JP2001334481A - マニピュレータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】操作途中でもマニピュレータ装置を再起動する
ことなくマスターマニピュレータの座標とスレーブマニ
ピュレータの座標を整合することが可能なマニピュレー
タ制御装置を提供する。 【解決手段】術野で動作するスレーブマニピュレータ２
と、スレーブマニピュレータ２を遠隔操作する操作部で
あるマスターマニピュレータ３と、マスターマニピュレ
ータ３がスレーブマニピュレータ２の動作限界を越える
動作を指示した後、マスターマニピュレータ３の指示が
再びスレーブマニピュレータ２の動作範囲に戻った際
に、マスターマニピュレータ３の指示に対応する位置
に、スレーブマニピュレータ２を復帰させる復帰位置を
設定する復帰設定手段とを備える。

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制御
装置に関し、特に生体の、例えば体腔内に挿入したマニ
ピュレータを操作手段によって遠隔的に操作し、診断・
処置等の手術を行う手術用のマニピュレータ制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、腹壁等の体壁に孔を開け、この
孔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、その体腔内での色々の処置を行う経皮的な
内視鏡下手術が大きな切開をしない低侵襲なものとして
近年注目されている。

【０００３】こうした術式は、胆嚢摘出手術や肺の一部
を摘出除去する手術等で行われている。このような手術
において、マニピュレータに内視鏡や処置具を搭載し、
そのマニピュレータによる内視鏡や処置具を用いた手術
を術者に代わって間接的に行う手術用マニピュレータシ
ステムが米国特許第５２１７００３号や特願平１１−３
３３１１４号などに示されている。

【０００４】図１３は、この手術用マニピュレータシス
テムの概略構成を示すものである。

【０００５】このマニピュレータシステムには、術野に
アクセスするように設置されているスレーブマニピュレ
ータ１００ａと、術者が操作出来る領域内に設置された
ジョイスティックなどのマスターマニピュレータ１００
ｂとが設けられている。

【０００６】ここで、スレーブマニピュレータ１００ａ
にはスレーブ制御部１００ｃが、マスターマニピュレー
タ１００ｂにはマスター制御部１００ｄがそれぞれ連結
されている。

【０００７】更に、スレーブ制御部１００ｃとマスター
制御部１００ｄとの間は、信号ケーブルなどの通信手段
を介して連結されている。ここで、マスター制御部１０
０ｄには、マスターマニピュレータ１００ｂの操作部の
操作を検出する検出手段が設けられている。そして、こ
のマスター制御部１００ｄによって検出されたマスター
マニピュレータ１００ｂの操作部の操作状態が制御信号
に変換されて通信手段を介してスレーブ制御部１００ｃ
に転送されるようになっている。また、スレーブ制御部
１００ｃからは、マスター制御部１００ｄから送られる
マスターマニピュレータ１００ｂの操作部の操作に追従
した動きをスレーブマニピュレータ１００ａに伝達する
制御信号が出力されるようになっている。

【０００８】そして、このような手術用マニピュレータ
の遠隔操作では、内視鏡等の観察手段によりモニターに
映し出された腹腔内の患部の状態を見ながら操作者がジ
ョイスティックなどのマスターマニピュレータ１００ｂ
の操作部を操作することによって、例えば、マスターマ
ニピュレータ１００ｂの操作部の操作方向にスレーブマ
ニピュレータ１００ａを動作させるようになっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、手術用マニ
ピュレータシステムでは、マスターマニピュレータ１０
０ｂの動作範囲とスレーブマニピュレータ１００ａの動
作範囲とは一致しない場合が多く、通常はマスターマニ
ピュレータ１００ｂの動作範囲よりもスレーブマニピュ
レータ１００ａの動作範囲のほうが大きくなるように設
定されている。

【００１０】そのため、上記した従来の手術用マニピュ
レータシステムでは、マスターマニピュレータ１００ｂ
が動作範囲の限界値まで移動した時点で、スレーブマニ
ピュレータ１００ａの動作も停止してしまうので、スレ
ーブマニピュレータ１００ａの動作範囲が実際にスレー
ブマニピュレータ１００ａが動作可能な動作範囲よりも
狭い範囲に制限される。

【００１１】そこでスレーブマニピュレータ１００ａの
動作範囲拡張手段により、マスターマニピュレータ１０
０ｂの動作範囲の限界位置の近傍でマスターマニピュレ
ータ１００ｂの動作範囲を複数段に切換える切換え手段
によりスレーブマニピュレータ１００ａの動作範囲を拡
張している。

【００１２】しかし、この動作範囲拡張手段によってマ
スターマニピュレータ１００ｂの２段目以降の動作範囲
は相対的な座標関係に同時に切替わることになりマスタ
ーマニピュレータ１００ｂの座標とスレーブマニピュレ
ータ１００ａの座標は１：１の関係（絶対座標の関係）
ではなくなってしまう。これによって、スレーブマニピ
ュレータ１００ａとマスターマニピュレータ１００ｂと
の位置関係が食い違ってしまうという問題が起きてしま
う。

【００１３】操作途中でスレーブマニピュレータ１００
ａとマスターマニピュレータ１００ｂの座標が物理的に
同じ位置関係（絶対座標の関係）に復帰させたい場合、
復帰方法が術者の操作のみでは非常に難しかった。ま
た、マニピュレータ装置を再起動させるといった非常に
時間のかかる操作が必要であった。

