JP2020065644A - 手術支援装置、その制御方法及びプログラム - Google Patents

手術支援装置、その制御方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供する。【解決手段】本発明に係る手術支援装置は、体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第１術具の姿勢を、体腔に挿入される第２術具を用いて制御可能な手術支援装置であって、取り付けられた第１術具の姿勢を制御するロボットアームと、ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替える切替手段と、動作モードに応じて、ロボットアームの動作を制御する制御手段と、を有し、動作モードは、第１術具を制御するために第２術具を用いる第１モードと、ロボットアームに対する接触を含む操作によりロボットアームを移動させる第２モードとを含み、制御手段は、動作モードが第１モードである場合、第２術具の姿勢に応じて第１術具の姿勢を制御するように、ロボットアームの動作を制御し、動作モードが第２モードである場合、ロボットアームに対する接触を含む操作に応じてロボットアームの動作を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、手術支援装置、その制御方法及びプログラムに関する。
腹腔鏡手術は、一般に、臓器の切開、切除、縫合を行う医師（以下、「術者」という）と、内視鏡を保持する医師（以下、「スコピスト」という）と、術者の視野展開のため臓器の牽引や切開時の張力保持などを行う医師（以下、「助手」という）とによって行われる。腹腔鏡手術に用いられる手術支援装置（手術支援ロボットなどともいわれる）には、鉗子や内視鏡、電気メス等の術具の姿勢を１以上のロボットアームで制御することで、手術に必要な医師数を緩和しようとするものがある。
手術支援装置の操作には、手術支援装置に備わるコントロールユニットから医師が操作するコンソール型と、内視鏡のみを保持するロボットアームなどは術者がなんらかの方法で手術手技を行いながらロボットアームをコントロールする方式がある。
従来の腹腔鏡手術に使用される手術支援装置は、術者、スコピスト、助手の３名分の動作を行うものと、内視鏡を１つのアームで保持するものに大別できる。術者、スコピスト、助手の役割を果たすものはコンソール型の手術支援ロボットで、複数のロボットアームを患者の周辺や患者上部に配置するものが知られている（特許文献１、特許文献２）。
一方、１つのロボットアームで内視鏡だけを持たせる手術支援ロボットも知られている（特許文献３）。特許文献３で開示される手術支援ロボットは、操作にコンソールを必要とせず、術者又は助手が音声によって操作する方法が用いられる。
特開２０１１−４８８０号公報 特開２０１７−１０４４５５号公報 特開平６−３０８９６号公報
特許文献１で開示されるコンソール型の手術支援ロボットでは、装置サイズが大きく、手術室の他装置との兼ね合いにより患者とロボットの位置関係を最適化することが困難な場合がある。また、コンソール型は遠隔操作が可能な場合もあるが患者の外観観察や看護師との意思疎通のため、患者とロボットのある手術室に操作コンソールを設置することが通常であり、これが手術室を圧迫する要因のひとつとなっている。特許文献２で開示されるコンソール型の手術支援ロボットは、装置サイズを小さくした場合であっても多数ある多関節ロボットアームを操作するためには複雑かつ大型のコンソールが必要となっている。
特許文献３で開示される手術支援ロボットでは、操作対象が１つアームロボットであるため装置サイズも抑えることができる。しかし、依然として助手等による作業を要し、複数の人間の近くにロボットアームが接近するため、十分なロボットアームの動作領域が確保できないか、術者や助手にロボットアームが干渉し手術手技に影響を与えてしまう。また、音声による操作手段を用いる場合、内視鏡とは異なる複雑な術具を操作する際に意図通りに操作することが困難であることは容易に想像できる。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供することを目的とする。
