JP2012071406A - マスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置を次のように構成する。マスタマニピュレータに操作者3の手が位置しているか否かを検出する接触センサ311R,311Lと、接触センサ331R,331Lによって、マスタマニピュレータに操作者3の手が位置していないことが検出された場合に、マスタマニピュレータの姿勢を、スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、マスタマニピュレータを移動させる制御を行うマスタ制御回路300と、を具備させる。
【選択図】図1
Description
具体的には、マスタ・スレーブ方式の医療用マニピュレータシステムでは、マスタマニピュレータを操作することでスレーブマニピュレータに所望の動作をさせる。従って、マスタマニピュレータの姿勢とスレーブマニピュレータの姿勢とが一致してない状態での操作においては、その操作の直感性が失われており、操作者が意図せぬ方向にスレーブマニピュレータを動かしてしまう可能性がある。
従って、マスタマニピュレータの姿勢とスレーブマニピュレータの姿勢とが“ずれた状態”での操作を防止する為に、それらの姿勢を一致させる処理が必要になる。
・操作に係るマスタマニピュレータの姿勢と、操作対象のスレーブマニピュレータの姿勢とがずれてしまった場合(マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータとが一対一で対応する構成であっても姿勢合わせ処理は必要となり得る)。
・一つのマスタマニピュレータで複数のスレーブマニピュレータを操作する場合であって、操作対象のスレーブマニピュレータを切替えた場合(マスタマニピュレータの姿勢を、新たな操作対象のスレーブマニピュレータの姿勢に対応させなくてはならない)。
すなわち、特許文献1には、所定のスイッチが投入されるとマスタマニピュレータに取付けられたアクチュエータが駆動され、このアクチュエータによってマスタマニピュレータの姿勢がスレーブマニピュレータの姿勢に合わせられるマスタ・スレーブ方式マニピュレータが開示されている。
マスタマニピュレータから出力された操作信号に基づいて、スレーブマニピュレータを動作制御するマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置であって、
前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置しているか否かを検出する検出部と、
前記検出部によって、前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置していないことが検出された場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う制御部と、
を具備することを特徴とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第2の態様によるマスタ・スレーブ方式の制御方法は、
マスタマニピュレータから出力された操作信号に基づいて、スレーブマニピュレータを動作制御するマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御方法であって、
前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置しているか否かを検出する検出し、
前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置していないことを検出した場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う、
ことを特徴とする。
ここで、マスタ・スレーブ方式の医療用マニピュレータシステムとは、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータとからなる2種のアームを有し、マスタマニピュレータの動作に追従させるようにしてスレーブマニピュレータを遠隔制御するシステムを指す。
[第1実施形態]
図1は、本第1実施形態に係る医療用マニピュレータシステムの一構成例を示す図である。
前記スレーブマニピュレータ515−1,515−2,515−3は、それぞれ複数の多自由度関節を有する。スレーブマニピュレータ515−1,515−2,515−3は、各関節を湾曲させることによって、手術台100に載置された患者1に対してスレーブマニピュレータ515−1,515−2,515−3の先端側(患者1の体腔に近い側)に装着された処置具や観察器具等の各種術具を位置決めする。
前記マスタマニピュレータ351R,351Lは、複数のリンク機構で構成されている。リンク機構を構成する各リンクには例えばインクリメンタルエンコーダ等の位置検出器が設けられている。この位置検出器によって各リンクの動作を検知することで、マスタマニピュレータ351R,351Lの操作量がマスタ制御回路300において検出される。
つまり、本例では、2本のマスタマニピュレータ351R,351Lを用いて3本のスレーブマニピュレータ515−1,515−2,515−3を操作する。従って、実際の処置の際には、マスタマニピュレータの操作対象のスレーブマニピュレータを切り替えることで、一本のマスタマニピュレータを用いて複数のスレーブマニピュレータを操作することになる。この操作対象のスレーブマニピュレータを切り替える操作は、例えば操作者3によって操作卓301に設けられた切替スイッチ331R、331Lを用いて行われる。
《切替スイッチ331Rについて》
マスタマニピュレータ351Rによる操作対象のスレーブマニピュレータは、スレーブマニピュレータ555−1とスレーブマニピュレータ555−3とに設定されている。