【００１４】本発明はこのような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、操作途中でも
マニピュレータ装置を再起動することなくマスターマニ
ピュレータの座標とスレーブマニピュレータの座標を整
合することが可能なマニピュレータ制御装置を提供する
ことにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の発明は、術野で動作するスレーブマニピュ
レータと、前記スレーブマニピュレータを遠隔操作する
操作部であるマスターマニピュレータと、前記マスター
マニピュレータが前記スレーブマニピュレータの動作限
界を越える動作を指示した後、前記マスターマニピュレ
ータの指示が再び前記スレーブマニピュレータの動作範
囲に戻った際に、前記マスターマニピュレータの指示に
対応する位置に、前記スレーブマニピュレータを復帰さ
せる復帰位置を設定する復帰設定手段とを備える。

【００１６】また、第２の発明は、術野で動作するスレ
ーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを
遠隔操作する操作部であるマスターマニピュレータと、
前記スレーブマニピュレータの動作範囲に対応するよう
に前記マスターマニピュレータの操作範囲を複数段に切
換える切換え手段と、前記マスターマニピュレータが前
記スレーブマニピュレータの動作限界を越える動作を指
示した後、前記マスターマニピュレータの指示が再びス
レーブマニピュレータの動作範囲に戻った際に、このマ
スターマニピュレータの指示に対応する位置に、前記ス
レーブマニピュレータを復帰させる復帰位置を設定する
復帰設定手段とを備える。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００１８】（第１実施形態）図１〜図３は本発明の第
１実施形態を説明するための図である。図１は第１実施
形態のマニピュレータ制御装置１のシステム全体の概略
構成を示すものである。本実施形態のマニピュレータ制
御装置１には、術野にアクセスするように設置されたス
レーブマニピュレータ２と、術者が操作出来る領域に設
置され、スレーブマニピュレータ２を遠隔的に操作する
マスターマニピュレータ３とが設けられている。ここ
で、スレーブマニピュレータ２には、２組のスレーブマ
ニピュレータ、即ち、左側スレーブマニピュレータ２ａ
と、右側スレーブマニピュレータ２ｂとが設けられてい
る。更に、マスターマニピュレータ３にも同様に左側ス
レーブマニピュレータ２ａを操作する左側マスターマニ
ピュレータ３ａと、右側スレーブマニピュレータ２ｂを
操作する右側マスターマニピュレータ３ｂとが設けられ
ている。

【００１９】また、２つのスレーブマニピュレータ２
ａ，２ｂ及び２つのマスターマニピュレータ３ａ，３ｂ
は、それぞれ左右で略同一構成になっているので、ここ
では、左側スレーブマニピュレータ２ａ及び左側マスタ
ーマニピュレータ３ａの構成のみを説明し、右側スレー
ブマニピュレータ２ｂ及び右側マスターマニピュレータ
３ｂの説明を省略する即ち、本実施形態の左側スレーブ
マニピュレータ２ａには、細長い挿入部４を備えたマニ
ピュレータ本体５とこのマニピュレータ本体５を駆動す
るスレーブ駆動部６とが設けられている。

【００２０】更に、挿入部４の先端部には、図３（Ａ）
に示すように、例えば把持鉗子のように開閉可能な一対
の把持部材７ａ，７ｂを備えた先端把持部７が設けられ
ている。これらの把持部材７ａ，７ｂの基端部間は挿入
部４の先端部に設けられた回動ピン８を中心に回動可能
に連結されている。

【００２１】そして、これらの把持部材７ａ，７ｂは、
リンク機構９によって回動ピン８を中心に開閉可能に支
持されている。また、マニピュレータ本体５は、スレー
ブ駆動部６内の図示しないマニピュレータ本体駆動ユニ
ットによって図３（Ｂ）中で、Ｘ軸方向（左右方向）、
Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞ
れ移動可能に駆動され、且つＺ軸の軸回り方向に回動駆
動されるようになっている。

【００２２】更に、マニピュレータ本体５の先端把持部
７も同様にスレーブ駆動部６内の図示しない先端把持部
駆動ユニットによって把持部材７ａ，７ｂ間が回転ピン
８を中心に開閉駆動されるようになっている。尚、図３
（Ｂ）中でＯｓは、左側スレーブマニピュレータ２ａの
マニピュレータ本体５の原点位置である。

【００２３】また、左側マスターマニピュレータ３ａに
は、図２（Ａ）に示すように、例えば、略鋏型の開閉動
作可能なハンドル（操作部）１０と、このハンドル１０
を図２（Ｂ）中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向
（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動可
能に、且つＺ軸の軸回り方向に回動可能に支持する支持
機構部１１（図４の支持機構部１１に対応する）とが設
けられている。尚、図２（Ｂ）中でＯｍは、左側マスタ
ーマニピュレータ３ａのハンドル１０の原点位置であ
る。また、ハンドル１０には、図２（Ａ）に示すよう
に、トッププレート１２に一端部が固定された支軸１３
と、この支軸１３の他端部に回動軸１４を中心に回動可
能に連結された２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂとが
設けられている。

【００２４】更に、２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂ
間には、回動軸１４側にリンク部材１６、自由端部側に
板ばね部材１７がそれぞれ配設されている。そして、こ
のハンドル１０は、板ばね部材１７のばね力によって図
２（Ａ）中に実線で示すように全開位置方向に付勢され
ている。また、このハンドル１０の一方のハンドル部材
１５ａには、ストッパー１８が他方のハンドル部材１５
ｂ側に向けて突設されている。

