JP2015150340A - マニピュレータ装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】体内でのマニピュレータの許容動作範囲を最大限に確保しつつ、マニピュレータが周辺組織と強く接触することを防ぐ。
【解決手段】マニピュレータに対する操作信号を受信する受信ステップＳＡ１と、操作信号に基づいて関節の移動すべき目標位置を計算する位置計算ステップＳＡ２と、目標位置に関節を配置したと仮定したときの、マニピュレータ間の最大距離を計算する距離計算ステップＳＡ３〜ＳＡ５と、最大距離を所定の閾値と比較する判断ステップＳＡ６と、最大距離が所定の閾値以下であると判断された場合に、目標位置へ関節を移動させる移動実行ステップＳＡ７と、最大距離が所定の閾値よりも大きいと判断された場合に、関節の移動を中止する移動中止ステップＳＡ８とを含むマニピュレータ装置の制御方法を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、マニピュレータ装置の制御方法に関するものである。

従来、医療用のマニピュレータを内視鏡と一緒に体内に挿入し、内視鏡映像でマニピュレータを観察しながら該マニピュレータを遠隔操作する手術システムにおいて、マニピュレータの動作を許可する範囲を内視鏡の視野内に制限する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１によれば、医師は、マニピュレータの可動部分の全体を内視鏡映像で観察することができるので、マニピュレータが周囲の組織と衝突することがないようにマニピュレータを操作することができる。

米国特許出願公開第２００８／００６５１０９号明細書

しかしながら、特許文献１のように、マニピュレータの動作範囲を視野内に制限した場合、マニピュレータの可能な動作が限られてしまうため、使い勝手が悪くなるという問題がある。例えば、縫合作業のように、処置範囲を内視鏡で拡大観察しつつマニピュレータの大きな動作が必要となる処置には対応することが難しい。一方、もし、内視鏡の視野の外側でのマニピュレータの動作を許可した場合には、視野の外側でマニピュレータの一部分が周囲の組織と強く接触していたとしてもそのことに気付くことが難しいという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、体内でのマニピュレータの許容動作範囲を最大限に確保しつつ、マニピュレータが周辺組織と強く接触することを防ぐことができるマニピュレータ装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、互いに並列に配置された２以上のマニピュレータを備え、これらマニピュレータのうち少なくとも１つがその先端部に関節を有するマニピュレータ装置の制御方法であって、前記マニピュレータに対する操作信号を受信する受信ステップと、該受信ステップにおいて受信された操作信号に基づいて前記関節の移動すべき目標位置を計算する位置計算ステップと、該位置計算ステップにおいて算出された目標位置に前記関節を配置したと仮定したときの、前記マニピュレータ間の最大距離を計算する距離計算ステップと、該距離計算ステップにおいて算出された最大距離を所定の閾値と比較する判断ステップと、該判断ステップにおいて前記最大距離が前記所定の閾値以下であると判断された場合に、前記目標位置へ前記関節を移動させる移動実行ステップと、前記判断ステップにおいて前記最大距離が前記所定の閾値よりも大きいと判断された場合に、前記関節の移動を中止する移動中止ステップとを含むマニピュレータ装置の制御方法を提供する。

本発明によれば、受信ステップにおいて操作信号を受信すると、位置計算ステップにおいて、操作信号が示す関節の目標位置を計算し、移動実行ステップにおいて、目標位置に関節を移動させる。これにより、操作信号に応じた動作をマニピュレータに実行させることができる。

この場合に、移動実行ステップに先立って行われる距離計算ステップにおいて、目標位置に関節を移動させたときの各マニピュレータの配置を推定し、推定される配置におけるマニピュレータ間の最大距離を計算する。算出された最大距離は、マニピュレータを動作させたときのマニピュレータの並列方向の動作範囲の寸法に相当する。この最大距離を判断ステップにおいて所定の閾値と比較することによって、マニピュレータの動作範囲が、所定の閾値によって定義される寸法の許容動作範囲内に収まっているか否かを判定し、前記最大距離が所定の閾値よりも大きく、マニピュレータの動作範囲が許容動作範囲を超えることが推定された場合には、移動中止ステップによってマニピュレータの移動を中止する。

このように、各関節の目標位置を用いることによって、内視鏡等の観察装置の映像では視認できない部分についても許容動作範囲内に位置するか否かを判断することができる。したがって、許容動作範囲を、マニピュレータが配置される体腔の寸法にまで最大限に確保することができる。さらに、マニピュレータの動作範囲が許容動作範囲を超えると推定された場合にはマニピュレータの移動を中止することによって、マニピュレータが周辺組織と強く接触することを防ぐことができる。

上記発明においては、前記距離計算ステップにおいて、前記２以上のマニピュレータの間を通りこれらマニピュレータに並列な基準線から各前記マニピュレータまでの距離の最大値を計算し、算出された最大値同士の合計を前記最大距離として計算してもよい。
このようにすることで、関節を有するマニピュレータについては、いずれかの関節が動作範囲の最も外側に配置され得るので、位置計算ステップにおいて算出した各関節の目標位置を有効に利用してマニピュレータ間の最大距離を簡単に求めることができる。