《切替スイッチ331Lについて》
本例では、マスタマニピュレータ351Lによる操作対象のスレーブマニピュレータは、スレーブマニピュレータ555−2に設定されている。
以下、切替スイッチ331Rによる切替処理と、切替スイッチ331Lによる切替処理とを、それぞれ説明する。
《切替スイッチ331Rによる切替処理》
本例では、操作者3によるマスタマニピュレータ351Rの操作によってスレーブマニピュレータ515−1が動作している状態で、切替スイッチ331Rが投入される状況を想定する。
前記ステップS2においてマスタ側機器とスレーブ側機器との接続を切断した後、マスタ制御回路300は、メッセージ表示A(操作者3に対して“手をマスタマニピュレータ351Rから離すように”との指示表示)を操作者用ディスプレイ900aに表示させる制御信号を、スレーブ制御回路500に送信する(ステップS3)。
つまり、操作者視線とマスタマニピュレータの姿勢との関係と、観察用マニピュレータに搭載された観察手段(例えば電子内視鏡)とスレーブマニピュレータの姿勢との関係を一致させればよい。これにより、操作者はスレーブマニピュレータを自分の手で操作しているように感じる為、直感的な操作が可能となる。なお、マスタマニピュレータの姿勢とスレーブマニピュレータの姿勢とを合わせる処理自体は公知の技術であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
《切替スイッチ331Lによる切替処理》
本例では、操作者3によるマスタマニピュレータ351Lの操作によってスレーブマニピュレータ515−2が動作している状態で、切替スイッチ331Lが投入される状況を想定する。
前記ステップS2においてマスタ側機器とスレーブ側機器との接続を切断した後、マスタ制御回路300は、メッセージ表示A(操作者3に対して“手をマスタマニピュレータ351Lから離すように”との指示表示)を操作者用ディスプレイ900aに表示させる制御信号を、スレーブ制御回路500に送信する(ステップS3)。
なお、上述の例では切替スイッチ331R,331L及び切断スイッチ331Cをフットスイッチとして設けているが、操作者3が手で操作するスイッチとして設けても勿論よい。
本第1実施形態は上述した態様に限定されるものではなく、本第1実施形態の要旨の範囲内で、例えば次のような変形及び応用が可能なことは勿論である。
[変形例]
以下、前記第1実施形態の一変形例に係るマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置及びその制御方法について説明する。説明の重複を避ける為、前記第1実施形態との相違点を説明する。
ところで、上述したように切断スイッチ331Cは、操作者3が足で操作するフットスイッチとして設けられているので、操作者3は操作中のマスタマニピュレータから手を離さずに、切断スイッチ331Cを投入することができる。なお、切断スイッチ331Cを操作者3が手で操作するスイッチとして設けた場合であっても、切断スイッチ331Cの投入時に操作者3がマスタマニピュレータから手を離すことにより生じる不都合はない。すなわち、操作者3が手を離した状態のマスタマニピュレータは不動状態となる為、操作対象のスレーブマニピュレータも当然ながら不動状態となるからである。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態に係るマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置及びその制御方法について説明する。説明の重複を避ける為、前記第1実施形態との相違点を説明する。本第2実施形態では、操作者3が切替操作の為に切替スイッチを操作するときには、必ずその手がマスタマニピュレータから離れるように構成する。
《マスタ側の構成例(1)》
図4は、本第2実施形態に係る医療用マニピュレータシステムにおけるマスタ側の一構成例を示す図である。同図に示す例では、クラッチ操作スイッチである切替スイッチ333R,333Lを、操作卓301の左右両端部位に配設している。このように構成することで、操作者3は、クラッチ操作を行うときには必ずマスタマニピュレータ351R,351Lから手が離れることになる。
《マスタ側の構成例(2)》
図5は、本第2実施形態に係る医療用マニピュレータシステムにおけるマスタ側の一構成例を示す図である。同図に示す例では、操作スイッチである切替スイッチ333Rを操作者3が右手でのみ操作可能な態様で操作卓301に配設し、切替スイッチ333Lを操作者3が左手でのみ操作可能な態様で操作卓301に配設している。
まず、切替スイッチ333R或いは切替スイッチ333Lの投入(ステップS1)によりマスタ側とスレーブ側との接続が切断されると(ステップS2)、マスタ制御回路300は、前記記憶手段(不図示)に記憶された“切替処理の内容”に基づいて、投入された切替スイッチ(切替スイッチ333R或いは切替スイッチ333L)に応じてマスタマニピュレータとスレーブマニピュレータとの関連付けを行い(ステップS5.1)、関連付けに係るマスタマニピュレータの姿勢を、関連付けに係るスレーブマニピュレータの姿勢に合わせる制御を行う(ステップS5.2)。
具体的には、本第2実施形態に係るマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置では、操作者3は、切替操作の為に切替スイッチを操作するときには、必ずその手をマスタマニピュレータから離している。従って、マスタマニピュレータへの接触の有無の判定が不要となり、切替スイッチの判定結果のみに基づいて上述の切り替え処理を実行することができる。
