JP2004129782A

JP2004129782A - 手術用マニピュレータおよびその操作入力装置

Info

Publication number: JP2004129782A
Application number: JP2002296307A
Authority: JP
Inventors: Fujio Tajima; 田島　不二夫; Koji Nishizawa; 西澤　幸司; Hirosuke Kishi; 岸　宏亮; Toshikazu Kawai; 河合　俊和; Yasuyuki Momoi; 桃井　康行; Kazutoshi Suga; 菅　和俊
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: JP3934524B2

Abstract

【課題】手術用マニピュレータにおいて、手術に用いる治療用術具や手術を行なう術者などに適した操作を可能にする。
【解決手段】手術用マニピュレータ１０は、着脱可能な術具１３ａおよび本体部１３ｂからなる操作マニピュレータ１３と、操作入力装置１１と、制御装置１２とを備える。操作入力装置１１は基本部１０２とこれに着脱可能可能な操作部１０１とを備える。基本部１０２は自由度を有する基本部入力機構１０２ａとこの動きを検出する基本部センサとを備える。操作部１０１は自由度を有する操作部入力機構１０１ａとこの動きを検出する操作部センサと操作把持部１１９と情報格納部１１１とを備える。基本部１０２と操作部１０１とは機械結合部１１４、１１５、電気結合部１１６、１１７および情報結合部１１２、１１３を介して結合される。制御装置１２は各センサおよび情報格納部１１１からの情報に基づいて操作マニピュレータ１３を制御する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、手術用マニピュレータおよびその操作入力装置に係り、特に循環器系、呼吸器系、脳・神経系、腹腔等の外科手術における術者の患部への治療行為を支援するための手術用マニピュレータおよびその操作入力装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内視鏡下手術など低侵襲手術と呼ばれる新しい術式が臨床適用される例が増えており、医師・患者双方がこれを受け入れて重要視する社会的コンセンサスが得られつつある。一方で、こういった内視鏡下手術が普及するのに伴い種々の高度治療用器具が開発されているが、それらを駆使して治療を行なうには豊富な臨床経験を持つ医師にとっても熟練が必要であった。また、それらの器具の操作は内視鏡からのごく限られた範囲の映像のみに頼るため医師の負担が大きかった。
【０００３】
そこで、成熟したロボット制御技術を元に上記各種器具を巧みに操る操作型マニピュレータシステムの開発が進められている。従来の手術用マニピュレータとしては、特許文献１に開示されたものがある。この手術用マニピュレータは、複数の処置具類が選択的に使用可能なスレーブマニピュレータと、このスレーブマニピュレータの各処置具類を操作する操作部を備えたマスターマニピュレータとを設けるとともに、マスターマニピュレータに操作部を着脱可能に連結する連結部を設け、前記スレーブマニピュレータで使用される処置具類に応じてマスターマニピュレータの連結部に連結される操作部を交換可能にしたものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−８７２８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
係る従来の手術用マニピュレータは、鉗子、剪刀といった処置具類に応じて操作部を交換できるので、これによる操作性の向上を図ることができる。しかしながら、この手術用マニピュレータにおいては、処置具の種類によってどのような運動が必要とされ、また、必要とされる動きを操作する際にどのような機構・形状の操作部が適切であるか、といった点に関して十分な開示がなされていない。この点について、以下に具体的に説明する。
【０００６】
術中における持針器、剪刀、メス等の各処置具の使用方法（即ち、それら自身の運動パターン）はそれぞれ異なるものである。従って、それらの操作性を考慮した使用方法を実現するために必要な操作部の機構動作自由度や可動範囲も異なるはずである。例えばメスを用いた切開操作の場合には、ある角度で刃を当てて引くことができれば十分であり、操作の際に必要な自由度は比較的少ないことが望ましい。これに対して、例えば持針器を用いた縫合操作の場合には、多くの自由度を有して協調的に動かすことによって実現できることが多い。このため、持針器を操作するのに十分な自由度・可動範囲の操作部を用いてメスによる切開操作をしようとした場合、本当なら動かしたくない方向（例えば刃の寝かせ角度の方向）への自由度を有することによって却って操作がし難くなるといったことも考えられる。