この課題を解決するため、例えば本発明の手術支援装置は以下の構成を備える。すなわち、体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第１術具の姿勢を、前記体腔に挿入される第２術具を用いて制御可能な手術支援装置であって、取り付けられた前記第１術具の姿勢を制御するロボットアームと、前記ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替える切替手段と、前記動作モードに応じて、前記ロボットアームの動作を制御する制御手段と、を有し、前記動作モードは、前記第１術具を制御するために前記第２術具を用いる第１モードと、前記ロボットアームに対する接触を含む操作により前記ロボットアームを移動させる第２モードとを含み、前記制御手段は、前記動作モードが前記第１モードである場合、前記第２術具の姿勢に応じて前記第１術具の姿勢を制御するように、前記ロボットアームの動作を制御し、前記動作モードが前記第２モードである場合、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作に応じて前記ロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする。
本発明によれば、手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供することが可能になる。
本発明に係る手術支援装置の全体構成例の一例を示す図 本実施形態に係る手術支援装置の機能構成例（ａ）と、手術支援装置の使用において手持ち医療器具及びロボット医療器具を体腔内に挿入している様子を模式的に示す図（ｂ） 本実施形態に係る水平ロボットアームの詳細な構成例を示す図 本実施形態に係る水平ロボットアームの先端部を拡大した図 本実施形態に係る水平ロボットアームの有する直動関節部の構成例を示す図 本実施形態に係るブレーキ解除スイッチ付のグリップについて説明する図 本実施形態に係るブレーキ解除スイッチを鉛直方向から見た場合の内部構造例を示す図 本実施形態に係るベクトル操作モードのための術具マニピュレータ側の入力スイッチの例を示す図 本実施形態に係る水平ロボットアームの機構等価モデルを示す図 本実施形態に係る直動ロボットアームの詳細な構成例を示す図 本実施形態に係る直動ロボットアームの垂直駆動関節部の構成例を示す図 本実施形態に係る直動ロボットアームの機構等価モデルを示す図 本実施形態に係る２つのフレームと直動ロボットアームの第１アームとの関係を模式的に示す図 本実施形態に係る２つのフレームと直動ロボットアームの第１アームとの関係を詳細に示す図 本実施形態に係る各ロボットアームのアーム先端部の可動範囲を説明する図 本実施形態に係るイニシャライズについて説明する図 本実施形態に係るイニシャライズ処理の一連の動作を示すフローチャート 本実施形態に係る挿入点の位置を算出する方法を説明する図
以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明に係る手術支援装置は、患者の体腔内に外套管を通して挿入された術具やエンドエフェクタの姿勢を制御するロボットアームを有する。手術支援装置は、術者が体腔内に挿入して実際に手術に用いる術具（以下、手持ち医療器具ともいう）の挿入角度及び挿入深度を計測する。そして、計測結果に応じて、術具やエンドエフェクタ（以下、合わせてロボット医療器具ともいう）の姿勢を制御するためのロボットアーム１００を制御するように構成されている。
（手術支援装置に係るロボットアーム１００の概要）
図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明に係る手術支援装置に係るロボットアーム１００の概要と、本実施形態において想定される、手術支援装置２００を使用する際の患者、術者、手術台１５１の様子を示している。本実施形態に係るロボットアーム１００は２つの水平ロボットアーム１１０と１つの直動ロボットアーム１２０と複数のフレーム（基盤）とから構成される。
第１フレーム１０１は、患者とロボットアーム１００とが適切な距離に配置できるよう能動車輪又は受動車輪、もしくはその両方を備える。第２フレーム１０２は、第１フレーム１０１の上に固定されたフレームであり、第２フレーム１０２に垂直な方向にのみ自由度を持つ部品で第３フレーム１０３が接続されている。第３フレーム１０３には水平方向に自由度を有する関節を有する３軸の水平多関節ロボットアーム（単に水平ロボットアーム１１０という）が２つ取り付けられている。また、第３フレーム１０３の先端には、３軸の直動多関節ロボットアーム（単に直動ロボットアーム１２０ともいう）が垂直方向にのみ自由度を有する部品で接続されている。