また、上記発明においては、前記２以上のマニピュレータの各々が、前記関節を有し、前記距離計算ステップにおいて、互いに異なる前記マニピュレータが有する前記関節間の距離の最大値を前記最大距離として計算してもよい。
このようにすることで、マニピュレータ同士の配列方向のみならずあらゆる方向を考慮したときのマニピュレータ間の最大距離が得られる。したがって、この最大距離が所定の閾値以下となるようにマニピュレータを制御することによって、周辺組織に対するマニピュレータの姿勢に依らずに、マニピュレータと周辺組織との接触をさらに確実に防ぐことができる。

また、本発明は、互いに並列に配置された３以上のマニピュレータを備え、これらマニピュレータのうち少なくとも１つが関節を有するマニピュレータ装置の制御方法であって、前記マニピュレータに対する操作信号を受信する受信ステップと、該受信ステップにおいて受信された操作信号に基づいて前記関節の移動すべき目標位置を計算する位置計算ステップと、該位置計算ステップにおいて算出された目標位置に前記関節を配置したと仮定したときの、前記３以上のマニピュレータを頂点とする多角形の最大面積を計算する面積計算ステップと、該面積計算ステップにおいて算出された最大面積を所定の閾値と比較する判断ステップと、該判断ステップにおいて前記最大面積が前記所定の閾値以下であると判断された場合に、前記目標位置へ前記関節を移動させる移動実行ステップと、前記判断ステップにおいて前記最大面積が前記所定の閾値よりも大きいと判断された場合に、前記関節の移動を中止する移動中止ステップとを含むマニピュレータ装置の制御方法を提供する。

本発明によれば、移動実行ステップに先立って行われる面積計算ステップにおいて、目標位置に関節を移動させたときの各マニピュレータの配置を推定し、推定される配置においてマニピュレータに囲まれる、マニピュレータの配列方向の最大面積を計算する。算出された最大面積は、マニピュレータを動作させたときのマニピュレータの並列方向の作動範囲の面積に相当する。この最大面積を判断ステップにおいて所定の閾値と比較することによって、マニピュレータの動作範囲の面積が所定の閾値によって定義される断面積を有する許容動作範囲内であるか否かを判定し、前記最大面積が所定の閾値よりも大きい場合には、移動中止ステップによってマニピュレータの移動を中止する。

このようにすることで、許容動作範囲のマニピュータの並列方向の面積を、マニピュレータが配置される体腔の横断面積にまで最大限に確保することができる。さらに、マニピュレータの動作範囲が許容動作範囲を超えると推定された場合にはマニピュレータの移動を中止することによって、マニピュレータが周辺組織と強く接触することを防ぐことができる。

また、本発明は、互いに並列に配置された２以上のマニピュレータを備え、これらマニピュレータのうち少なくとも１つが少なくとも１つの関節を有するマニピュレータ装置の制御方法であって、前記関節の各々を所定の基準位置に移動させる復帰ステップを含み、該復帰ステップが、前記関節を択一的に選択する選択ステップと、該選択ステップにおいて選択された関節をその基準位置に配置したと仮定したときの、前記マニピュレータ間の最大距離を計算する距離計算ステップと、該距離計算ステップにおいて算出された最大距離を所定の閾値と比較する判断ステップと、該判断ステップにおいて前記最大距離が前記所定の閾値以下であると判断された場合に、前記選択ステップにおいて選択された関節を前記基準位置へ移動させる移動実行ステップと、前記判断ステップにおいて前記最大距離が前記所定の閾値よりも大きいと判断された場合に、前記選択ステップにおいて選択された関節の移動を中止する移動中止ステップと、前記選択ステップにおいて選択する関節を切り替えて前記距離計算ステップと、前記判断ステップと、前記移動実行ステップまたは前記移動中止ステップとを繰り返す繰り返しステップとを含むマニピュレータ装置の制御方法を提供する。

本発明によれば、復帰ステップにおいて、選択ステップにおいて選択された１つの関節を移動実行ステップにおいて基準位置へ移動させる作業を繰り返しステップにおいて関節を切り替えながら繰り返し、関節を１つずつ順番に基準位置へ移動させることにより、任意の配置のマニピュレータを所定の基準配置へ復帰することができる。

この場合に、移動実行ステップに先立って行われる距離計算ステップにおいて、目標位置に関節を移動させたときのマニピュレータの配置を推定し、推定される配置におけるマニピュレータ間の最大距離を計算する。そして、この最大距離を判断ステップにおいて所定の閾値と比較し、前記最大距離が所定の閾値よりも大きい場合には、移動中止ステップによって当該関節の移動を中止する。
このようにすることで、許容動作範囲をマニピュレータが配置される体腔の寸法にまで最大限に確保することができ、さらに、マニピュレータが周辺組織と強く接触することを防ぐことができる。

