JP2000316872A

JP2000316872A - 医療用マニピュレータシステム

Info

Publication number: JP2000316872A
Application number: JP11128468A
Authority: JP
Inventors: Junichi Onishi; 順一大西; Toshihiko Suzuta; 敏彦鈴田; Katsumi Sasaki; 勝巳佐々木; Nobuaki Akui; 伸章安久井; Yasushi Takahashi; 裕史高橋; Kenichi Kimura; 健一木村; Yuichi Ikeda; 裕一池田; Hideyuki Adachi; 英之安達; Takeaki Nakamura; 剛明中村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2000-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】特別な検知装置を設けることなく、各マニピュ
レータの過負荷状態を容易に検出して、マニピュレータ
間での干渉状態を速やかに回避することができる医療用
マニピュレータシステムの提供を目的としている。【解決手段】本発明の医療用マニピュレータは、被検対
象を観察する観察手段または被検対象の処置を行なう処
置具の位置を制御するマニピュレータ６８と、前記マニ
ピュレータを操作するための操作制御部６と、前記操作
部からの指示により前記マニピュレータの動作部を所定
の移動量移動させるための駆動信号を形成する駆動手段
３と、前記駆動手段の駆動信号によって移動された前記
マニピュレータの動作部の位置の変化量を検出する変化
量検出手段４と、前記変化量検出手段の検出結果と前記
操作部による指示または前記駆動手段からの駆動信号の
出力値とを比較して前記マニピュレータの動作状態を判
別する判別手段５とを備えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マニピュレータシ
ステムに係わり、特に、内視鏡や処置具を搭載するとと
もに遠隔的な操作により動作して術者に代わって内視鏡
下手術を行なう医療用マニピュレータシステムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】腹壁等の体壁に穴を開け、この穴を通じ
て内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することによ
り、その体腔内で様々な処置を行なう経皮的内視鏡下手
術は良く知られている。このような内視鏡下手術は、大
きな切開が必要なく、患者に負担をかけずに行なうこと
ができるため、近年盛んに行なわれるようになってきて
いる。

【０００３】近年、内視鏡や処置具を搭載するとともに
遠隔的な操作により動作して術者に代わって前記内視鏡
下手術を行なう医療用マニピュレータシステムが提案さ
れている。図７にその医療用マニピュレータシステムの
概略図が示されている。図中、６１は寝台６２に載置さ
れて腹腔鏡下手術を受ける被検体である。この被検体６
１の腹部は、その内側の腹腔内に図示しない気腹針を用
いて炭酸ガスが送り込まれることによって、膨張されて
いる。また、被検体６１の腹部には第１のトラカール６
３および第２のトラカール６４が差し込まれ、その孔に
はそれぞれ内視鏡６５および摘出等の処置を行なう処置
具６６が挿入されている。

【０００４】内視鏡６５および処置具６６は、第１のマ
ニピュレータ６７および第２のマニピュレータ６８によ
り、固定点Ｔ１および固定点Ｔ２で固定支持されてい
る。また、第１のマニピュレータ６７および第２のマニ
ピュレータ６８は、それぞれ取付位置Ｏ１および取付位
置Ｏ２に設置されている。

【０００５】このような医療用マニピュレータシステム
によれば、術者は、内視鏡によりモニタに映し出された
腹腔内の患部の映像を見ながら、マニピュレータのアー
ムを遠隔的に操作して内視鏡および処置具を動作させる
ことにより、内視鏡下手術を行なうことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記医療用
マニピュレータシステムにおいては、マニピュレータの
台数が多くなると、各マニピュレータ間の動作範囲が互
いに重なり合う。そのため、マニピュレータの動作状態
によっては、マニピュレータ同士が互いに干渉してしま
う場合がある。