水平ロボットアーム１１０は、その先端には、２軸まわりに回転可能に構成されるジンバル機構を介して、術具マニピュレータ１２４が取り付けられている。術具マニピュレータ１２４は、水平ロボットアーム１１０によって体腔への挿入角度及び挿入深度が制御されるロボット医療器具に対し、更にロボット医療器具の先端部の位置姿勢を制御するための駆動装置である。術具マニピュレータ１２４は複数の独立した回転動力を発生させる複数のモータを含んでおり、それぞれの動力が例えばロボット医療器具のシャフト内を伝達してロボット医療器具の先端部に伝達される。
水平ロボットアーム１１０は、第１アーム１１１と第２アーム１１２が水平方向回転にのみ自由度を持つ能動関節で接続されており、また第２アーム１１２と第３アーム１１３も水平方向回転にのみ自由度を持った能動関節で接続されている。第１アーム１１１は垂直方向（第３フレーム１０３の長軸方向）に自由度をもつ能動関節を有することで第２アーム１１２と第３アーム１１３を垂直方向へ移動可能に構成される。これにより水平ロボットアーム１１０の手先の術具マニピュレータに接続されるロボット医療器具を３次元的に移動可能になるため、ロボット医療器具の体腔内への挿入角度及び挿入深度が制御される。水平ロボットアームのより詳細な構成については後述する。
直動ロボットアーム１２０は、水平ロボットアーム１１０と同様、その先端に２軸まわりに回転可能に構成されるジンバル機構を有する。直動ロボットアーム１２０は、ジンバル機構に一般的な内視鏡を取り付けることができる内視鏡ホルダを備える。直動ロボットアーム１２０は、第３アーム１２３と第２アーム１２２は水平方向の自由度を持つ能動関節で接続され、また、第２アーム１２２と第１アーム１２１が水平方向回転の自由度を持った能動関節で接続される。第１アーム１２１が垂直方向（第３フレーム１１３の長軸方向）に自由度を持つ能動関節に接続されることで、第２アーム１２２と第３アーム１２３を垂直方向へ移動可能に構成される。これにより直動ロボットアーム１２０の手先の内視鏡ホルダ１１４に接続される内視鏡（ロボット医療器具）を３次元的に移動可能になるため、内視鏡（ロボット医療器具）の体腔内への挿入角度及び挿入深度が制御される。
（手術支援装置２００の構成）
図２（ａ）と図２（ｂ）には、本実施形態に係る手術支援装置２００の機能構成例と、手術支援装置２００の使用において手持ち医療器具及びロボット医療器具を体腔内に挿入している様子を模式的に示している。手術支援装置２００は、一般的なコンソール型マスタースレーブではなく、術者が術中に使用する術具（すなわち手持ち医療器具）の動作に基づいてロボットアームの動作を制御する。
手持ち医療器具１３１は、術者が実際に手で動かして通常の処置を行う術具であり、腹壁１５０に開けた小径の穴に挿入された術者側外套管１３５を通して体腔内に挿入される。手持ち医療器具１３１は、例えば体腔内に挿入して使用される鉗子、攝子、電気メス、吸引管、超音波凝固切開装置、止血装置、ラジオ波焼灼装置、医療用ステープラ、持針器を含む。手持ち医療器具１３１に取り付けられた術具動作計測部１３２と、術者側外套管１３５に取り付けられた術者側挿入深度計測部１３６は、手持ち医療器具１３１の体腔に対する挿入角度及び挿入深度を計測する。
ロボット医療器具１２７は、腹壁１５０に開けた小径の穴に挿入されたロボット側外套管１２５を通過して、その一部が体腔内に挿入される。例えば、ロボット医療器具１２７は、例えば体腔内に挿入して使用される鉗子、攝子、電気メス、吸引管、超音波凝固切開装置、止血装置、ラジオ波焼灼装置、医療用ステープラ、持針器、内視鏡、胸腔鏡、腹腔鏡等を含み、その形状は直線状であっても屈曲関節を有していてもよい。本実施形態の例では、直動ロボットアーム１２０は、内視鏡ホルダ１１４を介してロボット医療器具１２７としての内視鏡を装着している。また、水平ロボットアーム１１０は、術具マニピュレータ１２４を介して、ロボット医療器具１２７として鉗子や電子メス等を装着する。術具マニピュレータ１２４を介して装着された鉗子等の医療器具は術具マニピュレータ１２４の駆動によってその先端の姿勢が制御される。なお、本実施形態では、単にロボットアームという場合には、術具マニピュレータ１２４がロボットアームに含まれるものとする。また、ロボット医療器具１２７と術具マニピュレータ１２４とが別体である場合を例に説明するがロボット医療器具１２７と術具マニピュレータ１２４とが術具として一体化してもよい。