【０００７】
さらには、同じ処置具による同じ操作を行なう場合であっても、異なる術者がこれを行なう場合には、同一の操作部がそれぞれの術者にとって全く同じ使い勝手であるとは限らない。それぞれの術者にとって、身体的特性（腕や指の長さ、手の大きさ、握力、関節の可動範囲、各部筋力等々）の違いによって、自分にとっては使いやすい操作部というものがあるはずである。これは特に処置具を細かく操る数自由度の操作において顕著である。
【０００８】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、手術に用いる治療用術具や手術を行なう術者などに適した操作が可能な手術用マニピュレータおよびその操作入力装置を提供することにある。
【０００９】
本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、先端に着脱可能に装備される治療用術具および前記治療用術具を操作する本体部からなる操作マニピュレータと、前記操作マニピュレータを駆動するための情報を入力する操作入力装置と、前記操作入力装置からの情報に基づいて前記操作マニピュレータを制御する制御装置とを備えた手術用マニピュレータにおいて、前記入力装置は、基本部と、前記基本部に着脱可能に装備される操作部とを備え、前記基本部は、自由度を有する基本部入力機構と、前記基本部入力機構の動きを検出する基本部センサとを備え、前記操作部は、自由度を有する操作部入力機構と、前記操作部入力機構の先端に装備される操作把持部と、前記操作部入力機構の動きを検出する操作部センサと、機構情報、運動学情報、使用者情報および器具情報を保持する情報格納部とを備え、前記基本部と前記操作部とはそれぞれに有する機械結合部、電気結合部および情報結合部を介して結合され、前記制御装置は前記基本部センサ、前記操作部センサおよび前記情報格納部からの情報に基づいて前記操作マニピュレータを制御するように構成している。
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明は、先端に着脱可能に装備される治療用術具および前記治療用術具を操作する本体部からなる操作マニピュレータを制御する制御装置に、前記操作マニピュレータを制御するための情報を入力する操作入力装置において、基本部と、前記基本部に着脱可能に装備される操作部とを備え、前記基本部は、自由度を有する基本部入力機構と、前記基本部入力機構の動きを検出する基本部センサとを備え、前記操作部は、自由度を有する操作部入力機構と、前記操作部入力機構の先端に装備される操作把持部と、前記操作部入力機構の動きを検出する操作部センサと、機構情報、運動学情報、使用者情報および器具情報を保持する情報格納部とを備え、前記基本部と前記操作部とはそれぞれに有する機械結合部、電気結合部および情報結合部を介して結合され、前記基本部センサ、前記操作部センサおよび前記情報格納部はその情報を前記制御装置に接続される構成にしている。
【００１２】
本発明のその他の手段は以下の記述から明らかにされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を、図を用いて説明する。
【００１４】
本実施例の手術用マニピュレータ１０は、図１に示すように、操作マニピュレータ１３と、操作マニピュレータ１３を駆動するための情報を入力する操作入力装置１１と、操作入力装置１１からの情報に基づいて操作マニピュレータ１３を制御する制御装置１２とを備えて構成されている。
【００１５】
操作入力装置１１は、基本部１０２と、この基本部１０２に着脱可能に装備される操作部１０１とを備えて構成されている。
【００１６】
基本部１０２は、複数の動作自由度を有する基本部入力機構１０２ａと、基本部入力機構１０２ａの動きを検出する基本部センサ（図示せず）と、操作部１０１との結合部１０２ｂとを備えている。
【００１７】
基本部入力機構１０２ａは複数の関節１１ａ（具体的には三つの回転関節）を有して構成されている。また、基本部入力機構１０２ａは、一側に操作制御部１０６が接続され、他側に結合部１０２ｂが設けられている。結合部１０２ｂは、情報結合部１１３、機械結合部１１５および電気接合部１１７を備えて構成されている。