【０００７】このような問題に対して、例えば特開平８
−８９５０６号公報では、基準位置の情報に基づいて各
マニピュレータを制御することにより、マニピュレータ
間での干渉を防止しようとしている。しかしながら、こ
の構成の場合、各マニピュレータの基準位置の情報を発
生させるために様々な検知装置が必要となるため、シス
テムが複雑且つ高価になるといった問題がある。

【０００８】本発明は前記事情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、特別な検知装置を設
けることなく、各マニピュレータの過負荷状態を容易に
検出して、マニピュレータ間での干渉状態を速やかに回
避することができる医療用マニピュレータシステムを提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１に記載された医療用マニピュレータは、被
検対象を観察する観察手段または被検対象の処置を行な
う処置具の位置を制御するマニピュレータと、前記マニ
ピュレータを操作するための操作部と、前記操作部から
の指示により前記マニピュレータの動作部を所定の移動
量移動させるための駆動信号を形成する駆動手段と、前
記駆動手段の駆動信号によって移動された前記マニピュ
レータの動作部の位置の変化量を検出する変化量検出手
段と、前記変化量検出手段の検出結果と前記操作部によ
る指示または前記駆動手段からの駆動信号の出力値とを
比較して前記マニピュレータの動作状態を判別する判別
手段とを備えていることを特徴とする。

【００１０】また、請求項２に記載された発明は、請求
項１に記載された発明において、前記駆動手段による所
定の移動量が、前記駆動手段が前記マニピュレータに出
力する電流量によって定められることを特徴とする。

【００１１】また、請求項３に記載された発明は、請求
項１に記載された発明において、前記変化量検出手段
が、マニピュレータの動作部の回転量または移動量を検
知するセンサであることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態について説明する。

【００１３】図１〜図４は本発明の一実施形態を示して
いる。図１に示されるように、本実施形態に係る医療用
マニピュレータシステムは、所定の制御信号に基づいて
動作される多関節アームからなる少なくとも１つのマニ
ピュレータ６８（図１には、１つのマニピュレータ６８
のみが示されている）と、マニピュレータ６８を遠隔的
に操作するための操作制御部６と、操作制御部６からの
操作情報に基づいてマニピュレータ６８の動作を制御す
る制御系３０とを備えている。なお、操作制御部６は操
作手段６ａ，６ｂを有している。また、図中、６９は操
作制御部６を操作する術者である。

【００１４】図１および図３に示されるように、マニピ
ュレータ６８は、患部等の観察を行なうための内視鏡や
患部等の処置を行なうための処置具６６を有している。
また、処置具６６は、動作部としての処置部１１と、処
置部１１を屈曲・回転させるアクチュエータとしてのモ
ータ１３と、処置部１１の位置変化を検出するためのポ
テンショメータ１６とを備えている。なお、図には１つ
のモータ１３によって処置部１１が動作されるように示
されているが、以下において、処置部１１とは、マニピ
ュレータを構成する駆動アーム等の動作部を含めた総括
した概念を示すものとし、また、モータ１３およびポテ
ンショメータ１６とは、前記動作部を動作させるモータ
等のアクチュエータおよび前記動作部の位置の変化を検
出するポテンショメータ等の検知部を含めた総括した概
念をそれぞれ示すものとする。

【００１５】図１および図２に示されるように、制御系
３０は、操作制御部６に接続され且つ操作制御部６から
入力される操作信号に基づいてマニピュレータ６８を動
作させるための制御信号を形成するマニピュレータ制御
回路１と、マニピュレータ制御回路１に接続され且つ制
御回路１からデジタル信号として送られる制御信号をア
ナログ信号に変換するためのＤ／Ａ変換器２と、Ｄ／Ａ
変換器２とマニピュレータ６８とに接続され且つマニピ
ュレータ６８を動作させるための駆動信号を形成するマ
ニピュレータ駆動手段３とを備えている。