【００２５】そして、このハンドル１０の閉操作時に、
図２（Ａ）中に仮想線で示すようにハンドル部材１５ａ
のストッパー１８がハンドル部材１５ｂに突き当たるこ
とにより、このハンドル１０の閉操作が規制され、ハン
ドル部材１５ｂに突き当たった状態が全閉位置になるよ
うに設定されている。

【００２６】更に、ハンドル１０のハンドル部材１５ａ
には、ポテンショメータ１９が取り付けられている。そ
して、このポテンショメータ１９によって、ハンドル１
０の開閉角度が検出されるようになっている。また、左
側マスターマニピュレータ３ａの支持機構部１１はパン
タグラフ機構を複数組み合わせて構成された多自由度マ
ニピュレータによって形成されている。ここで、出力節
であるトッププレート１２には、３つのパンタグラフと
３つの回転対偶軸とが取り付けられている。尚、各パン
タグラフ及び各回転対偶軸には、図示しないエンコーダ
が取り付けられている。そして、このエンコーダによっ
てハンドル１０の操作を検出する検出手段が形成されて
いる。更に、マスターマニピュレータ３には、当該マス
ターマニピュレータ３を、操作不能なロック状態と操作
可能なロック解除状態とに切り換える、例えば電磁ロッ
ク式の図示しないロック機構が組み込まれている。ま
た、マスターマニピュレータ３には、このマスターマニ
ピュレータ３の操作を電気信号に変換するマスター制御
部２０が接続されている。

【００２７】このマスター制御部２０には、マスターマ
ニピュレータ３のポテンショメータ１９及び支持機構部
１１のエンコーダなどで構成される位置検出装置２１
と、例えば位置計算用コンピュータによって構成される
演算回路２２とが設けられている。そして、位置検出装
置２１による左右のマスターマニピュレータ３ａ、３ｂ
の操作状態の検出データ（Ｌ検出信号、Ｒ検出信号）
は、演算回路２２に入力され、この演算回路２２で位置
計算されてマスターマニピュレータ３のハンドル１０の
操作状態やハンドル１０の開閉状態などのデータが算出
されるようになっている。

【００２８】更に、このマスター制御部２０には、マス
ターマニピュレータ３の入力切替え用の入力切替え手段
２３が接続されている。この入力切替え手段２３は、例
えばフットスイッチであり、２つのペダル２３ａ、２３
ｂが設けられている。一方のペダル２３ａはマスターマ
ニピュレータ３のロック状態とロック解除状態とを切換
える切換え操作部として用いられ、他方のパダル２３は
移動用クラッチの切換え操作部として用いられる。

【００２９】尚、マスターマニピュレータ３を操作する
術者の近傍位置には、モニター２４が配置されている。
そして、このモニター２４に表示される表示画面を見な
がらマスターマニピュレータ３の操作が行われるように
なっている。

【００３０】また、スレーブマニピュレータ２には、マ
スターマニピュレータ３の操作に追従した動きをスレー
ブマニピュレータ２に伝達する制御信号を出力するスレ
ーブ制御部２５が接続されている。このスレーブ制御部
２５には、スレーブマニピュレータ２のスレーブ駆動部
６に組み込まれている複数の駆動モータ２６を制御する
モータ駆動回路（サーボユニット）２７と、例えばスレ
ーブマニピュレータ制御用のコンピュータによって形成
される演算回路２８とが設けられている。

【００３１】更に、スレーブ制御部２５の演算回路２８
とマスター制御部２０の演算回路２２との間は、例え
ば、光ファイバーケーブルなどの通信手段２９を介して
接続されている。そして、スレーブ制御部２５では、マ
スター制御部２０から送られるマスターマニピュレータ
３の操作に追従した動きをスレーブマニピュレータ２に
伝達する制御信号を出力するようになっている。

【００３２】また、図６（Ａ）は、本実施形態のマニピ
ュレータ制御装置１におけるマスターマニピュレータ３
の動作範囲Ａと、スレーブマニピュレータ２の動作範囲
Ｂとをそれぞれ示すものである。ここではマスターマニ
ピュレータ３の動作範囲Ａよりもスレーブマニピュレー
タ２の動作範囲Ｂのほうが大きくなるように設定されて
いる。入力切替え手段（切換え手段）２３のペダル２３
ｂを操作することにより、スレーブマニピュレータ２の
動作範囲Ｂに対応するマスターマニピュレータ３の動作
範囲Ａを図６（Ｂ）に示すように複数段（Ａ１，Ａ２，
Ａ３）に切換えることが可能である。ここで、マスター
マニピュレータ３の１段目の動作範囲Ａ１の中央位置に
は原点Ｏｍが設定されているものとする。更に、マスタ
ー制御部２０の演算回路２２には、スレーブマニピュレ
ータ２の動作範囲拡張手段が内蔵されている。

【００３３】この動作範囲拡張手段は、マスターマニピ
ュレータ３の動作時にマスターマニピュレータ３の動作
範囲の限界位置の近傍位置でペダル２３ｂを切換え操作
することにより、マスターマニピュレータ３の１段目の
動作範囲であるＡ１位置を越えた拡張領域Ａ２、Ａ３内
でマスターマニピュレータ３によるスレーブマニピュレ
ータ２の動作制御を可能にするものである。