【００１８】
操作部１０１は、複数の動作自由度を有する操作部入力機構１０１ａと、基本部入力機構１０１ａの動きを検出する操作部センサ（図示せず）と、基本部１０２との結合部１０１ｂと、術者が直接操作するための操作把持部１１９と、操作部１０１の固有の情報を格納した情報格納部１１１とを備えている。
【００１９】
操作部入力機構１０１ａは複数の関節１１ａ（具体的には三つの回転関節）を有して構成されている。また、操作部入力機構１０１ａは、一側に操作把持部１１９が接続され、他側に結合部１０１ｂが設けられている。結合部１０１ｂは、情報結合部１１２、機械結合部１１４および電気接合部１１６を備えて構成されている。情報結合部１１２、機械結合部１１４および電気接合部１１６は、基本部１０２の側の情報結合部１１３、機械結合部１１５および電気接合部１１７と着脱可能に構成されている。
【００２０】
制御装置１２は、統括制御部１０４と、マニピュレータ駆動回路１０５と、操作制御部１０６とが接続されることにより構成されると共に、基本部１０２および操作マニピュレータ１３に接続されている。また、制御装置１２は、基本部センサ、操作部センサおよび情報格納部１１１からの情報に基づいて操作マニピュレータ１３を制御するように構成されている。統括制御部１０４には情報提示部１１８が設けられている。
【００２１】
統括制御部１０４と操作制御部１０６との間ではマニピュレータ操作情報および帰還情報の流れ１０７が生じる。また、統括制御部１０４とマニピュレータ駆動回路１０５との間ではマニピュレータ制御情報および動作情報の流れ１０８が生じる。さらに、マニピュレータ駆動回路１０５と操作マニピュレータ１３との間ではマニピュレータ駆動電流および動作検出信号の流れ１０９が生じる。
【００２２】
操作マニピュレータ１３は、手術対象者１１０を手術するために先端に着脱可能に装備される治療用術具１３ａと、治療用術具１３ａを操作する本体部１３ｂとから構成されている。操作マニピュレータ１３はマニピュレータ駆動回路１０５に接続されている。
【００２３】
図１中の操作入力装置１１における二重丸や２つの三角形は、リンク機構の回転関節１１ａを模式的に表すものである。前者１１ａの回転軸は紙面に垂直で円の中心に位置し、後者１１ａの回転軸は紙面に平行で２つの三角形の接点を通る垂線に位置する。これらの関節１１ａにはそれぞれエンコーダやポテンショメータといった角度センサ（図示せず）が取り付けられ各関節の角度情報を検出できるようになっている。
【００２４】
なお、全ての関節１１ａが回転関節である必要はない。また、操作入力装置１１の全体の自由度もしくは関節の数は特に制限されるものではないが、剛体運動の全自由度に対して操作入力するという観点から考えると、少なくとも独立な３方向の並進と３方向の姿勢変化を生ぜしめる対偶が存在する必要がある。並進と姿勢変化の自由度は必ずしも分離されている必要はないが、先端で細かい作業をする場合の操作入力に際してはそれらが分離した構成で提供されると操作上の都合がよい。
【００２５】
基本部１０２、操作部１０１のそれぞれに対して無限の組み合わせの関節構成、自由度構成が考えられるが、ここでは煩雑を避けるため図１に示すようなリンク機構の一例をあげるに留める。操作入力は通常操作部１０１と基本部１０２が結合された状態で行われる。
【００２６】
次に、操作入力装置１１から操作指令が入力され、操作マニピュレータ１３によって手術が実現されるまでの概略を説明する。
【００２７】
操作部１０１と基本部１０２とが結合された状態の操作入力装置１１から入力された操作指令は、各々の関節１１ａにある角度センサによって各関節１１ａの動きとして検出される。但し、関節１１ａが直動関節の場合は並進センサによって検出される。操作入力装置１１の操作入力は、各関節１１ａの角度等の変位を検出する方法の代わりに、把持部１１９の剛体運動を光学計測装置等のセンサによって直接計測する方法を用いてもよい。
【００２８】
操作制御部１０６は、これらのセンサによって検出した動きを集約して統括制御部１０４に伝送する（マニピュレータ操作情報の流れ１０７参照）。操作入力装置１１の自由度構成と操作される操作マニピュレータ１３の自由度構成が異なっている場合は、運動学演算を行い、操作入力装置１１（マスタ側）と操作マニピュレータ１３（スレーブ側）の運動を対応させる必要がある。本実施例の運動学演算は、マスタスレーブマニピュレータシステムに一般的に用いられている作業座標における先端運動を対応させる方式を採用している。この運動学演算は操作制御部１０６で行って統括制御部１０４に演算結果（作業座標上での先端位置姿勢指令）を伝送するようにしているが、操作制御部１０６から操作入力装置１１の各関節変位情報を受け取った統括制御装置１０４が行なうようにしてもよい。