本発明によれば、体内でのマニピュレータの許容動作範囲を最大限に確保しつつ、マニピュレータが周辺組織と強く接触することを防ぐことができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係るマニピュレータシステムを示す全体構成図である。 図１のマニピュレータシステムの機能ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るスレーブ装置の制御方法とこの制御方法によるマニピュレータの動作とを説明する、スレーブ装置の先端部分の模式図であり、（ａ）マニピュレータの現在の配置と、（ｂ）関節を目標位置に移動させたと仮定したときのマニピュレータの配置とを示している。 本発明の第１の実施形態に係るスレーブ装置の制御方法を示すフローチャートである。 ３本のマニピュレータを備えるスレーブ装置の変形例の先端部分の模式図であり、（ａ）マニピュレータの現在の配置と、（ｂ）関節を目標位置に移動させたと仮定したときのマニピュレータの、先端側から見たときの配置とを示している。 関節を有さないマニピュレータを備えるスレーブ装置の変形例の先端部分の模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るスレーブ装置の制御方法とこの制御方法によるマニピュレータの動作とを説明する、スレーブ装置の先端部分の模式図であり、（ａ）マニピュレータの現在の配置と、（ｂ）関節を目標位置に移動させたと仮定したときのマニピュレータの配置とを示している。 本発明の第２の実施形態に係るスレーブ装置の制御方法を示すフローチャートである。 ３本のマニピュレータを備えるスレーブ装置の変形例の先端部分の模式図であり、関節を目標位置に移動させたと仮定したときのマニピュレータの、先端側から見たときの配置を示している。 本発明の第３の実施形態に係るスレーブ装置の制御方法とこの制御方法によるマニピュレータの動作とを説明する、スレーブ装置の先端部分の模式図であり、関節を目標位置に移動させたと仮定したときのマニピュレータの配置を示している。 本発明の第３の実施形態に係るスレーブ装置の制御方法を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第４の実施形態に係るスレーブ装置の制御方法とこの制御方法によるマニピュレータの動作とを説明する、スレーブ装置の先端部分の模式図である。 本発明の第４の実施形態に係るスレーブ装置の制御方法を示すフローチャートである。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るマニピュレータシステム１とその制御方法について図１から図６を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム１は、図１に示されるように、医師Ａにより操作されるマスタ装置２と、該マスタ装置２を介した入力によって駆動されるスレーブ装置（マニピュレータ装置）３と、マスタ装置２への入力に基づいてスレーブ装置３を制御するコントローラ４と、モニタ５とを備えている。

スレーブ装置３は、図２および図３に示されるように、患者Ｐの体内に挿入可能な細長い挿入部６と、該挿入部６の先端から突出して互いに並列に配置された２本の多関節のマニピュレータ１１，１２と、該マニピュレータ１１，１２を駆動する駆動部７１，７２と、マニピュレータ１１，１２を撮影する内視鏡８とを備え、内視鏡８によって取得した内視鏡映像をモニタ５に出力する。なお、図２において、駆動部７１，７２は、コントローラ４内に設けられているが、コントローラ４とは別々に設けられていてもよい。

マニピュレータ１１，１２は、先端側から順に、エンドエフェクタ１１Ａ，１２Ａと、互いに直列に連結された複数の（本例においては３個の）関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃからなる関節部１１Ｂ，１２Ｂとを有している。関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃは、挿入部６の長手方向に対して垂直または平行な軸回りに揺動可能に設けられている。各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃが駆動部７１，７２によって駆動されることによって、マニピュレータ１１，１２の位置および形状が変更され、エンドエフェクタ１１Ａ，１２Ａの位置および姿勢が変更されるようになっている。エンドエフェクタ１１Ａ，１２Ａは、組織を処置するための鉗子やハサミ、持針器、電極、ステープラ等である。

なお、マニピュレータ１１，１２の関節の数は、３個に限定されるものではなく、適宜変更可能である。また、マニピュレータ１１，１２の関節の数は、互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。

マスタ装置２は、医師Ａによってなされた操作に対応する操作信号を生成し、生成した操作信号をコントローラ４に送信する。
コントローラ４は、マスタ装置２から受信した操作信号に基づいて駆動部７１，７２を制御し、それによって操作信号に対応する動作をマニピュレータ１１，１２に実行させる制御部９と、記憶部１０とを備えている。

次に、本発明に係るマニピュレータ装置の制御方法に対応する、制御部９によるスレーブ装置３の制御方法について、図３（ａ）に示される配置から図３（ｂ）に示される配置へマニピュレータ１１，１２を動作させる場合を例に挙げて説明する。

図４に示されるように、制御部９は、マスタ装置２から操作信号を受信すると（受信ステップＳＡ１）、この操作信号が示す配置にマニピュレータ１１，１２を配するための各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの目標位置を、順運動学を用いて計算する（位置計算ステップＳＡ２）。つまり、図３（ｂ）に示されている各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの位置が目標位置として計算される。この計算には、記憶部１０に予め記憶されているＤＨパラメータ等のマニピュレータ１１，１２の寸法情報や、図示しないエンコーダによって検出された各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの現在の位置が用いられる。

次に、制御部９は、算出された目標位置に基づき、当該目標位置への各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの移動を実行するか否かを、以下の手順によって判断する。
すなわち、まず、制御部９は、挿入部６の長手方向の中心軸線（基準線）Ｃから各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの目標位置までの距離ｄを、下式（１）に基づいて計算する（距離計算ステップＳＡ３）。式（１）において、各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの目標位置の座標を（ｘ_ｍ，ｙ_ｍ，ｚ_ｍ）と定義し、各位置（ｘ_ｍ，ｙ_ｍ，ｚ_ｍ）から中心軸線Ｃにおろした垂線の足の座標を（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）と定義している。

