moving the manipulator to a position or posture corresponding thereto. , Moving the manipulator based on the content of the operation command,
A surgical manipulator further comprising: a control unit that moves the manipulator at an operation speed corresponding to the operation force amount. 2. The manipulator for operation is a multi-joint structure having a plurality of axes. According to this, it is possible to simplify the structure of the manipulator and reduce the occupied space. 3. The conversion means associates the position and posture information obtained from the force sensor with a one-to-one correspondence as an operation command value for operating each joint axis of the surgical manipulator. 4. The conversion means associates the position and orientation information obtained from the force sensor with an operation command value for operating each joint axis of the surgical manipulator so that a point lock operation can be performed. 5. 5. The force sensor is a strain gauge. The force sensor is an electrostatic type. 7. The force sensor is optical. 8. The surgical instrument is an endoscope. 9. The surgical instrument is a curved endoscope. 10. The surgical instrument is a treatment tool. 11. The surgical instrument is a curved treatment tool. 12. The surgical instrument has an endoscope and a treatment tool integrated with each other.

【0083】[0083]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、マ
ニピュレータにより保持された手術器械の挿入部を体腔
内に挿入し、または体腔内で観察や処置等を行う際にお
いて、そのマニピュレータを容易に操作できるととも
に、その作業の目的に応じてそのマニピュレータの動作
スピードを可変できるので、その手術器械の微妙な操作
もスピードのある操作も可能となり、もちろん、例えば
手術器械の挿入部が挿入孔に対して無理な力を与えるこ
となく操作することができ、また、その手術器械による
観察や処理等を行う作業の容易化を図ることができる。
As described above, according to the present invention, the manipulator can be easily operated when the insertion portion of the surgical instrument held by the manipulator is inserted into the body cavity or when observation or treatment is performed in the body cavity. The operation speed of the manipulator can be changed according to the purpose of the work, which enables delicate and speedy operation of the surgical instrument.Of course, for example, the insertion part of the surgical instrument can be inserted in the insertion hole. On the other hand, the operation can be performed without giving an unreasonable force, and the operation of observing and processing with the surgical instrument can be facilitated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係る手術用マニピュレ
ータシステムの概略的に示す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a surgical manipulator system according to a first embodiment of the present invention.

【図2】同じくその手術用マニピュレータシステムにお
けるマニピュレータのリンク機構の構成を概念的に示し
た説明図。
FIG. 2 is an explanatory view conceptually showing the structure of the link mechanism of the manipulator in the surgical manipulator system.

【図3】同じくその手術用マニピュレータシステムにお
ける力覚センサの斜視図。
FIG. 3 is a perspective view of a force sensor in the surgical manipulator system.

【図4】同じくその力覚センサの要部の斜視図。FIG. 4 is a perspective view of an essential part of the force sensor.

【図5】同じくその手術用マニピュレータシステムにお
ける制御装置のシステムの概略的に示す構成図。
FIG. 5 is a block diagram schematically showing the system of a control device in the surgical manipulator system.

【図6】同じくその手術用マニピュレータシステムにお
けるスレーブマニピュレータの動作の作用説明図。
FIG. 6 is an operation explanatory view of the operation of the slave manipulator in the surgical manipulator system.

【図7】同じくその手術用マニピュレータシステムにお
けるスレーブマニピュレータの他の動作の作用説明図。
FIG. 7 is an operation explanatory view of another operation of the slave manipulator in the surgical manipulator system.

【図8】同じくその手術用マニピュレータシステムにお
けるスレーブマニピュレータの他の動作の作用説明図。
FIG. 8 is an operation explanatory view of another operation of the slave manipulator in the surgical manipulator system.

【図9】同じくそのシステムにおけるダイレクトムーブ
モードについての動作の一連の動作フローの説明図。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a series of operation flows of operations in the direct move mode in the same system.

【図10】同じくそのシステムにおけるダイレクトムー
ブモードについてのポイントロック拘束条件無効の場合
の動作の一連の動作フローの説明図。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a series of operation flow of operations when the point lock constraint condition is invalid in the direct move mode in the same system.

【図11】同じくそのシステムにおけるダイレクトムー
ブモードについてのポイントロック拘束条件有効の場合
の動作の一連の動作フローの説明図。
FIG. 11 is an explanatory view of a series of operation flow of operations when the point lock constraint condition is valid for the direct move mode in the same system.

【図12】本発明の第2の実施例に係る手術用マニピュ
レータシステムの概略的に示す斜視図。
FIG. 12 is a perspective view schematically showing a surgical manipulator system according to a second embodiment of the present invention.

【図13】同じく第2の実施例に係る手術用マニピュレ
ータシステムの作用を示す説明図。
FIG. 13 is an explanatory view showing the operation of the surgical manipulator system according to the second embodiment.

【図14】本発明の第3の実施例に係る手術用マニピュ
レータシステムの作用を示す説明図。
FIG. 14 is an explanatory view showing the operation of the surgical manipulator system according to the third embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第4の実施例に係る手術用マニピュ
レータシステムの作用を示す説明図。
FIG. 15 is an explanatory view showing the operation of the surgical manipulator system according to the fourth embodiment of the present invention.

【図16】本発明の第5の実施例に係る手術用マニピュ
レータシステムの概略的に示す斜視図。
FIG. 16 is a perspective view schematically showing a surgical manipulator system according to a fifth embodiment of the invention.

【図17】同じくその手術用マニピュレータシステムに
おけるマニピュレータのリンク機構の構成を概念的に示
した説明図。
FIG. 17 is an explanatory view conceptually showing the structure of the link mechanism of the manipulator in the surgical manipulator system.