【００２９】
操作指令など各種情報の伝達に際してはセンサの検出した物理量（たとえば角度に比例した電圧を検出しているのならば、電圧）そのままを伝達してもよいし、計算機内での表現に変換した形のものをやりとりしてもよい。例えばメモリ空間の共有や、各種アナログ通信方式やディジタル通信方式のうちのいずれかを選択してもよい。また、たとえば伝送手段や媒体も電流・電波・赤外線や光など電磁波全般・音波や圧力変動等、変化を発生および検出可能ないかなる媒体を選択してもよい。本実施例では常套的に取り得る方法すなわち電気信号を用いるものとし、それについて詳述することはしない。
【００３０】
統括制御部１０４は、操作制御部１０６から伝達された操作指令を受け取ると、必要に応じて運動学演算を行い、操作マニピュレータ１３の各関節の目標値を計算する。これと同時に統括制御部１０４は操作マニピュレータ１３の現在の各関節変位およびその高階微分量を駆動回路１０５を介して獲得し、操作指令との間で制御演算を行なう。そして、統括制御部１０４は、その演算結果を操作マニピュレータ１３の各関節を駆動するためのマニピュレータ駆動回路１０５へ指令して、操作入力装置１１から指令された運動を実現するために必要なトルクもしくは力が発生するべく適切な駆動電流・電圧を各関節に備えられたアクチュエータに与える。
【００３１】
なお、操作マニピュレータ１３の現在の各関節変位およびその高階微分量は駆動回路１０５を介さずに検出するようにしてもよい。また、係る関節変位を検出する代わりに、光学計測装置などを用いて治療用術具１３ａの剛体運動としての位置姿勢を直接検出するようにしてもよい。さらには、操作マニピュレータ１３の制御演算は関節変位で行なう他に作業座標すなわち空間座標を基準として行なう方法も考えられる。
【００３２】
操作マニピュレータ１３に望む運動が動的で、指令された軌道に対して高い追従精度が求められる場合には、操作マニピュレータ１３の駆動トルクを演算する際に動力学を考慮した演算を行いフィードフォワードする必要もある。操作マニピュレータ１３の関節を駆動するアクチュエータは電流や電圧以外に、空気圧や水圧などの差動流体を用いて駆動されるものも考えられる。
【００３３】
マニピュレータ駆動回路１０５は、指令された通りに操作マニピュレータ１３の各関節が動作するように、各関節に装備されているアクチュエータに対して電流や電圧等の形でエネルギーを与える。これによって、操作マニピュレータ１３は、各関節に駆動電流・電圧が印加されて統括制御部１０４の計画した通りに動作しようとし、手術操作対象１１０との相対運動を生ぜしめる。
【００３４】
各関節の動作か治療用術具１３ａの動作の少なくともいずれかの情報が操作入力装置１１の側と同様の方式で検出される。運動の結果であるこの情報は、新たにマニピュレータ駆動回路１０５と統括制御部１０４に即時に伝送される。統括制御部１０４はこの伝送された情報に基づいてフィードバック制御を行なう。即ち、外乱やノイズや各種パラメータ変動などの理由により必ずしも統括制御部１０４の計画した通りの手技・操作が実現されるとは限らないので、操作マニピュレータ１３とマニピュレータ駆動回路１０５との間や操作マニピュレータ１３と統括制御装置１０４との間でフィードバック制御が行なわれる。
【００３５】
次に、操作入力装置１１の操作部１０１の詳細について説明する。
【００３６】
操作部１０１と基本部１０２との間は、情報結合部１１２、１１３、機械結合部１１４、１１５、および電気結合部１１６、１１７の３通りの結合で構成されている。
【００３７】
情報結合部１１２、１１３は、操作部１０１に関する情報を保持している情報格納部１１１の中の情報を、操作制御部１０６を介して統括制御部１０５へ伝えるための結合部分である。その結合方式は直接電気的に接触するものでもよいし、赤外線や光、電磁波などで非接触に情報のやり取りができる実装となっていてもよい。
【００３８】