【００１６】マニピュレータ駆動手段３は、Ｄ／Ａ変換
器２から入力される前記制御信号に基づいて、操作手段
６ａ，６ｂの操作に対応した動作をマニピュレータ６８
に行なわせるべく駆動信号を形成し、これをマニピュレ
ータ６８のアクチュエータに出力することによってマニ
ピュレータ６８の動作部を動作させる。特に、本実施形
態において、マニピュレータ駆動手段３は、駆動電流を
供給するための電流供給源（電源）と、駆動電流を制御
する制御部と、供給された駆動電流を検知する検知部と
を備え、マニピュレータ制御回路１からＤ／Ａ変換器２
を介して入力される制御信号に基づいてマニピュレータ
６８に対する駆動電流の出力を制御する。この場合、制
御された駆動電流は、マニピュレータ駆動手段３から第
１の信号線１４（図３参照）を介してマニピュレータ６
８のモータ１３に出力され、これによって、操作手段６
ａ，６ｂの操作に対応した量だけ処置部１１が動作され
る。

【００１７】また、制御系３０は、マニピュレータ６８
のポテンショメータ１６に第２の信号線１５を介して接
続され且つ処置部１１の位置の変化量を検知する変化量
検出手段４と、変化量検出手段４とマニピュレータ駆動
手段３とに接続され且つマニピュレータ６８の動作状態
を判別する変化量判別回路５とを備えている。変化量判
別回路５は、マニピュレータ駆動手段３の前記検知部に
よって検知された駆動電流と変化量検出手段４によって
検出された処置部１１の位置の変化量とを比較してマニ
ピュレータ６８の動作状態を判別する。また、変化量判
別回路５は、マニピュレータ制御回路１に接続されてお
り、判別結果を制御回路１に出力する。

【００１８】次に、上記構成の医療用マニピュレータシ
ステムの動作について説明する。

【００１９】図１に示すように、術者６５は操作制御部
６の操作手段６ａ，６ｂを左右の手で持ち、テレビモニ
タ（図示せず）を見ながらマニピュレータ６８の遠隔操
作を行なって内視鏡下手術を進めていく。この場合、操
作制御部６からの操作信号は、マニピュレータ制御回路
１に送られて数値データとして処理される。処理された
データは、制御回路１から制御信号となってＤ／Ａ変換
器２に送られてデジタルアナログ変換された後、マニピ
ュレータ駆動手段３に送られる。

【００２０】マニピュレータ駆動手段３は、Ｄ／Ａ変換
器２から入力される制御信号に基づいて制御された駆動
電流をマニピュレータ６８のモータ１３に出力する。こ
れによって、操作制御部６の操作に対応した量だけ処置
部１１が動作される。また、この時、マニピュレータ駆
動手段３からマニピュレータ６８に出力される駆動電流
の出力値がマニピュレータ駆動手段３の前記検知部によ
って検出され、その検出値が変化量判別回路５に送られ
るとともに、マニピュレータ６８の処置部１１の位置の
変化量（本実施形態では、処置部１１の移動量）が変化
量検出手段４を介して変化量判別回路５に送られる。

【００２１】変化量判別回路５は、マニピュレータ駆動
手段３の前記検知部によって検知された駆動電流の出力
値と変化量検出手段４によって検出された処置部１１の
位置の変化量とを比較して、マニピュレータ６８が操作
制御部６の操作に対応した正しい動作を行なっているか
否かを判断する。

【００２２】変化量判別回路５で得られた判断結果はマ
ニピュレータ制御回路１に送られる。マニピュレータ制
御回路１は、変化量判別回路５からの判断結果と操作制
御部６からの操作信号とに基づいて制御信号を形成す
る。例えば、何らかのトラブルによってマニピュレータ
６８が正常に動作していないという判断結果が変化量判
別回路５により得られた場合には、マニピュレータ６６
を停止させるべくマニピュレータ制御回路１が制御を行
なう。