ロボット側挿入深度計測部１２６は、ロボットアームがロボット側外套管１２５に挿入されたことを検知することができる。また、ロボット側外套管１２５に取り付けられる１つ以上の距離センサにより、水平ロボットアーム１１０又は直動ロボットアーム１２０によって制御されるロボット医療器具１２７の体腔への挿入深度を計測する。なお、ロボット側挿入深度計測部１２６は、ロボットアームがロボット側外套管１２５に挿入されたことが検知可能な構成だけであってもよい。この場合、ロボットアームのエンコーダからの出力に応じて位置姿勢の情報を得ることができる。また、ロボット側挿入深度計測部１２６は、送信機又は受信機のように、ロボット側外套管１２５とロボット医療器具１２７とに分離して取り付けられる構成であってもよいし、ロボット医療器具１２７にのみ取り付けられる構成であってもよい。
術具動作計測部１３２は、例えば加速度センサ、超音波センサ、地磁気センサ、レーザセンサ、光学式モーションキャプチャの１以上のセンサ又はこれらの組合せを含み、３軸から６軸の術具動作を読み取る。本実施形態では、術具動作計測部１３２は、例えば術者が操作する手持ち医療器具の体腔内への挿入角度を計測する。
術者側挿入深度計測部１３６は、術者側外套管１３５に取り付けられる１つ以上の距離センサを含み、手持ち医療器具１３１の体腔内への挿入深度を計測する。本実施形態では、術者側挿入深度計測部１３６が術者側外套管１３５に取り付けられる例について説明する。しかし、術者側挿入深度計測部１３６は、送信機又は受信機のように、術者側外套管１３５と手持ち医療器具１３１とに分離して取り付けられる構成であってもよいし、手持ち医療器具１３１にのみ取り付けられる構成であってもよい。
制御部２０１は、ＣＰＵ或いはＧＰＵ等の１つ以上のプロセッサを含み、記録媒体２０４に格納されたプログラムをメモリ２０５に読み出して実行することにより、手術支援装置２００の全体の動作を制御する。また、制御部２０１は、操作部２０２に対する操作に基づいて、手術支援装置の動作モードを切り替える切替手段として機能する。また、手持ち医療器具１３１のシャフトの体腔内への挿入角度と挿入深度に応じて、ロボット医療器具の姿勢を制御するように、ロボットアームの動作を制御する制御手段としても機能する。手術支援装置の操作モードは、処置のために手持ち医療器具１３１を操作して実際に処置を行うモード（単に処置モードともいう）と、手持ち医療器具１３１を用いてロボット医療器具１２７を操作するモード（単にロボット操作モードともいう）とを含む。また、詳細は後述するが、術者がロボットアームに対する接触を含む操作によりロボットアームを操作するモードを含む。
操作部２０２は、例えば手持ち医療器具１３１に取り付けられるスイッチや、術者が足で操作可能なフットスイッチなどの操作部材を含む。操作部２０２は、更に、スイッチに代えて、音声による操作入力の可能な音声入力システムを含んでよい。制御部２０１は、操作部２０２からの入力に応じて、手術支援装置２００内の動作モードの変更、制御対象のアームの変更、及び表示部２０３に表示する情報の変更を行う。例えば、術者は、操作部２０２を用いて制御対象となるアームを１つ選択することができる。
このように、術者によって操作される手持ち医療器具１３１の動作に応じて、ロボット医療器具１２７を操作可能に構成することにより、従来の腹腔鏡手術では通常医師が３名で手術を行うところ、術具を操るような手術と同等の動作でありながら術者がロボットアームを操作して同様の手術を行うことが可能になる。
（水平ロボットアーム１１０の詳細）
＜水平駆動関節部＞