次に、制御部９は、第１のマニピュレータ１１の関節１１ａ〜１１ｃについて算出された距離ｄのうちの最大値ｄ_ｍａｘ１を抽出し、第２のマニピュレータ１２の関節１２ａ〜１２ｃについて算出された距離ｄのうちの最大値ｄ_ｍａｘ２を抽出する（距離計算ステップＳＡ４）。図３（ｂ）においては、第１のマニピュレータ１１の最も先端の第１関節１１ａの距離と、第２のマニピュレータ１２の先端から２番目の第２関節１２ｂの距離とが抽出される。

次に、制御部９は、抽出された２つの最大値ｄ_ｍａｘ１，ｄ_ｍａｘ２を足し合わせて最大距離Ｄを計算する（距離計算ステップＳＡ５）。この最大距離Ｄは、操作信号に従ってマニピュレータ１１，１２を動作させたときにマニピュレータ１１，１２が挿入部６の長手方向に垂直な方向に取り得る、最大距離である。

制御部９は、最大距離Ｄを所定の閾値Ｔｈと比較し（判断ステップＳＡ６）、最大距離Ｄが所定の閾値Ｔｈ以下である場合には（ステップＳＡ６のＹＥＳ）、目標位置への関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの移動を実行することによって、図３（ｂ）に示される配置へマニピュレータ１１，１２を実際に動作させる（移動実行ステップＳＡ７）。一方、最大距離Ｄが所定の閾値Ｔｈよりも大きい場合には（ステップＳＡ６のＮＯ）、制御部９は、目標位置への関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの移動を中止し、マニピュレータ１１，１２を図３（ａ）に示される配置にとどめる（移動中止ステップＳＡ８）。

すなわち、ステップＳＡ６においては、マニピュレータ１１，１２の全体が、所定の閾値Ｔｈを直径とし、挿入部６の長手方向に延びる円柱状の空間である許容動作範囲内のみで動作可能であるか否かが判断される。そして、許容動作範囲内のみでの動作が可能であると判断された場合には、ステップＳＡ７においてマニピュレータ１１，１２が操作信号に基づく動作を実行するが、マニピュレータ１１，１２の動作が許容動作範囲の外側にまで及ぶと判断された場合には、ステップＳＡ８においてマニピュレータ１１，１２の動作が中止される。

ここで、所定の閾値Ｔｈは、マニピュレータ１１，１２が挿入される体腔の寸法や処置内容等に応じて決定される。例えば、マニピュレータ１１，１２が大腸のような管状の体腔内に挿入される場合には、所定の閾値Ｔｈは、体腔の直径と同等（具体的には、大腸の場合には５０ｍｍ）に設定される。また、マニピュレータ１１，１２が平坦状の体腔内に挿入される場合には、所定の閾値Ｔｈは、体腔の厚さと同等に設定される。この閾値Ｔｈは、例えば、医師Ａが、スレーブ装置３の使用前に、コントローラ４に予め登録された値の中から適切なものを選択して設定するようになっている。

次に、このように構成されたマニピュレータシステム１の作用について説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム１を用いて、患者Ｐの体腔内に存在する患部の処置を行うには、挿入部６を先端から体腔内に導入していき、エンドエフェクタ１１Ａ，１２Ａを患部に対向させる。この後、医師Ａは、マスタ装置２を用いてマニピュレータ１１，１２を遠隔操作することによって、エンドエフェクタ１１Ａ，１２Ａにより患部を処置することができる。

このときに、マニピュレータシステム１においては、医師Ａによってマスタ装置２に入力された操作に対応する動作をマニピュレータ１１，１２に実行させる前に、各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの移動すべき目標位置から（ステップＳＡ２）、マニピュレータ１１，１２の動作範囲が事前に推定され（ステップＳＡ３〜ＳＡ５）、その動作範囲が許容動作範囲内であるか否かが判断される（ステップＳＡ６）。そして、マニピュレータ１１，１２の動作範囲が許容動作範囲内である場合には（ステップＳＡ６のＹＥＳ）、その動作がマニピュレータ１１，１２によって実行される（ステップＳＡ７）。一方、マニピュレータ１１，１２の動作範囲が許容動作範囲を超える場合には（ステップＳＡ６のＮＯ）、その動作の実行が中止される（ステップＳＡ８）。したがって、マニピュレータ１１，１２の動作は、許容動作範囲内に制限される。

この場合に、本実施形態に係るマニピュレータシステム１とその制御方法によれば、各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの目標位置を用いてマニピュレータ１１，１２の各部分の動作後の位置を推定することによって、マニピュレータ１１，１２の、内視鏡８の視野Ｆの外側に位置する部分（すなわち、内視鏡映像によって観察できない部分）についても、内視鏡８の視野Ｆ内であるか否かに関わらず、許容動作範囲内であるか否かを判断して適切に制御することが可能となる。したがって、マニピュレータ１１，１２の許容動作範囲を、体腔が管状である場合にはその径寸法まで、体腔が平坦状である場合にはその厚さ寸法まで、体腔の径方向または厚さ方向に最大限に確保することができるという利点がある。