【００２３】変化量判別回路５によるマニピュレータ６
８の動作状態の判別は例えば以下のようにして行われ
る。すなわち、例えば、マニピュレータ駆動手段３から
モータ１３に対して図４の（ａ）に示される曲線Ａ１の
ような駆動電流が与えられると、処置部１１が図４の
（ｂ）に示される曲線Ａ１のようにその位置を緩やかに
変化させて目的の位置に到達するといった動作形態を考
えてみる。また、この場合、図４の（ａ）に示される直
線Ａ２のような駆動電流が与えられると、処置部１１の
位置が図４の（ｂ）に示される直線Ａ２のように変化
し、また、駆動電流が途中でＡ１からＡ２へ切り替えら
れると、それに伴って処置部１１の位置の変化状態（変
化量）もＡ１からＡ２に切り替わるものとする。

【００２４】このような動作形態において、マニピュレ
ータ６６の処置部１１が、図４の（ａ）に示される曲線
Ａ１の駆動電流で制御されている最中に、何らかのトラ
ブルにより図４の（ｂ）に示される曲線Ａ１の移動軌跡
を辿らなかったと仮定する。例えば、時間ｔ_１までは処
置部１１が正常に動作していたが、時間ｔ_１で処置部１
１に何らかのトラブルが発生（例えば、処置部１１が他
の物と接触）して、処置部１１が時間ｔ_１以降において
図４の（ｂ）に示される水平線Ｂの軌跡を辿った（すな
わち、動かなくなった）と仮定する。この場合、モータ
１３およびポテンショメータ１６は空回りすることなく
ロックされた状態となり、駆動電流は図４の（ａ）に示
される曲線Ｂのように急激に増加し始める。このような
状況は、マニピュレータ駆動手段３の検知部および変化
量検出手段４によって検知されて変化量判別回路５に出
力される。そして、変化量判別回路５は、マニピュレー
タ駆動手段３の検知部を通じて、駆動電流が時間ｔ_１か
ら時間ｔ_２までの所定時間Δｔの間でＩ_１からＩ_Ｘへ異
常増加したことを認識するとともに、変化量検出手段４
を通じて、ポテンショメータ１６のロック状態（角度デ
ータ）すなわち処置部１１の位置が変化しないこと（す
なわち、処置部１１が図４の（ｂ）に示される水平線Ｂ
の軌跡を辿って動かなくなったこと）を認識し、これに
より、処置部１１に異常が発生したと判断して、マニピ
ュレータ制御回路１に対してその判断結果を出力する。
これにより、マニピュレータ制御回路１は、例えば、処
置部１１の動作を停止させるための制御信号を形成す
る。なお、この場合、変化量判別回路５は、所定時間Δ
ｔの間に駆動電流の変化量が所定のしきい値を越えた場
合にのみマニピュレータ駆動手段３からの検知情報を異
常情報として判断する。

【００２５】以上説明したように、本実施形態の医療用
マニピュレータシステムでは、マニピュレータ駆動手段
３からマニピュレータ６８に出力される駆動信号とマニ
ピュレータ６８の動作部の位置の変化量とが変化量判別
回路５に入力され、これらの入力情報に基づいて変化量
判別回路５がマニピュレータ６８の動作状態を判断する
とともに、その判断結果がマニピュレータ制御回路１に
フィードバックされるようになっている。したがって、
特別な検知装置を設けることなく、各マニピュレータの
過負荷状態を容易に検出して、マニピュレータ間での干
渉状態を速やかに回避することができる。