水平ロボットアーム１１０の詳細について図３から図８を参照して説明する。図３に示すように、水平ロボットアーム１１０の（第３アーム１１３の）先端部は、術具マニピュレータ１２４を取り付けることができる２軸のジンバル機構３０１を有する。図４には、水平ロボットアーム１１０の（第３アーム１１３の）先端部を拡大して示している。ジンバル機構３０１は、図４に示す２つの回転軸４０１及び４０２まわりに回転可能に構成され、これらの回転軸４０１及び４０２は、術具マニピュレータ１２４に取り付けられたロボット医療器具の術具シャフトの軸線４０３と交わる。ジンバル機構３０１は、動力部を持たない受動関節であるが、各回転軸まわりの回転を計測するエンコーダを備える。例えば、アブソリュートエンコーダを２軸とも備えることでロボット医療器具１２７の位置姿勢を、順運動学を用いて求めることが可能である。また、水平ロボットアーム１１０は、その動作時の微振動による影響や患者の呼吸による微小な動きを抑制し、姿勢の安定化や特異姿勢の回避機能を備えるための弾性機構（例えば回転方向におけるダンパや樹脂ばね、金属ばね）或いは補助的な動力を用いることができる。
第２アーム１１２内にある第３アーム駆動ユニット３０２は、第３アーム１１３を駆動する駆動モータと、無励磁作動ブレーキと、減速機とを含む。第３アーム１１３と第２アーム１１２は、水平方向回転にのみ自由度を持ち、第３アーム１１３は、第３アーム駆動ユニット３０２からタイミングベルト３０７で出力された動力を同じくタイミングプーリで受けることで能動回転を行うことができる。第２アーム１１２は、第３アーム１１３の第２アームに対する回転を計測するための第３アーム用センサユニット３０３を有する。第３アーム用センサユニット３０３は、第３アーム１１３と第２アーム１１２とが接続する関節部の回転軸まわりの回転位置を検出するためのエンコーダ及び他のセンサを含む。また、この関節部の回転軸には、ベアリング３０４を有する。
第１アーム１１１は、第２アーム１１２をＣ型構造のフレームで支えている。これは片側に、モーメントを許容できるベアリングを備える減速機３０５を配置し、その対に補助目的の補助ベアリング３０６を配置することで、第３アーム１１３及び第２アーム１１２と術具マニピュレータ１２４及びロボット医療器具１２７との自重と外力から発生するモーメント荷重を分散することができる。第１フレーム１１１内の第２アーム駆動ユニット３０９は、第２アーム１１２を回転させる動力を駆動ベルト３１０によって伝達し、第２アーム１１２を関節部（第３アーム１１３と第２アーム１１２との接続部）の回転軸まわりに回転させる。また、各機構部を第１フレーム１１１内に分配することで大きな中空構造を確保し、配線や第２アーム１１２の第１アーム１１１に対する回転位置を検出するエンコーダ３０８を取り付けることを可能としている。図３に示す例では、第１フレーム１１１内の下部にモーメントを許容できるベアリングが内蔵された減速機３０５を配置し、上部を中空構造としている例を説明したが、これらの配置は逆であってもよい。
本実施形態では、水平ロボットアーム１１０の小型化のため、減速機３０５や第２アーム駆動ユニット３０９等の出力機構を扁平型にする場合を例に説明している。例えば、扁平型であっても高減速が可能な波動歯車減速機やサイクロイド減速機、モータ自体の出力を上げた扁平型モータ、又は関節部にそのまま取り付けられるダイレクトドライブモータを用いることができる。この４つ回転関節に使用されるベアリングはモーメントを許容しながら小型で構成できるようにするため、クロスローラーベアリングや４点ベアリングを用いることができる。
＜垂直駆動関節部＞
図５は、水平ロボットアーム１１０の有する直動関節部を示している。この直動関節部は第３フレーム１０３に組み込まれる。第１アーム１１１を駆動する直動機構部には第１アーム１１１から第３アーム１１３の自重モーメントとアームが受ける外力を十分に許容でき、かつ滑らかな動きをさせるためのボールリニアガイド５０１を垂直方向に２つ並行に配置する。
第１アーム１１１は、ボールリニアガイド５０１に取り付けられた支持ブロック５０２に固定される。第１アーム１１１を支持している支持ブロック５０２から伸びた動力伝達プレート５０３にはタイミングベルト５０５が固定されており、ボールリニアガイド５０１と平行になるように配置されている。駆動モータ５０４が回転動力をタイミングベルト５０５に伝達してタイミングベルト５０５をタイミングプーリにより駆動することで、第１アームを支持する支持ブロック５０２を鉛直方向に能動的に進退させる。このとき、位置検出制御ユニット５１０は、エンコーダを含み、進退した駆動ベルト５０５の移動量に基づき、第１アーム１１１の鉛直方向の移動量を計測する。また、位置検出制御ユニット５１０は、ブレーキ機構を含み、支持ブロック５０２の動作（すなわち水平ロボットアーム１１０の直動運動）において姿勢を維持するようにブレーキを与える。なお、本実施形態では、ブレーキ機構を用いる例を説明するが、ブレーキ機構を使用しないようにしてもよい。その場合、例えば、姿勢を維持するための駆動力を駆動モータ５０４が発生させた状態を維持する。動力伝達プレート５０３には、支持プーリ５１１に支持される牽引ワイヤ５０６によってカウンターウェイト５０７が接続されている。