【図18】同じくその手術用マニピュレータシステムに
おけるスレーブマニピュレータの動作の作用説明図。
FIG. 18 is an operation explanatory view of the operation of the slave manipulator in the surgical manipulator system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…スレーブマニピュレータ、2…手術器械、3…ロボ
ット、5…挿入部、6…スコープ、7a,7b…処置
具、21…マスターマニピュレータ、22,23…力覚
センサ、35…制御装置、51…MPU、52…アクチ
ュエータ駆動回路、53…第1の操作手段、54…第2
の操作手段、55…入出力インターフェース(I/
F)、56…操作スイッチ、a…体壁、b…挿通孔、c
…体腔。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Slave manipulator, 2 ... Surgical instrument, 3 ... Robot, 5 ... Insertion part, 6 ... Scope, 7a, 7b ... Treatment tool, 21 ... Master manipulator, 22, 23 ... Force sensor, 35 ... Control device, 51 ... MPU, 52 ... Actuator drive circuit, 53 ... First operating means, 54 ... Second
Operating means, 55 ... Input / output interface (I /
F), 56 ... Operation switch, a ... Body wall, b ... Insertion hole, c
…body cavity.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】体腔内に挿入する挿入部を備えた手術用器
械を保持しその手術用器械を動かす操作用マニピュレー
タと、 前記マニピュレータに取り付けられ、術者によって加え
られる操作方向と操作力量を検出する操作入力用力覚セ
ンサと、 前記力覚センサより得られる操作方向と操作力量の入力
情報を受けそれに対応して前記マニピュレータを動作さ
せるための指令に変換する変換手段を備え、前記動作指
令の内容に基づき前記マニピュレータを動かし、かつ前
記操作力量に対応した動作スピードで、前記マニピュレ
ータを動かす制御手段とを具備したことを特徴とする手
術用マニピュレータ。
1. An operating manipulator for holding a surgical instrument having an insertion portion to be inserted into a body cavity and moving the surgical instrument, and detecting an operating direction and an operational force attached to the manipulator by an operator. The operation input force sensor, and conversion means for receiving the input information of the operation direction and the operation force amount obtained from the force sensor and converting it into a command for operating the manipulator corresponding thereto, the content of the operation command And a control means for moving the manipulator at an operation speed corresponding to the operation force amount.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10314175A (en) * 1997-05-14 1998-12-02 Takesumi Doi Interface for operation for medical manipulator
JP2003310636A (en) * 2002-04-25 2003-11-05 Pentax Corp Mounting stand for rigid endoscope
WO2014155725A1 (en) * 2013-03-29 2014-10-02 国立大学法人 東京工業大学 Endoscopic operating system and endoscopic operating program
CN106955130A (en) * 2017-05-10 2017-07-18 佛山衡生医疗自动化有限公司 A kind of Minimally Invasive Surgery apparatus with force feedback
JP2018523508A (en) * 2015-06-30 2018-08-23 キヤノン ユーエスエイ, インコーポレイテッドCanon U.S.A., Inc Method and apparatus for controlling a manipulator
JP2019037353A (en) * 2017-08-23 2019-03-14 敏明 高橋 Arthroscope operation system
JP2019076461A (en) * 2017-10-25 2019-05-23 株式会社モリタ製作所 Dental observation apparatus and dental medical care apparatus
WO2020179815A1 (en) * 2019-03-06 2020-09-10 川崎重工業株式会社 Surgical system control method and surgical system
JP2020195798A (en) * 2016-10-03 2020-12-10 バーブ サージカル インコーポレイテッドVerb Surgical Inc. Immersive three-dimensional display for robotic surgery

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10314175A (en) * 1997-05-14 1998-12-02 Takesumi Doi Interface for operation for medical manipulator
JP2003310636A (en) * 2002-04-25 2003-11-05 Pentax Corp Mounting stand for rigid endoscope
WO2014155725A1 (en) * 2013-03-29 2014-10-02 国立大学法人 東京工業大学 Endoscopic operating system and endoscopic operating program
JP5737796B2 (en) * 2013-03-29 2015-06-17 国立大学法人東京工業大学 Endoscope operation system and endoscope operation program
JP2018523508A (en) * 2015-06-30 2018-08-23 キヤノン ユーエスエイ, インコーポレイテッドCanon U.S.A., Inc Method and apparatus for controlling a manipulator
US11096552B2 (en) 2015-06-30 2021-08-24 Canon U.S.A., Inc. Method and apparatus for controlling manipulator
JP2020195798A (en) * 2016-10-03 2020-12-10 バーブ サージカル インコーポレイテッドVerb Surgical Inc. Immersive three-dimensional display for robotic surgery
US11813122B2 (en) 2016-10-03 2023-11-14 Verb Surgical Inc. Immersive three-dimensional display for robotic surgery
US11439478B2 (en) 2016-10-03 2022-09-13 Verb Surgical Inc. Immersive three-dimensional display for robotic surgery
CN106955130A (en) * 2017-05-10 2017-07-18 佛山衡生医疗自动化有限公司 A kind of Minimally Invasive Surgery apparatus with force feedback
JP2019037353A (en) * 2017-08-23 2019-03-14 敏明 高橋 Arthroscope operation system
JP2019076461A (en) * 2017-10-25 2019-05-23 株式会社モリタ製作所 Dental observation apparatus and dental medical care apparatus
JP2020141833A (en) * 2019-03-06 2020-09-10 川崎重工業株式会社 Control method of surgical system and surgical system
WO2020179815A1 (en) * 2019-03-06 2020-09-10 川崎重工業株式会社 Surgical system control method and surgical system
EP3936074A4 (en) * 2019-03-06 2022-12-07 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Surgical system control method and surgical system

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