【００３４】マニピュレータ制御装置１の使用時には、
マスターマニピュレータ３が術者が操作出来る領域内に
設置される。更に、スレーブマニピュレータ２は術野に
アクセスするように設置される。例えば、図４に示すよ
うに、予め診断・処置等の手術を行う患者の腹壁等の体
壁Ｈに図示しないトロッカーによって孔を開け、この孔
に挿入されたトロッカーの管内にスレーブマニピュレー
タ２の挿入部４が挿入され、このトロッカーを通じてス
レーブマニピュレータ２の挿入部４が経皮的に体腔内に
挿入された状態にセットされる。この時、マスターマニ
ピュレータ３を操作する術者の近傍域のモニター２４に
は、スレーブマニピュレータ２とは別の場所から経皮的
に体腔内挿入された内視鏡による術者の内視鏡像、ある
いはコンピュータグラフィック装置によって合成された
術野のコンピュータグラフィック画像（ＣＧ画像）など
が表示される。

【００３５】また、スレーブマニピュレータ２及びマス
ターマニピュレータ３のセット後、これらのスレーブマ
ニピュレータ２及びマスターマニピュレータ３の原点
（０点）位置を対応させるキャリブレーション動作が行
われる。このキャリブレーション動作時には、入力切替
え手段２３のペダル２３ａを踏むことにより、マスター
マニピュレータ３のロックが解除され、マスターマニピ
ュレータ３の左右のマスターマニピュレータ３ａ、３ｂ
が図２中でＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ移
動可能、且つＺ軸の軸回り方向に回動可能な状態にそれ
ぞれ切換えられるとともに、左右のマスターマニピュレ
ータ３ａ，３ｂの２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂ間
が開閉動作可能な状態にそれぞれ切換えられる。この状
態でマスターマニピュレータ３の左右のマスターマニピ
ュレータ３ａ，３ｂが任意の位置に移動され、左右のマ
スターマニピュレータ３ａ，３ｂの原点（０点）位置が
設定される。

【００３６】その後、スレーブマニピュレータ２におけ
る２つのスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂのスレーブ
駆動部６内の図示しないマニピュレータ本体駆動ユニッ
ト及び先端把持部駆動ユニットが駆動される。これによ
り、マスターマニピュレータ本体５が図３中でＸ軸方
向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ移動され、且つＺ軸
の軸回り方向に回動駆動されて予め設定された左右のス
レーブマニピュレータ２ａ，２ｂの原点（０点）位置に
移動される。この時、左右のスレーブマニピュレータ２
ａ，２ｂの動作範囲が予め決められた適正範囲でない場
合は、警告表示等を行い、異常を操作者に告知するよう
になっている。更に、このキャリブレーション動作の終
了後、本実施の形態のマニピュレータ制御装置１による
診断・処置等の手術が開始される。

【００３７】この手術時には、術者はモニター２４に表
示される術野の内視鏡像あるいはＣＧ画像の画面を見な
がらマスターマニピュレータ３の左右のマスターマニピ
ュレータ３ａ，３ｂがそれぞれ操作される。この時、左
側マスターマニピュレータ３ａのハンドル１０が術者の
左手、右側マスターマニピュレータ３ｂのハンドル１０
が術者の右手で握られた状態でそれぞれ操作され、左側
マスターマニピュレータ３ａによって左側スレーブマニ
ピュレータ２ａ、右側マスターマニピュレータ３ｂによ
って右側スレーブマニピュレータ２ｂがそれぞれ独立に
遠隔操作される。

【００３８】例えば、左側マスターマニピュレータ３ａ
のハンドル１０を図２（Ｂ）中でＸ軸方向、Ｙ軸方向、
Ｚ軸方向にそれぞれ移動させ、且つＺ軸の軸回り方向に
回動動作させた場合には、この時のマスターマニピュレ
ータ３ａの動作がマスター制御部２０の位置検出装置２
１で検出される。この位置検出装置２１からの検出デー
タは演算回路２２に入力される。この時、マスターマニ
ピュレータ３のポテンショメータ１９及び支持機構部１
１のエンコーダなどで構成された位置検出装置２１で得
られたマスターマニピュレータ３のハンドル１０の開閉
角度やハンドル１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向の
各移動量やＺ軸の軸回り方向の回動角度などのマスター
マニピュレータ３の可動部の位置・姿勢などの操作情報
の検出信号であるアナログ出力は演算回路２２のＡ／Ｄ
変換器３０によって、例えば、２５６階調デジタル出力
の制御信号に変換されてＣＰＵ３３に入力される。そし
て、この演算回路２２のＣＰＵ３３で位置計算されてマ
スターマニピュレータ３のハンドル１０の操作状態やハ
ンドル１０の開閉状態などのデータが算出される。

【００３９】更に、マスター制御部２０の演算回路２２
で位置計算された算出データは、光ファイバーケーブル
などの通信手段２９を介して、スレーブ制御部２５に送
信される。ここで、マスターマニピュレータ３のハンド
ル１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各移動量の検
出データは、伝達倍率変換手段４１で設定されている変
換倍率になるようにＣＰＵ３３内の図示しない伝達倍率
変換処理によって任意の伝達倍率に変換されてスレーブ
制御部２５に伝送され、ハンドル１０の開閉角度の検出
データは１：１でスレーブ制御部２５に伝送される。

【００４０】また、スレーブ制御部２５では、受信され
た制御信号に基づいて、演算回路２８によってスレーブ
制御部６に組み込まれているモータ駆動回路２７の複数
の駆動モータ２６を制御する制御信号が算出される。そ
して、このスレーブ制御部２５から出力される制御信号
が左側スレーブマニピュレータ２ａに伝達され、左側ス
レーブマニピュレータ２ａが遠隔的に操作される。この
時、左側スレーブマニピュレータ２ａは、左側マスター
マニピュレータ３ａのハンドル１０の動きに追従して動
く。