カウンターウェイト５０７は、第１アーム１１１から第３アーム１１３と術具マニピュレータ１２４とロボット医療器具１２７との自重を補償することにより、これらを駆動する駆動モータ５０４の出力を抑えることができる。より具体的に本実施形態に係るカウンターウェイト５０７について説明する。水平ロボットアーム１１０は、術者による手持ち医療器具からの操作だけでなく、手術準備や非常時用には、手動で直接移動できるようにする必要がある。このとき、水平駆動関節部はブレーキを解除するだけで人手によって容易に動かすことが可能であるが、垂直駆動関節は、ブレーキを解除すると水平ロボットアーム１１０の多大な重量を人手で保持しなければならない。そのため、図５に示した垂直駆動関節部には各部品の自重補償をするカウンターウェイト５０７を備えることで、駆動部品への出力緩和と、ロボットアームの重量を感じることなく手動で移動することを可能としている。なお、カウンターウェイト５０７の使用は必須ではなく、定荷重バネを用いる構成でもよい。
なお、ロボットアームを手動で動作させるようにするためには、プログラムによりロボットアームの自重分だけを垂直軸方向に出力するアシストシステムでも可能ではあるが、システムダウンした場合は手動で移動させることが困難になる可能性がある。それに対し、カウンターウェイト５０７は、ブレーキ解除とモータの電源供給を切る論理回路により、システムとは切り離すことでシステム異常が起きても手動での移動を可能にする目的もある。
第３フレーム１１３は、２つの平行に配置されたボールリニアガイド５０１の間に、信号線と動力線を第３アーム１１３に接続するための、配線の直線運動を補助するケーブルガイド５０９を備える。
なお、図５に示す直動機構は出力側からの操作（バックドライブアビリティ）が容易に行えるよう高効率であるタイミングベルトプーリを用いているが、リードの大きなボールねじや、高効率のすべりねじであってもよい。
＜ブレーキ解除スイッチ付きグリップ＞
状況に応じてロボットアームを手動で移動可能にするための自重補償機構（カウンターウェイト５０７）に加え、本実施形態に係る水平ロボットアーム１１０は、ロボットアームの手動操作を容易に扱うためのブレーキ解除スイッチ３１１を備える。ブレーキ解除スイッチ３１１は、図６に示すように、片手で握った状態でロボットアームを鉛直方向及び水平方向に移動させることが可能なスイッチ付グリップを構成する。後述するように、このブレーキ解除スイッチ３１１は、ロボットアームが操作者に対して様々な姿勢に変化しても、操作者がほぼ一定の姿勢でスイッチを押下することができるように、多方向からスイッチを押下可能に構成されている。
ブレーキ解除スイッチ３１１は、第３アーム１１３の先端部に配置される。ブレーキ解除スイッチ３１１は、水平ロボットアーム１１０の各関節部に取り付けられている保持ブレーキを解除するスイッチ、術者などが握るための円筒状のグリップを備えている。
ロボットアームの姿勢を維持するためのブレーキは、安全面からこのブレーキ解除スイッチ３１１が押されている間のみ解除される。なお、ブレーキの代わりに、姿勢を維持するための駆動力を一時的に低下させるような構成であってもよい。このようなブレーキを実現するため、本実施形態に係るブレーキ解除スイッチ３１１は、術者が水平ロボットアーム１１０の先端部を移動させるための力を付加しながらスイッチを安定的に押し続けられる構造となっている。図６（ａ）に示すブレーキ解除スイッチ３１１は、図６（ｂ）に示すように術者が手で掴むことで水平ロボットアーム１１０の水平方向の移動と、当該移動に伴う水平方向回転の滑り、そして水平ロボットアーム１１０に対する上下方向への力の付加を容易に行うことができる形状である。水平方向回転の滑りを許容しながらもスイッチを安定的に押すため、図７に示すように、スイッチがブレーキ解除スイッチ３１１の円筒部に円周上に配置されている。