さらに、マニピュレータ１１，１２全体の動作が、体腔の径寸法内または厚さ寸法内に制限されるので、マニピュレータ１１，１２が周辺組織と強く接触することがない。したがって、マニピュレータ１１，１２が周辺組織から力を受けることによってその操作性が低下してしまうことを防止して、マニピュレータ１１，１２の操作性を維持することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、２本のマニピュレータ１１，１２を備えることとしたが、これに代えて、図５（ａ），（ｂ）に示されるように、３本のマニピュレータ１１，１２，１３を備えることとしてもよい。
この場合、制御部９は、ステップＳＡ４において、第３のマニピュレータ１３が有する関節１３ａ，１３ｂについて算出された距離ｄのうちの最大値ｄ_ｍａｘ３を抽出し、得られた３つの最大値ｄ_ｍａｘ１，ｄ_ｍａｘ２，ｄ_ｍａｘ３のうち上位２つの合計を最大距離Ｄとして求めればよい。

また、本実施形態においては、両方のマニピュレータ１１，１２が関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃを有することとしたが、これに代えて、図６に示されるように、一方のマニピュレータ１１，１２は関節を有さなくてもよい。例えば、第１のマニピュレータ１１が関節を有さない場合、この第１のマニピュレータ１１と中心軸線Ｃとの距離は一定となり、最大値ｄ_ｍａｘ１も一定となる。したがって、ステップＳＡ２，ＳＡ３においては、第２のマニピュレータ１２の関節１２ａ〜１２ｃについてｄ_ｍａｘ２のみ計算を行えばよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータシステム１について図７から図９を参照して説明する。
本実施形態は、制御部９によるスレーブ装置３の制御方法において第１の実施形態と主に異なっている。したがって、本実施形態においてはこの制御内容について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、マニピュレータ１１，１２の動作の可否を判断する基準として、図７（ａ），（ｂ）に示されるように、距離ｄの最大値ｄ_ｍａｘ１，ｄ_ｍａｘ２が得られた関節１１ａ，１２ｂ同士の間の距離Ｄ’を用いる。

具体的には、図８に示されるように、制御部９は、第１の実施形態のステップＳＡ１〜ＳＡ３と同様に、ステップＳＢ１〜ＳＢ３を行う。そして、制御部９は、各マニピュレータ１１，１２の関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃのうち、距離ｄの最大値ｄ_ｍａｘ１，ｄ_ｍａｘ２が得られた最遠関節１１ａ，１２ｂを特定し（距離計算ステップＳＢ４）、最遠関節１１ａ，１２ｂ間の距離Ｄ’を下式（２）に基づいて計算する（距離計算ステップＳＢ５）。式（２）において、第１のマニピュレータ１１の最遠関節の目標位置の座標を（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）と定義し、第２のマニピュレータ１２の最遠関節の目標位置の座標を（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）と定義し、と定義している。

この距離Ｄ’は、第１のマニピュレータ１１の関節１１ａ〜１１ｃと、第２のマニピュレータ１２の関節１２ａ〜１２ｃとの間の距離のうちの最大距離であり、操作信号に従ってマニピュレータ１１，１２を動作させたときにマニピュレータ１１，１２が挿入部６の長手方向に対してあらゆる方向に取り得る、最大寸法に相当する。
以下、制御部９は、距離Ｄに代えて距離Ｄ’を用いる点を除いて、第１の実施形態のステップＳＡ６〜ＳＡ８と同様に、ステップＳＢ６〜ＳＢ８を行う。

このように構成された本実施形態に係るマニピュレータシステム１およびその制御方法によれば、体腔内において挿入部６は体腔の長手方向または平坦方向に対して必ずしも平行に配置されるとは限らず、斜めに配置される可能性もある。本実施形態においては、挿入部６の長手方向に垂直な方向のみならずあらゆる方向を考慮したときのマニピュレータ１１，１２の最大距離Ｄ’が閾値Ｔｈ以下となるように、マニピュレータ１１，１２が制御される。

これにより、体腔内においてマニピュレータ１１，１２がどのような姿勢に配置されたとしても、マニピュレータ１１，１２全体の動作が、体腔の径寸法内または厚さ寸法内に制限されるので、マニピュレータ１１，１２が周辺組織と強く接触することをさらに確実に防止することができるという利点がある。
本実施形態のその他の作用効果は、第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。

なお、本実施形態においても、図９に示されるように、３本のマニピュレータ１１，１２，１３を備えることとしてもよい。
この場合、制御部９は、ステップＳＢ４において、第３のマニピュレータ１３が有する関節１３ａ，１３ｂのうち、距離の最大値ｄ_ｍａｘ３が得られた最遠関節１３ａを特定し、得られた３つの最大値ｄ_ｍａｘ１，ｄ_ｍａｘ２，ｄ_ｍａｘ３のうち上位２つの関節１１ｂ，１２ａ間の距離Ｄ’を求めればよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るマニピュレータシステム１について図１０および図１１を参照して説明する。
本実施形態は、制御部９によるスレーブ装置３の制御方法において第１および第２の実施形態と主に異なっている。したがって、本実施形態においてはこの制御内容について主に説明し、第１および第２の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態において、スレーブ装置３は、図１０に示されるように、３本のマニピュレータ１１，１２，１３を備え、距離ｄの最大値ｄ_ｍａｘ１，ｄ_ｍａｘ２，ｄ_ｍａｘ３が得られた関節同士によって囲まれる面積Ｓを用いる。なお、マニピュレータの数は、３本に限定されるものではなく、４本以上であってもよい。