【００４１】尚、右側マスターマニピュレータ３ｂの操
作についても同様の作用によって右側スレーブマニピュ
レータ２ｂの動作が制御され、右側マスターマニピュレ
ータ３ｂの操作に追従して右側スレーブマニピュレータ
２ｂが動くようになっている。

【００４２】また、本実施形態の制御装置１では、マス
ターマニピュレータ３の動作中、マスター制御部２０の
動作範囲拡張手段によってマスターマニピュレータ３の
動作範囲の限界位置の近傍位置でペダル２３ｂを切換え
操作することにより、マスターマニピュレータ３の１段
目の動作範囲であるＡ１を超えた拡張領域Ａ２、Ａ３内
でマスターマニピュレータ３によるスレーブマニピュレ
ータ２の動作制御を可能にする動作範囲拡張操作が行わ
れる。

【００４３】図５はこの動作範囲拡張操作の詳細を説明
するためのフローチャートである。ステップＳ１でマス
ターマニピュレータ３の位置検出が行われる。続いて、
次のステップＳ２では、マスターマニピュレータ３の現
在位置が１段目の動作範囲Ａ１内か否かが判断される。
ここで、マスターマニピュレータ３の現在位置が１段目
の動作範囲Ａ１内の場合にはステップＳ１に戻される。

【００４４】また、ステップＳ２でマスターマニピュレ
ータ３の現在位置が１段目の動作範囲Ａ１内でない状
態、即ち、マスターマニピュレータ３が１段目の動作範
囲Ａ１の限界位置に達したと判断された場合には次のス
テップＳ３に進む。このステップＳ３ではスレーブマニ
ピュレータ２の動作が停止される。

【００４５】その後、次のステップＳ４では、ペダル２
３ｂによる切換え操作が行われた（オン状態）か否かが
判断される。ここで、ペダル２３がオフ状態であると判
断された場合にはステップＳ３に戻される。また、ステ
ップＳ４でペダル２３ｂがオン状態であると判断された
場合には次のステップＳ５に進む。このステップＳ５に
はマスターマニピュレータ３の動作データがキャンセル
されるとともに、マスターマニピュレータ３が原点０ｍ
位置に戻される。続いて、次のステップＳ６ではマスタ
ーマニピュレータ３が原点０ｍ位置か否かが判断され
る。

【００４６】ここで、マスターマニピュレータ３が原点
０ｍ位置でないと判断された場合にはステップＳ５に戻
される。また、ステップＳ６でマスターマニピュレータ
３が原点０ｍ位置と判断された場合には次のステップＳ
７に進み、マスターマニピュレータ３の操作が再開され
る。この時、マスターマニピュレータ３は１段目の動作
範囲Ａ１の次の段階の動作範囲Ａ２またはＡ３で操作さ
れる。

【００４７】そのため、この状態では、マスターマニピ
ュレータ３の１段目の動作範囲Ａ１を越えた拡張領域の
動作範囲Ａ２またはＡ３内でマスターマニピュレータ３
によるスレーブマニピュレータ２の動作制御が可能とな
る。以上の動作範囲拡張操作をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞ
れで行う事により、スレーブマニピュレータ２をこのス
レーブマニピュレータ２の機械的な動作限界まで動かす
ことが可能となる。

【００４８】図７は上記したマスター制御部２０の構成
を示すブロック図である。図７に示すようにマスター制
御部２０内には、制御部５１と、グラフィックボード５
２と、位置計算処理部５３と、ＣＧ処理部５４と、ミキ
サー５５とが設けられている。ここで制御部５１には入
力切替え手段２３と、グラフィックボード５２と位置計
算処理部５３とがそれぞれ接続されている。位置計算処
理部５３は、マスターマニピュレータ３の操作範囲がス
レーブマニピュレータ２の動作範囲Ｂの外側に外れた場
合、マスターマニピュレータ３の座標値をそれ以上加算
しない処理を実行する復帰手段（復帰設定手段）５３ａ
を持つ。

【００４９】さらにグラフィックボード５２の入力端に
は内視鏡などのスコープ５６に接続されたＣＣＵ５７の
出力端が接続されている。またミキサー５５には２つの
入力端と１つの出力端とが設けられている。ミキサー５
５の一方の入力端にはグラフィックボード５２の出力端
が接続され、他方の入力端にはＣＧ処理部５４が接続さ
れ、出力端にはモニタ２４が接続されている。

【００５０】また、位置計算処理部５３にはＣＧ処理部
５４とスレーブ制御部２５が接続されている。

【００５１】次に上記した構成の作用について説明す
る。

【００５２】本実施形態のマニピュレータ制御装置１の
使用時において、図６（Ｂ）に示すようにマスターマニ
ピュレータ３の動作範囲が４段目の動作範囲Ａ４に拡張
されたことを想定する。ここで座標系Ｘ−Ｙ平面のみで
考えた場合、マスタマニピュレータ３の座標位置がＲ１
（Ｘ１、Ｙ１）からＲ２（Ｘ２、Ｙ２）に移動したとす
ると、スレーブマニピュレータ２の座標位置は機械的な
限界まで達している。

【００５３】この時、マスターマニピュレータ３とスレ
ーブマニピュレータ２の座標値の差分ΔＸ＝Ｘ２−Ｘ
１、ΔＹ＝Ｙ２−Ｙ１が生じる。このときの差分ΔＸ＝
Ｘ２−Ｘ１、ΔＹ＝Ｙ２−Ｙ１を位置計算処理部５３内
の復帰手段５３ａによってマスターマニピュレータ３の
座標値から差し引くことでマスターマニピュレータ３の
座標値Ｒ２をスレーブマニピュレータ２の座標値Ｒ１と
一致させることが可能となる。