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態に係るマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置及びその制御方法について説明する。説明の重複を避ける為、前記第1実施形態との相違点を説明する。
前記撮像センサ390はマスタマニピュレータ351R,351L近傍を撮像し、前記マスタ制御回路300は撮像センサ390の出力を判定し、操作者3によるマスタマニピュレータ351R,351Lへの接触/非接触を判定する。つまり、前記ステップS2においては、接触センサ311R,311Lの出力の代わりに、撮像センサ390の出力に基づいて上述の判定を行う。
《切替スイッチ331Rによる切替処理》
本例では、操作者3によるマスタマニピュレータ351Rの操作で、スレーブマニピュレータ515−1が動作している状態で、切替スイッチ331Rが投入される状況を想定する。
前記ステップS2においてマスタ側機器とスレーブ側機器との接続を切断した後、マスタ制御回路300は、メッセージ表示A(操作者3に対して“手をマスタマニピュレータ351Rから離すように”との指示表示)を操作者用ディスプレイ900aに表示させる制御信号を、スレーブ制御回路500に送信する(ステップS3)。
前記ステップS11において、マスタマニピュレータ351Rと操作者3の手とが近接している(前記空間内部に操作者3の手が存在する)と判定した場合、マスタ制御回路300は、ステップS11をYESに分岐し、前記ステップS3に戻る。他方、前記ステップS11において、マスタマニピュレータ351Rと操作者3の手とが近接していない(前記空間内部に操作者3の手が存在しない)と判定した場合、マスタ制御回路300は、当該ステップS11をNOに分岐し、上述したステップS5.1及びステップS5.2における処理を実行して、当該マスタマニピュレータ351Rの姿勢を、ステップS5.1において関連付けされたスレーブマニピュレータ(本例ではスレーブマニピュレータ515−3)の姿勢に対して一致させる。
以上説明したように、本第3実施形態によれば、第1実施形態に係るマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置と同様の効果を奏するマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置及びその制御方法を提供することができる。
[第4実施形態]
以下、本発明の第4実施形態に係るマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置及びその制御方法について説明する。説明の重複を避ける為、前記第1実施形態との相違点を説明する。図9は、本第4実施形態に係る医療用マニピュレータシステムにおけるマスタ側の一構成例を示す図である。
なお、切り替えスイッチをフットスイッチとして設け、操作者3は片手をマスタマニピュレータから離した状態で、フットスイッチである切替スイッチを操作するように構成しても良い。このように構成する場合、マスタマニピュレータに対して操作者3の右手の接触がない場合には右手で切替スイッチを操作した場合と同様の処理を行い、マスタマニピュレータに対して操作者3の左手の接触がない場合には左手で切替スイッチを操作した場合と同様の処理を行う。
[第5実施形態]
以下、本発明の第5実施形態に係るマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置及びその制御方法について説明する。説明の重複を避ける為、前記第1実施形態との相違点を説明する。図9は、第5実施形態に係る医療用マニピュレータシステムにおけるマスタ側の一構成例を示す図である。
具体的には、接触センサ311Rが非接触状態を検出すると、マスタ制御回路300は、第1実施形態における切替スイッチ331Rが投入された場合と同様の切替処理の内容で、切替処理を行う。また、接触センサ311Lが非接触状態を検出すると、マスタ制御回路300は、第1実施形態における切替スイッチ331Lが投入された場合と同様の切替処理の内容で、切替処理を行う。
図11は、本第5実施形態に係る医療用マニピュレータシステムにおける切替操作に係る処理のフローチャートの一例を示す図である。なお、図2に示すフローチャートにおける各ステップと同じステップ番号が付されたステップは、当該同じステップ番号が付されたステップと同様の処理を行うステップである。
《接触センサ311Rが非接触状態を検出した場合の切替処理》
本例では、操作者3によるマスタマニピュレータ351Rの操作で、スレーブマニピュレータ515−1が動作している状態で、接触センサ311Rが非接触状態を検出したことをトリガとして切替処理を実行する場合を想定する。
・操作者3の右手が接触センサ311Rから離れると、マスタマニピュレータ351Rの姿勢をスレーブマニピュレータ515−1の姿勢に合わせる。
・操作者3の右手が接触センサ311Rから離れると、操作するスレーブマニピュレータを、マスタ制御回路300の記憶部(不図示)に記憶された切替処理内容に基づいて切り替え(本例では、スレーブマニピュレータ515−1からスレーブマニピュレータ515−3へ切り替え)、マスタマニピュレータ351Rの姿勢を新たな操作対象のスレーブマニピュレータ(本例では、スレーブマニピュレータ515−3)の姿勢に合わせる。
なお、ステップS6´´における処理は必須ではないので省略してもよい。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
(付記)
ところで、上述の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できる。
マスタマニピュレータから出力された操作信号に基づいて、スレーブマニピュレータを動作制御するマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置であって、