具体的には、図１１に示されるように、制御部９は、第２の実施形態のステップＳＢ１〜ＳＢ４と同様に、ステップＳＣ１〜ＳＣ４を行い、各マニピュレータ１１，１２，１３の関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃ，１３ａ，１３ｂのうち、距離ｄの最大値ｄ_ｍａｘ１，ｄ_ｍａｘ２，ｄ_ｍａｘ３が得られた最遠関節１１ｂ，１２ａ，１３ａを特定する（面積計算ステップＳＣ４）。次に、制御部９は、中心軸線Ｃに直交する平面において、最遠関節１１ｂ，１２ａ，１３ａを頂点とする三角形の面積Ｓを計算する（面積計算ステップＳＣ５）。この面積Ｓは、図１０に示されるように、操作信号に従ってマニピュレータ１１，１２を動作させたときにマニピュレータ１１，１２，１３によって囲まれる領域が取り得る、挿入部６の長手方向に垂直な方向の最大面積に相当する。

この後、制御部９は、距離Ｄに代えて面積Ｓを用い、所定の閾値Ｔｈに代えて所定の閾値Ｔｈ’を用いる点を除いて、第１の実施形態のステップＳＡ６〜ＳＡ８と同様に、ステップＳＣ６〜ＳＣ８を行う。所定の閾値Ｔｈ’は、マニピュレータ１１，１２，１３が挿入される体腔の寸法や処置内容に応じて決定される。本実施形態は、特に大腸のような管状の体腔内にマニピュレータ１１，１２，１３を挿入する場合に用いられ、所定の閾値Ｔｈ’は、体腔の横断面積と同等に設定される。

このように構成された本実施形態に係るマニピュレータシステム１およびその制御方法によれば、マニピュレータ１１，１２，１３によって囲まれる領域の、挿入部６の長手方向に垂直な方向の最大面積Ｓが所定の閾値Ｔｈ’以下となるように、マニピュレータ１１，１２が制御される。大腸のような体腔の腔壁は柔軟性を有するため、最大面積Ｓが体腔の横断面積以下でありさえすれば、上記三角形の形状に合わせてその横断面形状を変化させることができる。すなわち、本実施形態によれば、マニピュレータ１１，１２，１３が腔壁から過剰な力を受けずに済む範囲でマニピュレータ１１，１２，１３の動作が許可されるので、マニピュレータ１１，１２，１３が周辺組織と強く接触することを防止することができるという利点がある。
本実施形態のその他の作用効果は、第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るマニピュレータシステム１について図１２および図１３を参照して説明する。
本実施形態は、図１２（ａ）に示されるように、任意の配置に配されているマニピュレータ１１，１２を、図１２（ｄ）に示されるように、所定の基準配置に復帰させるときのマニピュレータ１１，１２の制御方法に関する。したがって、本実施形態においてはこの制御内容について主に説明し、第１から第３の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のスレーブ装置３の制御方法は、例えば第１から第３の実施形態で説明した制御方法でマニピュレータ１１，１２を任意の配置に動作させた後に用いられるものであり、第１から第３の実施形態と組み合わせて用いることができる。

本実施形態において、制御部９は、マスタ装置２から復帰信号を受信することによって（受信ステップＳＤ１）、図１３に示される復帰フローを実行する。復帰信号は、例えば、マスタ装置２に設けられた復帰スイッチを医師Ａが押下することによってマスタ装置２に入力されるようになっている。

マニピュレータ１１，１２を基準配置に配するための各関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃの基準位置は、予め記憶部１０に記憶されている。制御部９は、基端側の第３関節１１ｃ，１２ｃから順番に、基準位置に一致させるように関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃを駆動させる。このときに、制御部９は、駆動対象の関節が基準位置へ移動したと仮定したときのマニピュレータ１１，１２の配置を計算し、算出されたマニピュレータ１１，１２の配置に基づいて当該関節の移動を実行するか否かを判断する。

具体的には、制御部９は、まず、一方のマニピュレータ１２の第３関節１２ｃを選択し（選択ステップＳＤ２）、該第３関節１２ｃを基準位置まで移動させたと仮定したときの最大距離Ｄを算出する（ステップＳＤ３〜ＳＤ６）。図１２（ａ）が現在のマニピュレータ１１，１２の配置、図１２（ｂ）が第３関節１２ｃを基準位置に移動させたときのマニピュレータ１１，１２の配置を示している。最大距離Ｄの計算の手順ＳＤ３〜ＳＤ６は、第１の実施形態において説明したステップＳＡ２〜ＳＡ５と同様である。