【００５４】またマスターマニピュレータ３が図６
（Ｂ）に示すように、位置Ｒ２からＲ３に移動した場合
には、Ｒ１とＲ２の差分ΔＸ＝Ｘ２−Ｘ１、ΔＹ＝Ｙ２
−Ｙ１が解消されるまでの間、不感帯（不感域）が発生
するところにおいて位置計算処理部５３内の復帰手段５
３ａによりマスターマニピュレータ３の座標値をＲ１と
見なし、即スレーブマニピュレータ２をＲ３まで移動さ
せることができる。

【００５５】上記した第１実施形態によれば、スレーブ
マニピュレータの物理的な位置関係を保持したまま、マ
スターマニピュレータでの操作が即時開始可能となり、
また操作者にとって動作が連続的につながるマスターマ
ニピュレータとして、操作の不感帯を少なくすることが
可能である。

【００５６】（第２実施形態）以下に本発明の第２実施
形態を図８〜図１０を参照して説明する。ここでは上記
した第１実施形態で説明した構成と相違する部分のみを
説明する。すなわち第２実施形態の構成は図８に示すよ
うに、マスター制御部２０の位置計算処理部５３が復帰
手段５３ａに加えて原点復帰手段５３ｂを有し、この原
点復帰手段５３ｂと入力切替え手段２３によって原点復
帰処理が行われる構成となっている。

【００５７】例えば図９（Ａ）、（Ｂ）に示す例では、
マスターマニピュレータ３を４段目の動作範囲Ａ４の中
心Ｒ４に位置させ（図９（Ａ））、原点復帰手段５３ｂ
によってスレーブマニピュレータ２を原点Ｒ０に原点復
帰させている（図９（Ｂ））。

【００５８】図１０は上記した原点復帰処理の詳細を説
明するためのフローチャートである。まずステップＳ１
１では入力切替え手段２３のペダル２３ａによってマス
ターマニピュレータ３がロック状態かどうかが判断され
る。ここでマスターマニピュレータ３がロック状態でな
ければステップＳ１１に戻される。マスターマニピュレ
ータ３がロック状態であると判断された場合は次のステ
ップＳ１２に進む。

【００５９】このステップＳ１２ではペダル２３ｂが５
秒以上連続してＯＮ状態（踏み続けられている）かどう
かが判断される。ペダル２３ｂがＯＮされていないか、
あるいは５秒以下のＯＮ状態であればステップＳ１２に
戻される。ペダル２３ｂのＯＮ状態が５秒以上続いてい
ると判断された場合には次のステップＳ１３に進む。

【００６０】このステップＳ１３ではスレーブマニピュ
レータ２の座標を原点座標Ｒ０に移動し、同時にマスタ
ーマニピュレータ３の座標も原点であるＲ０の値にリセ
ットされる。

【００６１】ここでは原点復帰の開始を入力切替え手段
２３のペダル２３ａ、２３ｂの組み合わせで実施するよ
うにしたが、他の操作、例えば原点復帰ＳＷを新たに設
けたり、音声認識等による原点復帰命令により実現する
ことが可能であることは説明するまでもない。

【００６２】次に上記構成の作用について説明する。

【００６３】マスターマニピュレータ３の動作範囲をＡ
１以外に拡張した場合、スレーブマニピュレータ２とマ
スターマニピュレータ３の位置関係は相対的な位置関係
となってしまう。数回の拡張を実施した場合には、スレ
ーブマニピュレータ２とマスターマニピュレータ３の位
置関係が対応しづらくなってくる。そこで原点復帰手段
５３ｂにより即座にスレーブマニピュレータ２とマスタ
ーマニピュレータ３の位置関係を初期の状態と同じ関係
（絶対的位置関係）に復帰させることが可能となる。

【００６４】上記した第２実施形態によれば、スレーブ
マニピュレータを物理的に起動開始位置に復帰させるよ
うにしたので、今までの操作が一旦終了（リセット）さ
れて次の操作が開始しやすくなるという効果がある。

【００６５】（第３実施形態）本発明の第３実施形態を
以下に説明する。ここでは上記した第１実施形態及び第
２実施形態で説明した構成と相違する部分のみを説明す
る。

【００６６】第３実施形態でのマスター制御部２０は、
原点復帰手段５３ｂ及び選択手段としての機能を備えた
図示しないジョグダイヤルを有している。術者はこの選
択手段により原点復帰手段５３ｂを有効にするモード１
と無効にするモード２を任意に選択できるようになって
いる。

【００６７】また、モード１、モード２のどちらのモー
ドにおいても、マスターマニピュレータ３が拡張領域の
どの動作範囲に存在してもジョグダイヤルを５秒以上押
し続けることで原点復帰手段５３ｂによる原点復帰処理
を実行することが可能である。

【００６８】上記の構成によれば、簡単な操作でスレー
ブマニピュレータ２の機械的リミット領域から復帰手段
５３ａを利用することで即マスターマニピュレータ３に
よる操作が可能となり、また、初期状態に復帰すること
を操作者が任意に選択することもできる。

【００６９】すなわち、上記した第３実施形態によれ
ば、第１及び第２実施形態の効果に加えて、２つの復帰
方法を操作者が任意に選択可能となり、かつ操作の継続
が簡単でマスターマニピュレータとスレーブマニピュレ
ータの座標（位置）整合が容易に行える。