機械結合部１１４、１１５は操作部１０１と基本部１０２との相対位置姿勢が時不変であるように適当な強度を以って結合されている。この結合は、単なる嵌合（ただし、嵌め合い方向にしか自由度はなく、かつ嵌め合い摩擦は操作部１０１の操作力を十分上回っているものとする）でもよいし、嵌合に加えてキーのようなものを共通の溝に嵌める形式でもよく、あるいは螺子などによって結合されるものであってもよい。上記のキーがばねなどの弾性体で溝に押し付けられ、分離の際は押し付けられたキーの引っかかりが小片を押すことによって解消する構造でもよい。
【００３９】
電気結合部１１６、１１７は、操作部１０１の各関節変位センサの信号を、基本部１０２を介して操作制御部１０６に伝えるための端子と、操作制御部１０６から基本部１０２を介して操作部１０１の各関節を駆動するアクチュエータへの駆動エネルギー（電流など）を供給するための端子とからなる。端子内の信号の配置関係は同じ製作者の手になる全ての操作入力装置１１において統一されているものとする。
【００４０】
操作部１０１と基本部１０２とが機械結合部によって正しく結合された場合には、情報結合部１１２、１１３並びに電気結合部１１６、１１７が必ず正しく結合されるように位置関係等が設定されている。なお、結合時および結合後に結合点において生じる力およびモーメントは機械結合部１１４、１１５が受けるものとし、情報結合部１１２、１１３並びに電気結合部１１６、１１７が余計な力を受けてその結合状況を損なうことのないように構成されている。
【００４１】
次に、操作部１０１の交換に関して説明する。操作部１０１の交換が実際に起こるのは、統括制御装置が交換を推奨したとき、統括制御装置が交換を推奨したときなどである。
【００４２】
術者が交換を望んだときには、術者がペダル等の入力装置（図示せず）を操作することによって交換の意志が統括制御部１０４に伝えられるようになっている。これが伝えられると、情報提示部１１８に表示されて使用者に通知される。
【００４３】
また、統括制御部１０４は、術具の種類や用途をデータベースと術具自身の持つ基本情報（図示せず）によって認識・管理しており、常に治療用術具１３ａと操作入力装置１１との適合性をチェックしている。これによって、統括制御装置１０４は、操作部１０１の交換を推奨することができ、例えば治療用術具１３ａと操作部１０１との対応不一致、操作部１０１の故障などが検出されたときに、自動的に交換の推奨ができる。
【００４４】
術具交換等の状況変化は非同期に統括制御部１０４に通知される。また、それとは別に統括制御部１０４は非常に短い周期でシステム各部の状態を把握するための各種センサ情報の取り込みと解釈を行っている。これによって、上述した統括制御部１０４による交換の推奨は、条件が揃った時点で生じることがありうる。その場合には情報提示部１１８を介して交換の推奨が使用者に通知される。
【００４５】
基本部１０２は、交換の最中、位置姿勢を変えないように統括制御部１０４によって指令され、操作制御部１０６によってロックされる。このロックは、ブレーキによるものでもよいし、反力発生のために各関節に装備されているアクチュエータなどを利用して発生させてもよい。アクチュエータは電磁力を利用するいわゆるサーボモータと呼ばれるものを始めとしてさまざまな種類のモータが利用しうる。また、空気圧や水圧などを利用したアクチュエータを用いてもよい。
【００４６】
次に、操作入力装置１１の操作部１０１の情報格納部１１１に格納される内容について図２を参照しながら順次説明する。なお、情報格納部１１１の実体はシステム動作中に挿抜可能で、特定の信号路規格に基づいた実装のされている記憶装置である。
【００４７】
図２は情報格納部１１１の内部に保持される情報の構成例である。この情報は以下に述べるように構成され、図２に示された内容で記憶されている。図中の表記は、記憶される情報の内容を説明するために表形式にしており、項番などが記述されているが、実際には計算機の実装上都合のよい表現に置き換えられて記憶されている。
【００４８】
領域２０１は使用者情報を保持する領域の構成例である。この領域２０１の情報はその操作部１０１を使用できる使用者に関する情報であり、氏名や年齢といった情報のほか、この部分を用いた手術の履歴（回数や適用術式など）の情報が記録されている。これらは個人情報に属するものであり暗号化されて記録されている。
【００４９】
また、使用者が正当であるかどうかを認証するための情報も暗号化されて記録されている。結合の際に認証操作情報は統括制御部１０４に伝えられ平文化される。さらに使用者は使用開始の際にこの操作部１０１の機構を利用して特定の動作を入力する（たとえば先端の自由度を左右に３回ひねり、術具１３ａの開閉操作を２回行なうといったもの）。これが平文化された認証操作情報と照合され、入力された操作が同じと判断されると正当な使用者であるとの認証がなされる。