【００２６】なお、上記実施形態では、マニピュレータ
６８の動作異常（マニピュレータ同士の干渉）が検知さ
れると処置部１１が停止されるが、その他の制御方法が
採用されても良い。すなわち、駆動電流の異常増加を判
断するための時間Δｔを任意に変化させたり、所定時間
Δｔの間の駆動電流の変化量のしきい値を任意に変化さ
せることによって、異常度合いに対する回避の方法を任
意に選択できるようにしても良い。具体的には、例え
ば、所定時間Δｔの間の駆動電流の変化量が第１のしき
い値よりも小さい場合（すなわち、駆動電流の変化量の
異常度合いが小さい場合）には、処置部１１が与えられ
た動作方向と反対の方向（干渉が回避される方向）に動
作するように駆動電流を供給し、また、駆動電流の変化
量が第１のしきい値よりも大きく第２のしきい値よりも
小さい場合（すなわち、駆動電流の変化量の異常度合い
が中程度の場合）には、マニピュレータ６８に供給すべ
き駆動電流を減少させ、また、駆動電流の変化量が第２
のしきい値を越えた場合（すなわち、駆動電流の変化量
の異常度合いが大きい場合）には、駆動電流の供給を停
止して処置部１１を停止させるようにしても良い。ま
た、上記実施形態では、処置部１１を動作させる駆動手
段として、モータ１３が採用されているが、リニアコイ
ルやプーリであっても構わない。また、ポテンショメー
タ１６の代わりにエンコーダや磁気センサが使用されて
も良い。また、変化量判別回路５は、変化量検出手段４
の検出結果と操作制御部６による指示（操作信号）とを
比較してマニピュレータ６８の動作状態を判別するよう
になっていても良い。

【００２７】ところで、スレーブ側であるマニピュレー
タ６８の動きはマスター側である操作制御部６の動きを
トレースしているため、マニピュレータ６８同士が干渉
するということは、操作制御部６側で操作子同士が干渉
していることを意味する。したがって、マニピュレータ
６８同士の干渉を防止するためには、操作制御部６側の
操作子同士の干渉を予め防止しておけば良いことにな
る。そこで、以下では、操作制御部６側での干渉を防止
するための手段について説明する。

【００２８】図５に示されるように、操作制御部６に
は、術者が操作を行なうための操作子７，８が設けられ
ている。これらの操作子７，８は、操作制御部６に設け
られた互いに交わることがない溝９，１０に沿って移動
するようになっている。また、操作子７が溝９に沿って
図５中Ａ１からＢ１へと外側に移動すると、マニピュレ
ータ６８側の処置具６６の処置部１１も図６の（ａ）に
示される内側位置から図６の（ｂ）に示される外側位置
へと移動するとともに、操作子８が溝１０に沿って図５
中Ａ１からＢ１へと外側に移動すると、マニピュレータ
６８側の処置具６６の処置部１２も図６の（ａ）に示さ
れる内側位置から図６の（ｂ）に示される処置部１１と
干渉しない逆方向の外側位置へと移動するようになって
いる。すなわち、マスター側が外側に移動する動きに同
期してスレーブ側が外側に移動するようになっている。
したがって、このような構成によれば、マニピュレータ
６６の先端に設けられた処置部１１，１２同士が互いに
干渉しなくなる。

【００２９】以上説明してきた技術内容によれば、以下
に示すような各種の構成が得られる。

【００３０】１．体腔内の観察を行なう内視鏡または体
腔内で患者の処置を行なう処置具等を制御する複数のマ
ニピュレータユニットから構成された医療用マニピュレ
ータシステムにおいて、各マニピュレータを駆動させる
駆動手段と、体腔内に挿入される内視鏡または処置具の
変化量を検出する検出手段と、前記検出手段で得られた
値から、前記内視鏡または処置具が当接しているか、ま
たは、内視鏡または処置具に対して送信した命令が実行
されているかを判別する判別手段とからなることを特徴
とする医療用マニピュレータシステム。

【００３１】２．マニピュレータを駆動させる駆動電流
を制御することにより、マニピュレータの移動量を制御
することを特徴とする第１項に記載の医療用マニピュレ
ータシステム。

【００３２】３．前記変化量は、内視鏡または処置具の
移動量であることを特徴とする第１項に記載の医療用マ
ニピュレータシステム。

【００３３】４．前記変化量は、内視鏡または処置具の
回転量であることを特徴とする第１項に記載の医療用マ
ニピュレータシステム。

【００３４】５．前記移動量または回転量を計測する手
段は、エンコーダ、ポテンショメータ、磁気センサであ
ることを特徴とする第３項または第４項に記載の医療用
マニピュレータシステム。