【００７０】（第４実施形態）以下に図１１及び図１２
を参照して本発明の第４実施形態を説明する。ここでは
上記した第１〜第３実施形態で説明した構成と相違する
部分のみを説明する。

【００７１】図１１（Ａ）はスレーブマニピュレータ２
において、電源立ち上げ後における最初の機械的なキャ
リブレーション動作完了位置を示している。ここで座標
系は本来Ｘ−Ｙ−Ｚの３次元空間の座標を用いて表され
るが、説明を分かりやすくするためにここではＹの座標
を０とみなしてＸ−Ｚ座標系により説明を行う。

【００７２】最初の機械的キャリブレーション位置は原
点位置Ｏｓに対して左側把持部材７ａの先端０Ｌ０（Ｘ
＝−１４ｍｍ、Ｚ＝０）と右側把持部材７ｂの先端０Ｒ
０（Ｘ＝＋１４ｍｍ、Ｚ＝０）の位置であり、左側スレ
ーブマニピュレータ２ａと右側スレーブマニピュレータ
２ｂは平行した位置関係になる。

【００７３】前記機械的キャリブレーションが完了後、
左側スレーブマニピュレータ２ａと右側スレーブマニピ
ュレータ２ｂは、図１１（Ｂ）の操作開始位置を示す左
側把持部材７ａの先端０Ｌ１（Ｘ＝−１０ｍｍ、Ｚ＝
０）と右側把持部材７ｂの先端０Ｒ１（Ｘ＝＋１０ｍ
ｍ、Ｚ＝０）の位置に自動的に移動して内側に内傾斜し
た位置関係となる。

【００７４】ここで図１２を参照して操作開始処理に関
して説明する。ステップＳ２１で前記キャリブレーショ
ン動作が初期イニシャル動作として行われる。イニシャ
ル動作完了後ステップＳ２２に進む。

【００７５】ステップＳ２２では入力切替え手段２３の
ペダル２３ａがＯＮかどうかを判定している。ペダル２
３ａがＯＮでなければＳ２２に戻される。ペダル２３ａ
がＯＮ状態であれば次のステップＳ２３に進む。

【００７６】ステップＳ２３では左右のマスターマニピ
ュレータ３ａ、３ｂのハンドル部材１５ａ、１５ｂが操
作者によって両方閉じられているかどうかを判断してい
る。閉じられているならばマスターマニピュレータ３に
よってスレーブマニピュレータ２が遠隔操作開始とな
る。ただし両方のハンドル部材１５ａ、１５ｂが閉じら
れていない場合にはステップＳ２４に進む。

【００７７】ステップＳ２４ではペダル２３ａがＯＮ
（踏まれている）されている間、操作者に対して警告音
を鳴らし、次のステップＳ２５に進む。

【００７８】ステップＳ２５ではペダル２３ａがＯＦＦ
（踏まれていない）かどうかが判断される。ＯＮの状態
が続いていればステップＳ２４に戻される。また、ＯＦ
Ｆの場合はステップＳ２２に戻される。

【００７９】上記の構成によれば、操作開始時におい
て、左側スレーブマニピュレータ２ａと右側スレーブマ
ニピュレータ２ｂが内側に傾斜していることで左右の先
端把持部材７ａ、７ｂが左右のマニピュレータ本体の影
になることがないので、操作者は、左右の先端把持部材
７ａ、７ｂが良く見える（視界が開けて良く見える）こ
とから安全に操作を開始できる。また、操作者が左右の
マスターマニピュレータ３ａ、３ｂのハンドル部材１５
ａ、１５ｂを両方閉じなければ遠隔操作できないように
なっているので安全な操作開始を行うことが可能であ
る。

【００８０】すなわち上記した第４実施形態によれば、
実施の鉗子を使った操作開始時に近づけることで操作感
が向上するとともに、操作開示時のスレーブマニピュレ
ータ先端部の視界がロットの影になることがなく、先端
の状態が確認しやすくなる。

【００８１】また、操作者のマニピュレータ装置を操作
する意志を確実に確認して、安全にマニピュレータ装置
の操作を開始するとともに、キャリブレーション終了後
の狭い体腔内でもハンドル開閉を閉めた状態で安全に操
作開始出来る。

【００８２】なお、上記した具体的実施形態から以下の
ような構成の発明を抽出することが可能である。

【００８３】（１） 術野にアクセスするように設置さ
れたスレーブマニピュレータと、遠隔的に操作するマス
ターマニピュレータと、このマスターマニピュレータに
接続され、前記マスターマニピュレータの操作を電気的
に変換するマスター制御部と、前記スレーブマニピュレ
ータ及び前記マスター制御部にそれぞれ接続され、前記
マスター制御部から送られる前記マスターマニピュレー
タの操作に追従した動きを、前記スレーブマニピュレー
タに伝達する制御信号を出力するスレーブ制御部と、前
記スレーブマニピュレータが機械的動作範囲を越えた場
合、前記マスター制御部から前記スレーブ制御部に送る
指令値との差分を差し引いて座標の整合を行う復帰手段
を備えた事を特徴とするマニピュレータ制御装置。

【００８４】（２） （１）において、前記復帰手段と
共に前記スレーブマニピュレータの座標値を起動開始位
置に強制的に復帰させる原点復帰手段を備えた事を特徴
とするマニピュレータ制御装置。

【００８５】（３） （２）において、前記復帰手段と
原点復帰手段とを任意に選択可能な選択手段を備えたこ
とを特徴とするマニピュレータ制御装置。

【００８６】（４） 前記マスターマニピュレータと前
記スレーブマニピュレータの操作開始位置の位置合わせ
手段において、左右のスレーブマニピュレータ先端開始
位置を内傾斜させるオフセット手段を持たせたことを特
徴とする（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のマニ
ピュレータ制御装置。