【００５０】
領域２０２は推奨術具情報の領域の構成例であり、操作部１０１で操作するのに適した術具の種類（名称）、自由度、主な操作の内容が記述されている。
【００５１】
領域２０３は機構情報の領域であり、操作部１０１の機構構成（関節の数や、リンク間の対偶すなわち自由度の種類、リンク連鎖すなわち関節前後のリンク番号、術具操作用の開閉機構などの構成）が記述されている。なお、基本部１０２の情報は操作制御部１０６が保持している。
【００５２】
領域２０４は運動学情報の領域の構成例であり、上記機構情報で示された関節自由度構成のうち、操作入力に必要な情報である。この領域２０４はたとえば文献［ロボット・マニピュレータ、コロナ社（１９８４）］のＰ．５１〜Ｐ．５３に記述されている、リンク間の座標変換を同次変換行列で表すのに必要なリンクパラメータの形で情報を保持している。
【００５３】
リンクごとに付随する座標配置、およびリンクパラメータの定義は図３に示すように行なわれる。図３において３０１はｉ−１番目の関節、３０２はｉ−１番目のリンク、３０３はｉ番目の関節、３０４はｉ番目のリンク、３０５はｉ＋１番目の関節である。関節およびリンクは０から数える。土台となるリンクすなわちここでは基本部１０２と結合するリンクは０番目のリンクとし、ｉ−１番目のリンクとｉ番目のリンクをつなぐ関節をｉ番目の関節と呼ぶ。
【００５４】
操作部１０１の機構の各自由度の情報を図３に示すようにリンク長さａ、リンク間角度θ、座標のｚ軸間の距離ｄおよびねじれ角αの形で持つ。関節が回転関節の場合はθが変数となり、直動関節の場合はｄが変数となる。その他の値は時不変の値となる。いずれの場合も関節の種類、および以上４つの値のうちその関節の種類において時不変なものが既知であればリンク間の座標変換に関する記述が可能となり、このとき座標間の変換行列は次のように記述できる。
【００５５】
【数１】

【００５６】
ただし、直動関節の場合は数１においてａ＝０である。リンクの根元から先端への座標変換行列はリンク付随の座標間の変換行列を順次掛け合わせることで求められる。これを用いることで運動学や動力学を求解可能となる。なお、操作部１０１の座標の原点は第一の関節の中心位置とし、機械結合部の中心位置からの位置姿勢の変化量（オフセット）は別途同次変換行列の要素として保持する。
【００５７】
なお、４ｘ４の行列要素のうち、保持する必要があるのは座標軸の２方向の方向余弦を示す６要素（残りの１方向は既知の２方向の方向余弦の外積を取ることで求められる）と位置を表す３要素、合わせて９要素である。これらは同次変換行列のａ１１、ａ２１、ａ３１、ａ１２、ａ２２、ａ３２、ａ１４、ａ２４、ａ３４要素であり（ただし、行・列ともに１から数える）、情報格納部１１１の中に保持されている。
【００５８】
操作制御部１０６には基本部１０２の先端までの座標変換に関する情報が同次変換行列を構成できる情報の形で保持されているので、操作入力装置１１全体の座標変換の情報は基本部１０２の後ろに操作部１０１の行列をかけることで容易に求められる。
【００５９】
領域２０５は動力学情報を保持する領域の構成例である。操作入力装置１１と操作マニピュレータ１３との関係をバイラテラル（力および運動の伝達に関して対称）にする場合、特にマスタの方にも動的補償が必要になる場合がある。その際の動的制御（計算トルク法と呼ばれる）をなす際には操作入力装置１１の動力学情報が必要になり、操作部１０１には自分自身の情報が格納され、交換により操作入力装置１１が再構成された場合には直ちにその情報を統括制御部１０４へ伝達する必要がある。
【００６０】
この場合の動力学情報は運動学情報において定義された各リンクに付随した座標に関する慣性モーメント行列の各要素の値Ｉｘｘ、Ｉｙｙ、Ｉｚｚおよび慣性乗積Ｉｘｙ、Ｉｙｚ、Ｉｚｘ（インデックスの順序は可換）、リンク質量ｍ、そのリンクに付随した座標からみた重心位置（ｘｇ、ｙｇ、ｚｇ）である。これらの情報をもとに必要なトルクを計算し、各関節に装備されたアクチュエータによって計算されたトルクを発生することによって、操作入力装置１１に所望の動作をさせることが可能になる。なお、基本部１０２の情報は操作制御部１０６が保持している。
【００６１】