本実施形態に係るブレーキ解除スイッチ３１１のグリップは円筒形状に構成され、術者が親指と中指、又は親指と人差し指で挟むように把持することが想定される。この場合、水平ロボットアーム１１０が水平方向に移動された場合のグリップの回転の滑りを許容するため、２本指でほぼ平行に挟まれる接触をどの方向からでも反応できる機構を有する。操作者は、ブレーキ解除スイッチ３１１全体を覆う（５本の指が円筒部に接する）ように握ることもできる。
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、ブレーキ解除スイッチ３１１を鉛直方向から見た場合の内部構造を示している。図７（ａ）に示す例では、一般的なタクトスイッチ７０１を円等配で配置し、その外周を回転支点７０３を持つレバー７０２で囲ったものである。レバー７０２は、支点から最も離れた位置ほど押し込み量が多く、タクトスイッチ７０１を押す方向に力が加わりやすいが、回転支点に近付くと相対したタクトスイッチ７０１を押す力が小さくなる。そのため、タクトスイッチ７０１とレバー７０２との組を３つ以上の奇数個で等間隔に配置することで、どの方向からグリップを把持されても２本指のどちらかによってタクトスイッチ７０１を押下することが可能となる。
なお、レバー７０２は回転支点を持つものだけでなく、平行にグリップ中心に向かって押し込まれるものであっても動作可能であるが、上述のように３つ以上の奇数個のレバーを配置することが望ましい。
図７（ｂ）は、３つ以上の奇数個で等間隔にタクトスイッチ７０１を配置し、その外周を弾性樹脂７０５で囲うことによって、どの方向からグリップを把持されてもタクトスイッチ７０１が押されるようにしたものである。この例では、良好なスイッチの感度を有するように、タクトスイッチ７０１の数を図７（ａ）に示した例よりも多くしている。図７（ｃ）に示す例では、一般的な帯状の感圧スイッチ７０４（加圧によって抵抗値が変化するもの）を円筒に配置し、その外周を弾性樹脂７０５で囲うことによって、どの方向からグリップを把持されてもスイッチが押すことが可能なものである。
＜ベクトル操作モード＞
図６及び図７で示したブレーキ解除スイッチ３１１は、水平ロボットアーム１１０を大きく動かす場合やロボット医療器具１２７がロボット側外套管１２５に挿入された後であれば、ロボットアームの操作を容易にする。一方、ロボット医療器具１２７の先端部がロボット側外套管１２５に挿入されていない状態では、２軸のジンバル機構３０１が受動関節であるため、術具マニピュレータ１２４及びロボット医療器具１２７の向きが安定しない。このため、ロボット医療器具１２７をロボット側外套管１２５に挿入する際には操作が困難になる場合がある。
そのため、本実施形態では、図８に示すような２軸のジンバル機構３０１の先である術具マニピュレータ１２４側に２つの入力スイッチを設け、当該入力スイッチに対する操作に基づいてロボットアーム全体を操作可能とするベクトル操作モードを備える。
２つの入力スイッチは前後方向のみを表したものであり、術者は、２軸のジンバル機構３０１より先を手で支持しながら（接触しながら）この前後スイッチのどちらかを押して指示を出すことができる。水平ロボットアーム１１０は、ロボット医療器具１２７のシャフトの軸線上の、押された方向と合致する方向にロボットアームの先端を移動させる。そのため、術具マニピュレータ１２４が２軸のジンバル機構３０１を手動操作するための操作手段として機能することで、ロボットアーム全体の進行方向を決めることができる。換言すれば、水平ロボットアーム１１０は、ロボット医療器具１２７のシャフトの軸方向と、スイッチに対する指示がシャフトの軸方向のいずれの向きを示すかに従って動作を制御する。これにより、ロボット医療器具１２７の先端部をロボット側外套管１２５へ容易かつ円滑に挿入することが可能になる。また、ロボット医療器具１２７の先端を体腔内から抜去する場合にも、このベクトル操作モードを使うことで、臓器への接触を最小限に抑えた抜去動作をすることが可能になる。
なお、上述の例では、水平ロボットアーム１１０においてブレーキ解除スイッチ３１１とベクトル操作モードを用いる例を説明したが、内視鏡ホルダ１１４や直動ロボットアーム１２０を用いる場合にも適用可能である。
図３〜図５で上述した機構は、当該機構に術具マニピュレータ１２４及びロボット医療器具１２７を接続することで、図９に示す５軸の機構等価モデルとなる。この５軸の自由度を持ったロボット医療器具１２７の先端部を患者の腹部に取り付けられた外套管に挿入することで、２軸の自由度が固定される。このため、挿入点９０１を挿入深度及び挿入角度の基準点としながらロボット医療器具１２７の先端部の位置を患者の体腔内で３次元的に制御することが可能になる。