【００３５】６．患部等を観察する観察手段または患部
等の処置を行なう処置具等の位置を制御するマニピュレ
ータと、前記マニピュレータを操作するための操作部
と、前記操作部からの指示により前記マニピュレータの
動作部を移動させる駆動手段と、前記駆動手段により移
動された前記マニピュレータの動作部の位置の変化量を
検出する変化量検出手段と、前記変化量検出手段の検出
結果と前記操作部による指示または前記駆動手段による
所定の移動量とを比較して前記マニピュレータの動作状
態を判別する判別手段と、を備えていることを特徴とす
る医療用マニピュレータシステム。

【００３６】７．前記駆動手段による所定の移動量は、
前記駆動手段が前記マニピュレータに出力する電流量に
よって定められることを特徴とする第６項に記載の医療
用マニピュレータシステム。

【００３７】８．前記変化量検出手段は、前記駆動手段
に設けられた回転量または移動量を検知するセンサであ
ることを特徴とする第６項に記載の医療用マニピュレー
タシステム。

【００３８】９．マニピュレータが複数設けられている
ことを特徴とする第６項に記載の医療用マニピュレータ
システム。

【００３９】１０．前記操作部には操作を行なうための
２つの操作子が設けられ、これらの操作子は互いに交わ
ることがない溝に沿ってそれぞれ移動され、操作子が溝
に沿って外側に移動する動きに同期して各操作子に対応
するマニピュレータの動作部が外側に移動することを特
徴とする第６項に記載の医療用マニピュレータ。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の医療用マ
ニピュレータシステムによれば、特別な検知装置を設け
ることなく、各マニピュレータの過負荷状態を容易に検
出して、マニピュレータ間での干渉状態を速やかに回避
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレー
タシステムの概略構成図である。

【図２】図１のシステムを構成する制御系のブロック図
である。

【図３】図１のシステムを構成するマニピュレータの処
置部を概略的に示した斜視図である。

【図４】図２の制御系による制御方法の一例を示した図
である。

【図５】医療用マニピュレータシステムの他の構成の操
作部を示す平面図である。

【図６】図５の操作部によって操作されるマニピュレー
タ側の処置部の斜視図である。

【図７】従来のマニピュレータシステムの概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１…マニピュレータ制御回路３…マニピュレータ駆動手段（駆動手段）４…変化量検出手段５…変化量判別回路（判別手段）６…操作部６８…医療用マニピュレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐々木勝巳東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者安久井伸章東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者高橋裕史東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者木村健一東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者池田裕一東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者安達英之東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者中村剛明東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内Ｆターム(参考） 3F059 AA10 BA02 BA10 CA01 CA06 DB01 DD01 DD08 FB12 3F060 AA10 BA09 HA32 HA35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検対象を観察する観察手段または被検
対象の処置を行なう処置具の位置を制御するマニピュレ
ータと、前記マニピュレータを操作するための操作部と、前記操作部からの指示により前記マニピュレータの動作
部を所定の移動量移動させるための駆動信号を形成する
駆動手段と、前記駆動手段の駆動信号によって移動された前記マニピ
ュレータの動作部の位置の変化量を検出する変化量検出
手段と、前記変化量検出手段の検出結果と前記操作部による指示
または前記駆動手段からの駆動信号の出力値とを比較し
て前記マニピュレータの動作状態を判別する判別手段
と、を備えていることを特徴とする医療用マニピュレータシ
ステム。
【請求項２】前記駆動手段による所定の移動量は、前
記駆動手段が前記マニピュレータに出力する電流量によ
って定められることを特徴とする請求項１に記載の医療
用マニピュレータシステム。
【請求項３】前記変化量検出手段は、マニピュレータ
の動作部の回転量または移動量を検知するセンサである
ことを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレー
タシステム。