領域２０６は制御情報領域の構成例である。前記の動力学情報に基づいて計算されたトルクを各関節に発生させることができても、外乱やさまざまなパラメータ変動などにより所望の計画軌道から外れた運動になることは往々にして起こる。そういった場合は関節角情報もしくは先端位置姿勢情報などに基づき、計画された軌道との誤差を極小にする制御を行なう必要がある。
最も一般的には各関節に比例（Ｐ）・微分（Ｄ）・積分（Ｉ）制御のフィードバックループを構成することであり、ＰＩＤの各補償要素のパラメータをさまざまな手法により適切に設定することができる。このパラメータ（時不変とは限らない）により制御性能が決定されるが、パラメータ自身はアクチュエータの出力制限や、所望の追従特性などの設定によって、必ずしも一意に決まるものではない。いわば使用状況に応じて調整されるものである。
【００６２】
これらのパラメータを記憶しておくことにより、操作制御部が適切な駆動電流を操作部１０１の各関節アクチュエータに与えることができる。なお、制御規則の例としてＰＩＤ制御を挙げたが、これが唯一ではなく、適応制御やＨ∞制御などのロバストな制御規則を適用することももちろん可能である。また、基本部１０２の情報は操作制御部１０６が保持している。
【００６３】
操作部１０１において剛性制御、倣い制御などインピーダンス制御で総称されるような力反射を実現する場合、もしくは単に操作しやすさを考え使用者に手ごたえを与えるために操作入力装置１１に反力を発生させ操作者に提示することも考えられる。その際に操作者が好むパラメータを記録しておくことにより自動的に操作入力装置１１を最適に設定することができる。パラメータとしては各関節における剛性ｋ、粘性ｃ、仮想慣性ｍがあり、これらを保持する。
【００６４】
各関節においてインピーダンスを付与するために発生するトルクτをτ＝　ｍ・ｄ^２θ／ｄｔ^２　＋　ｃ・ｄθ／ｄｔ　＋　ｋ（θ−θ_０）として定める（θ_０は関節の基準位置）。把持部分において実現するインピーダンスＦはヤコビアン行列Ｊ（一般的には６×６）でτ　＝　Ｊ^ＴＦをもとに操作入力装置１１の各関節のトルクτから計算される。
【００６５】
Ｆ、ｘ、τはここでは６次のベクトルである。ｘは基準座標に関するｘ、ｙ、ｚ方向の変位、およびｘ、ｙ、ｚ軸まわりの回転角を要素とし、Ｆはそれらの変位方向に関する力およびトルクである。τは各関節のトルクからなるベクトルであるが機構の冗長度によってその次数が変化する。
【００６６】
以上により操作入力装置１１はｍ、ｃ、ｋを調整することにより必要な機械的インピーダンスをその把持部分において実現することができる。なお、アクチュエータによる反力の発生・提示を行なわない場合もあり、その場合はカウンタバランス（慣性）やバネ（弾性）、ダッシュポッド（粘性）などで作業のしやすい手ごたえを実現し、操作部１０１の結合時にはリンクの質量や慣性モーメント等のパラメータとして操作制御部１０６および統括制御部１０４に通知されるものとする。
【００６７】
以上の領域のうちで使用者情報領域２０１は書き換え可能であり、使用者が求めた場合には結合時に統括制御部１０４を介して書き換えを行なうことができる。また、制御情報領域２０６のインピーダンス係数も統括制御部１０４とその情報提示部１１８を通じてパラメータの微調整が可能である。情報提示部１１８にはキーボード、マウス、ダイアル、タッチパネルといった入力装置（図示せず）が付属しておりこれらを打ったり回したりすることによって各関節のインピーダンス係数値が変化するようなインターフェイスプログラムが実行されている。その他の領域の情報は製作時に入力され、以後はユーザが直接これを書き換えることはできないようになっている。
【００６８】
以上に述べてきた各種パラメータを保持するのにはさほど大容量の記憶装置は不要であり、情報格納部１１１はごく小さな記憶素子とそれに付属する小規模な回路で実現できる。かつこれには計算機の可搬型外部記憶装置としてすでに市中に出回っている汎用的な製品技術が利用可能である。
【００６９】
以上のように構成された手術用マニピュレータ１０には次のような利点がある。
１）個々の使用者が自分の使いやすい操作入力装置１１を使える。また、特にある手技（切開、針刺し、糸かけ、組織の摘み取り、等々）を行なう際に必要な操作部１０１を交換することで、その作業に最適な操作入力装置１１を用いることができる。
２）操作部１０１の保持する情報を利用することで、個々の使用者に対して自動的に最も使いやすい操作入力環境が提供できる。