【００８７】（５） 左右のハンドル開閉角が両方向閉
じられた情報をもとに、操作者の意志による操作開始で
ある事を判断する起動開始判断手段を備えたことを特徴
とする（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のマニピ
ュレータ制御装置。

【００８８】上記した（１）〜（３）によれば、操作途
中でもマニピュレータ装置を再起動することなくマスタ
ーマニピュレータの座標とスレーブマニピュレータの座
標を整合することが可能なマニピュレータ制御装置を提
供することができる。

【００８９】また、上記した（４）によれば、操作開始
時に先端部が術野の死角にならないようにして安全に操
作を開始できるマニピュレータ制御装置を提供すること
ができる。

【００９０】また、上記した（５）によれば、不用意な
誤操作を防ぎ、操作者の意志により安全にマスタースレ
ーブの操作を開始できるマニピュレータ制御装置を提供
することができる。

【００９１】

【発明の効果】本発明によれば、操作途中でもマニピュ
レータ装置を再起動することなくマスターマニピュレー
タの座標とスレーブマニピュレータの座標を整合するこ
とが可能なマニピュレータ制御装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態のマニピュレータ制御装
置１のシステム全体の概略構成を示す図である。

【図２】左側マスターマニピュレータ３ａに設けられた
ハンドル１０の詳細な構成及びハンドル１０の開閉操作
について説明するための図である。

【図３】先端把持部７周辺の詳細な構成を示す図であ
る。

【図４】本発明の第１実施形態のマニピュレータ制御装
置１のシステムの作用を説明するための図である。

【図５】マスターマニピュレータ３によるスレーブマニ
ピュレータ２の動作制御を可能にする動作範囲拡張操作
の詳細を説明するためのフローチャートである。

【図６】スレーブマニピュレータ２の動作範囲Ｂに対応
するマスターマニピュレータ３の動作範囲Ａの切換えに
ついて説明するための図である。

【図７】図１に示すマスター制御部２０の構成を示すブ
ロック図である。

【図８】本発明の第２実施形態の構成を示す図である。

【図９】原点復帰手段５３ｂによるスレーブマニピュレ
ータ２の原点復帰について説明するための図である。

【図１０】原点復帰処理の詳細を説明するためのフロー
チャートである。

【図１１】機械的キャリブレーション位置と操作開始位
置とを比較して示す図である。

【図１２】操作開始処理の詳細を説明するためのフロー
チャートである。

【図１３】従来の手術用マニピュレータシステムの概略
構成を示すものである。

【符号の説明】

１ マニピュレータ制御装置 ２ スレーブマニピュレータ ２ａ 左側スレーブマニピュレータ ２ｂ 右側スレーブマニピュレータ ３ マスターマニピュレータ ３ａ 左側マスターマニピュレータ ３ｂ 右側マスターマニピュレータ ４ 挿入部 ５ マニピュレータ本体 ６ スレーブ駆動部 ７ 先端把持部 １０ ハンドル １２ トッププレート ２０ マスター制御部 ２１ 位置検出装置 ２２ 演算回路 ２３ 入力切替え手段 ２３ａ ペダル ２３ｂ ペダル ２４ モニター ２５ スレーブ制御部 ２６ 駆動モータ ２７ モータ駆動回路（サーボユニット） ２８ 演算回路 ２９ 通信手段 ５１ 制御部 ５２ グラフィックボード ５３ 位置計算処理部 ５３ａ 復帰手段 ５３ｂ 原点復帰手段 ５４ ＣＧ処理部 ５５ ミキサー ５６ スコープ ５７ ＣＣＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 圭介 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 関 敬一 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 Ｆターム(参考） 3F059 AA10 BC07 CA02 CA06 CA08 DA02 DA05 DA08 DA10 DB04 DB08 DB09 EA01 EA05 FA03 FA05 FA10 FB01 FB16 FB26 FB29 FC02 FC04 FC08 FC09 FC13 FC14

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 術野で動作するスレーブマニピュレータ
   と、 前記スレーブマニピュレータを遠隔操作する操作部であ
   るマスターマニピュレータと、 前記マスターマニピュレータが前記スレーブマニピュレ
   ータの動作限界を越える動作を指示した後、前記マスタ
   ーマニピュレータの指示が再び前記スレーブマニピュレ
   ータの動作範囲に戻った際に、前記マスターマニピュレ
   ータの指示に対応する位置に、前記スレーブマニピュレ
   ータを復帰させる復帰位置を設定する復帰設定手段と、
   を備えたことを特徴とするマニピュレータ制御装置。
2. 【請求項２】 術野で動作するスレーブマニピュレータ
   と、 前記スレーブマニピュレータを遠隔操作する操作部であ
   るマスターマニピュレータと、 前記スレーブマニピュレータの動作範囲に対応するよう
   に前記マスターマニピュレータの操作範囲を複数段に切
   換える切換え手段と、 前記マスターマニピュレータが前記スレーブマニピュレ
   ータの動作限界を越える動作を指示した後、前記マスタ
   ーマニピュレータの指示が再びスレーブマニピュレータ
   の動作範囲に戻った際に、このマスターマニピュレータ
   の指示に対応する位置に、前記スレーブマニピュレータ
   を復帰させる復帰位置を設定する復帰設定手段と、を備
   えたことを特徴とするマニピュレータ制御装置。