制御部９は、最大距離Ｄを所定の閾値Ｔｈと比較し（判断ステップＳＤ７）、最大距離Ｄが所定の閾値Ｔｈ以下である場合には（ステップＳＤ７のＹＥＳ）、目標位置への関節１２ｃの移動を実行することによって、図１２（ｂ）に示される配置へ第２のマニピュレータ１２を実際に動作させる（移動実行ステップＳＤ８）。一方、最大距離Ｄが所定の閾値Ｔｈよりも大きい場合には（ステップＳＤ７のＮＯ）、制御部９は、目標位置への関節１２ｃの移動を中止し、第２のマニピュレータ１２を図１２（ａ）に示される配置にとどめる（移動中止ステップＳＤ９）。

次に、制御部９は、図１２（ｃ）に示されるように、駆動対象を第２関節１２ｂに切り替えて（繰り返しステップＳＤ１１）ステップＳＤ３〜ＳＤ９を繰り返し、さらに、駆動対象を第１関節１２ａに切り替えて（ステップＳＤ１１）ステップＳＤ３〜ＳＤ９を繰り返す。そして、第１関節１２ａの制御が終了した時点で（ステップＳＤ１０のＹＥＳ）、もし、基準位置に配置されていない関節が残っている場合には（ステップＳＤ１２のＮＯ）、制御部９は、再び第３関節１２ｃから順番に（ステップＳＤ１３）、ステップＳＤ３〜ＳＤ９に従って基準位置への復帰動作を繰り返す。

さらに、図１３には示されていないが、第２のマニピュレータ１２の全ての関節１２ａ〜１２ｃの基準位置への移動が完了した後、制御部９は、第１のマニピュレータ１１の関節１１ａ〜１１ｃも同様に基準位置へ移動させることによって、最終的に図１２（ｄ）に示される基準配置へマニピュレータ１１，１２を復帰させる。

次に、このように構成されたマニピュレータシステム１の作用について説明する。
医師Ａは、患部の処置の途中や終了後に、復帰スイッチを押下することによって、任意の配置に配されたマニピュレータ１１，１２を所定の基準位置へ復帰させることができる。

このときに、マニピュレータシステム１においては、基端側の第３関節１１ｃ，１２ｃから順番に１つずつ基準位置への復帰が実行される。ただし、駆動対象の関節を基準位置へ移動させる前に、当該関節が移動させたときのマニピュレータ１１，１２の動作範囲が事前に推定され、その動作範囲が許容動作範囲内であるか否かが判断される。そして、マニピュレータ１１，１２の動作範囲が許容動作範囲内である場合には、その関節の移動が実行される。一方、マニピュレータ１１，１２の動作範囲が許容動作範囲を超える場合には、その関節の移動は保留されて、駆動対象は次の関節へ移行する。保留された関節については、第１関節の基準位置への復帰動作が終了した後に、実行される。以上により、マニピュレータ１１，１２は、その動作範囲が許容動作範囲内に制限されながら、基準配置へ復帰する。

このように、本実施形態に係るマニピュレータシステム１とその制御方法によれば、マニピュレータ１１，１２の許容動作範囲を、体腔の径方向または厚さ方向に最大限に確保することができるという利点がある。また、マニピュレータ１１，１２が周辺組織と強く接触することがないように復帰動作を実行することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、第１の実施形態と同様の方法で関節の移動の可否を判断することとしたが、これに代えて、第２の実施形態で説明した方法を採用してもよい。すなわち、ステップＳＤ５〜ＳＤ７に代えて、ステップＳＢ４〜ＳＢ６を実行してもよい。
また、３本のマニピュレータ１１，１２，１３を備える場合には、第３の実施形態で説明したように、各マニピュレータ１１，１２，１３の最遠関節を頂点とする三角形の面積Ｓに基づいて、関節の移動の可否を判断してもよい。

なお、上記の各実施形態においては、最大距離Ｄ，Ｄ’が所定の閾値Ｔｈ，Ｔｈ’よりも大きいと判断された場合に、関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃ，１３ａ，１３ｂの移動を中止とすることとしたが、これに代えて、最大距離Ｄ，Ｄ’が所定の閾値Ｔｈ，Ｔｈ’となる位置までは関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃ，１３ａ，１３ｂを移動させ、それ以上の移動については中止することしてもよい。この場合、所定の閾値Ｔｈ，Ｔｈ’は、体腔の直径または厚さよりも小さいことが好ましい。

加えて、最大距離Ｄ，Ｄ’が所定の閾値Ｔｈ，Ｔｈ’となる位置へ関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃ，１３ａ，１３ｂが移動した時点で、医師Ａ（操作者）に対して音等の警告を出力することによって、それ以上関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃ，１３ａ，１３ｂを移動させた場合には最大距離Ｄ，Ｄ’が所定の閾値Ｔｈ，Ｔｈ’よりも大きくなることを術者Ａに認識させてもよい。

さらに、最大距離Ｄ，Ｄ’が所定の閾値Ｔｈ，Ｔｈ’よりも大きいと判断された場合に、コントローラ４が、マスタ装置２へ信号を送信して該マスタ装置２での操作入力を制限することによって、最大距離Ｄ，Ｄ’が所定の閾値Ｔｈ，Ｔｈ’よりも大きくなることがないように、関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃ，１３ａ，１３ｂの移動を中止してもよい。