前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置しているか否かを検出する検出部と、
前記検出部によって、前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置していないことが検出された場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う制御部と、
を具備することを特徴とするマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。
(対応する実施形態)
この(1)に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置は、第1実施形態乃至第5実施形態及び変形例が対応する。
Claims (10)
- マスタマニピュレータから出力された操作信号に基づいて、スレーブマニピュレータを動作制御するマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置であって、
前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置しているか否かを検出する検出部と、
前記検出部によって、前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置していないことが検出された場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う制御部と、
を具備することを特徴とするマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - 前記検出部は、前記操作者により操作されるスイッチを備え、
前記制御部は、前記スイッチの操作状態に基づいて、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - 前記スレーブマニピュレータは複数設けられており、
前記スイッチは、操作時には操作者の手が前記マスタマニピュレータから離間する位置に設けられ、前記マスタマニピュレータによる操作対象のスレーブマニピュレータを切替える為の切替スイッチであり、
前記制御部は、前記切替スイッチが投入された場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う
ことを特徴とする請求項2に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - 前記スイッチは、操作時には操作者の手が前記マスタマニピュレータから離間する位置に設けられ、
前記制御部は、前記スイッチが投入された場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う
ことを特徴とする請求項2に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - 前記検出部は、前記マスタマニピュレータのうち前記操作者によって把持される部位に設けられた接触センサを含み、
前記制御部は、前記スイッチが投入され、且つ、前記接触センサが非接触状態を検出した場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う
ことを特徴とする請求項2に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - 前記スイッチは、前記操作者が足によって操作するフットスイッチである
ことを特徴とする請求項5に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - 前記スレーブマニピュレータは複数設けられており、
前記スイッチは、前記マスタマニピュレータによる操作対象の前記スレーブマニピュレータを切替える為の切替スイッチである
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - 前記検出部は、前記マスタマニピュレータのうち前記操作者によって把持される部位に設けられた接触センサを含み、
前記制御部は、前記接触センサが非接触状態を検出した場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - 前記検出部は、前記マスタマニピュレータ近傍を撮像して画像を取得する撮像センサを備え、
前記制御部は、前記撮像センサが取得した前記画像に基づいて、前記マスタマニピュレータを中心とする所定範囲の空間内部に前記操作者の手が存在しているか否かを判定し、前記空間内部に前記操作者の手が存在していない場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御装置。 - マスタマニピュレータから出力された操作信号に基づいて、スレーブマニピュレータを動作制御するマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御方法であって、
前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置しているか否かを検出する検出し、
前記マスタマニピュレータに操作者の手が位置していないことを検出した場合に、前記マスタマニピュレータの姿勢を、前記スレーブマニピュレータの姿勢に合わせるように、前記マスタマニピュレータを移動させる制御を行う、
ことを特徴とするマスタ・スレーブ方式マニピュレータの制御方法。
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