３）特に術具操作において重要な姿勢入力部分を交換可能にした場合、以上の構成によってこれを操作者や操作内容に対して最適化することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、手術に用いる治療用術具や手術を行なう術者などに適した操作が可能な手術用マニピュレータおよびその操作入力装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す手術用マニピュレータの構成図である。
【図２】図１の手術用マニピュレータの情報格納部に保持される情報領域の構成例を示す図である。
【図３】図１の手術用マニピュレータにおけるリンクごとの座標配置およびリンクパラメータの定義を説明する図である。
【符号の説明】
１０…手術用マニピュレータ、１１…操作入力装置、１１ａ…関節、１２…制御装置、１３…操作マニピュレータ、１３ａ…治療用術具、１３ｂ…本体部、１０１…操作部、１０１ａ…操作部入力機構、１０１ｂ…結合部、１０２…基本部、１０２ａ…基本部入力機構、１０２ｂ…結合部、１０４…統括制御部、１０５…マニピュレータ駆動回路、１０６…操作制御部、１０７…マニピュレータ操作情報および帰還情報の流れ、１０８…マニピュレータ制御情報および動作情報の流れ、１０９…マニピュレータ駆動電流および動作検出信号の流れ、１１０…手術操作対象、１１１…情報格納部、１１２、１１３…情報結合部、１１４、１１５…機械結合部、１１６、１１７…電気接合部、１１８…情報提示部、１１９…操作把持部、２０１…使用者情報を保持する領域の構成例、２０２…推奨術具情報の領域の構成例、２０３…機構情報の領域、２０４…運動学情報の領域の構成例、２０５…動力学情報を保持する領域の構成例、２０６…制御情報領域の構成例、３０１…ｉ−１番目の関節、３０２…ｉ−１番目のリンク、３０３…ｉ番目の関節、３０４…ｉ番目のリンク、３０５…ｉ＋１番目の関節。

Claims

先端に着脱可能に装備される治療用術具および前記治療用術具を操作する本体部からなる操作マニピュレータと、
前記操作マニピュレータを駆動するための情報を入力する操作入力装置と、
前記操作入力装置からの情報に基づいて前記操作マニピュレータを制御する制御装置とを備え、
前記操作入力装置は、基本部と、前記基本部に着脱可能に装備される操作部とを備え、
前記基本部は、自由度を有する基本部入力機構と、前記基本部入力機構の動きを検出する基本部センサとを備え、
前記操作部は、自由度を有する操作部入力機構と、前記操作部入力機構の先端に装備される操作把持部と、前記操作部入力機構の動きを検出する操作部センサと、機構情報、運動学情報、使用者情報および器具情報を保持する情報格納部とを備え、
前記基本部と前記操作部とはそれぞれに有する機械結合部、電気結合部および情報結合部を介して結合され、
前記制御装置は前記基本部センサ、前記操作部センサおよび前記情報格納部からの情報に基づいて前記操作マニピュレータを制御するように構成した
ことを特徴とする手術用マニピュレータ。
請求項１において、前記基本部入力機構および前記操作部入力機構は複数の自由度をそれぞれに有することを特徴とする手術用マニピュレータ。
請求項１または２の何れかにおいて、前記情報格納部は前記操作部の動力学情報および制御情報を格納していることを特徴とする手術用マニピュレータ。
先端に着脱可能に装備される治療用術具および前記治療用術具を操作する本体部からなる操作マニピュレータを制御する制御装置に、前記操作マニピュレータを制御するための情報を入力する操作入力装置において、
基本部と、前記基本部に着脱可能に装備される操作部とを備え、
前記基本部は、自由度を有する基本部入力機構と、前記基本部入力機構の動きを検出する基本部センサとを備え、
前記操作部は、自由度を有する操作部入力機構と、前記操作部入力機構の先端に装備される操作把持部と、前記操作部入力機構の動きを検出する操作部センサと、機構情報、運動学情報、使用者情報および器具情報を保持する情報格納部とを備え、
前記基本部と前記操作部とはそれぞれに有する機械結合部、電気結合部および情報結合部を介して結合され、
前記基本部センサ、前記操作部センサおよび前記情報格納部はその情報を前記制御装置に接続される
ことを特徴とする手術用マニピュレータの操作入力装置。
請求項４において、前記基本部入力機構および前記操作部入力機構は複数の自由度をそれぞれに有することを特徴とする手術用マニピュレータの操作入力装置。
請求項４または５の何れかにおいて、前記情報格納部は前記操作部の動力学情報および制御情報を格納していることを特徴とする手術用マニピュレータの操作入力装置。