１ マニピュレータシステム
２ マスタ装置
３ スレーブ装置（マニピュレータ装置）
４ コントローラ
５ モニタ
６ 挿入部
８ 内視鏡
９ 制御部
１０ 記憶部
１１，１２，１３ マニピュレータ
１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ エンドエフェクタ
１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ 関節部
１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃ，１３ａ，１３ｂ 関節
７１，７２ 駆動部
Ａ 医師
Ｐ 患者
Ｆ 内視鏡の視野
ＳＡ１，ＳＢ１，ＳＣ１，ＳＤ１ 受信ステップ
ＳＡ２，ＳＢ２，ＳＣ２，ＳＤ３ 位置計算ステップ
ＳＡ３〜ＳＡ５，ＳＢ３〜ＳＢ５，ＳＤ４〜ＳＤ６ 距離計算ステップ
ＳＡ６，ＳＢ６，ＳＣ６，ＳＤ７ 判断ステップ
ＳＡ７，ＳＢ７，ＳＣ７，ＳＤ８ 移動実行ステップ
ＳＡ８，ＳＢ８，ＳＣ８，ＳＤ９ 移動中止ステップ
ＳＣ４，ＳＣ５ 面積計算ステップ
ＳＤ２ 選択ステップ
ＳＤ１１ 繰り返しステップ

Claims (5)

1. 互いに並列に配置された２以上のマニピュレータを備え、これらマニピュレータのうち少なくとも１つが関節を有するマニピュレータ装置の制御方法であって、
   前記マニピュレータに対する操作信号を受信する受信ステップと、
   該受信ステップにおいて受信された操作信号に基づいて前記関節の移動すべき目標位置を計算する位置計算ステップと、
   該位置計算ステップにおいて算出された目標位置に前記関節を配置したと仮定したときの、前記マニピュレータ間の最大距離を計算する距離計算ステップと、
   該距離計算ステップにおいて算出された最大距離を所定の閾値と比較する判断ステップと、
   該判断ステップにおいて前記最大距離が前記所定の閾値以下であると判断された場合に、前記目標位置へ前記関節を移動させる移動実行ステップと、
   前記判断ステップにおいて前記最大距離が前記所定の閾値よりも大きいと判断された場合に、前記関節の移動を中止する移動中止ステップとを含むマニピュレータ装置の制御方法。
2. 前記距離計算ステップにおいて、前記２以上のマニピュレータの間を通りこれらマニピュレータに並列な基準線から各前記マニピュレータまでの距離の最大値を計算し、算出された最大値同士の合計を前記最大距離として計算する請求項１に記載のマニピュレータ装置の制御方法。
3. 前記２以上のマニピュレータの各々が、前記関節を有し、
   前記距離計算ステップにおいて、互いに異なる前記マニピュレータが有する前記関節間の距離の最大値を前記最大距離として計算する請求項１に記載のマニピュレータ装置の制御方法。
4. 互いに並列に配置された３以上のマニピュレータを備え、これらマニピュレータのうち少なくとも１つが関節を有するマニピュレータ装置の制御方法であって、
   前記マニピュレータに対する操作信号を受信する受信ステップと、
   該受信ステップにおいて受信された操作信号に基づいて前記関節の移動すべき目標位置を計算する位置計算ステップと、
   該位置計算ステップにおいて算出された目標位置に前記関節を配置したと仮定したときの、前記３以上のマニピュレータを頂点とする多角形の最大面積を計算する面積計算ステップと、
   該面積計算ステップにおいて算出された最大面積を所定の閾値と比較する判断ステップと、
   該判断ステップにおいて前記最大面積が前記所定の閾値以下であると判断された場合に、前記目標位置へ前記関節を移動させる移動実行ステップと、
   前記判断ステップにおいて前記最大面積が前記所定の閾値よりも大きいと判断された場合に、前記関節の移動を中止する移動中止ステップとを含むマニピュレータ装置の制御方法。
5. 互いに並列に配置された２以上のマニピュレータを備え、これらマニピュレータのうち少なくとも１つが少なくとも１つの関節を有するマニピュレータ装置の制御方法であって、
   前記関節の各々を所定の基準位置に移動させる復帰ステップを含み、
   該復帰ステップが、
   前記関節を択一的に選択する選択ステップと、
   該選択ステップにおいて選択された関節をその基準位置に配置したと仮定したときの、前記マニピュレータ間の最大距離を計算する距離計算ステップと、
   該距離計算ステップにおいて算出された最大距離を所定の閾値と比較する判断ステップと、
   該判断ステップにおいて前記最大距離が前記所定の閾値以下であると判断された場合に、前記選択ステップにおいて選択された関節をその基準位置へ移動させる移動実行ステップと、
   前記判断ステップにおいて前記最大距離が前記所定の閾値よりも大きいと判断された場合に、前記選択ステップにおいて選択された関節の移動を中止する移動中止ステップと、
   前記選択ステップにおいて選択する関節を切り替えて前記距離計算ステップと、前記判断ステップと、前記移動実行ステップまたは前記移動中止ステップとを繰り返す繰り返しステップとを含むマニピュレータ装置の制御方法。

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