（直動ロボットアームの詳細）
＜直動駆動関節部＞
直動ロボットアーム１２０の詳細について、図１０〜図１２を参照して説明する。図１０に示すように、第３アーム１２３と第２アーム１２３とは、自重モーメントと直動ロボットアーム１２０が受ける外力を十分に許容でき、かつ滑らかな動きをさせるため、水平方向に２つの平行に配置されたボールリニアガイド１００１で接続されている。
第３アーム１２３の駆動は、第２アーム１２２側に固定されている、減速機とモータを含む駆動ユニット１００２によってなされる。もう一端が第３アーム１２３の末端に固定され、水平方向に直動することができる。第３アームセンサユニット１００８は、駆動ユニット１００２によって駆動された第３アーム駆動ベルト１００９の変化に基づき、第３アーム１２３の進退動作を計測する。このタイミングベルトプーリと、配線の直線運動を補助するケーブルガイドは第２アーム１２２及び第３アーム１２３に内包される形で配置されている。２つの平行に配置されたボールリニアガイド１００１の間に、信号線と動力線を第３アーム１２３に接続するための、配線の直線運動を補助するケーブルガイド１０１０を備える。
第３アーム１２３の先端には、水平ロボットアーム１１０と同様にエンコーダを有する２軸のジンバル機構１００３が取り付けられており、その軸線上に内視鏡ホルダ１１４を取り付けることができる。この内視鏡ホルダ１１４は、一般的に使用されている内視鏡１００４を取付けられるように構成されている。必要に応じて内視鏡形状に合わせた内視鏡ホルダ１１４を用いることで、様々な製造元、機能、形状の内視鏡を手術支援装置に取り付けることを可能にする。また、第３アーム１２３の先端付近には、ブレーキ解除スイッチ１０１１が配置されている。
モーメントが許容できる接続ベアリング１００５を介して取り付けられた第１アーム接続プレート１００６に減速機１００７が備わっており、第２アーム駆動モータ１０１２の動力をタイミングベルトプーリによって伝達することで、鉛直方向の回転軸まわりに水平方向回転を可能としている。なお、第１接続プレート１００６を介さず、第１アーム１２１と第２アーム１２２の接続部にモーメントを許容できる中空構造の減速機を直接取り付けてもよい。
第３アーム１２３の先端部にある２軸のジンバル機構１００３は、水平ロボットアーム１１０と同様に動力部を持たない受動関節であるが、アブソリュートエンコーダを２軸とも備えることでロボット医療器具１２７の位置を順運動学を用いて求めることができる。また、ロボットアーム動作時の微振動による影響や患者の呼吸による微小な動きを抑制するため、弾性機構（回転方向におけるダンパや樹脂ばね、金属ばね）、または補助的な動力を用いて姿勢の安定化や特異姿勢の回避機能を有していても良い。
＜垂直駆動関節部＞
次に、図１１を参照して、直動ロボットアーム１２０の垂直駆動関節部について説明する。第１アーム１２１はナット回転型のボールねじによって駆動する。そのため、ボールねじシャフト１１０１は第２フレーム１０２に固定され、駆動側である第１アーム１２１の下部に、回転を可能とするナットと、それを駆動するモータ、減速機、エンコーダを備える駆動ユニット１１０２を有する。このナット回転型ボールねじは一般的に使用されている機構部品を用いることができる。
第１アーム１２１は水平ロボットアーム１１０と同様、ワイヤで接続された自重補償するためカウンターウェイト１１０３を備えることで、駆動ユニット１１０２におけるモータの出力を抑え、かつ直接接触する手動操作でロボットアームを容易に動かすことを可能にする。カウンターウェイト１１０３は支持プーリ１１０６等を介して第２フレーム１０２に２つないし複数に分割し配置することで、ワイヤの安全性を高めながら装置全体の小型化にも効果を奏する。第２フレーム１０２から第１アーム１２１に伸びるケーブル等の運動はケーブルガイド１１０５によって補助される。なお、カウンターウェイト１１０３の使用は必須ではなく、定荷重バネを用いる構成でもよい。
第１アーム１２１は、接続部１１０４を介して第２アーム１２２と接続され、第２アーム１２２は、接続部１１０４において鉛直方向の軸まわりに回転可能に接続されている。
図１０から図１１に示した直動ロボットアーム１２０の機構に内視鏡ホルダ１１４を介して内視鏡１００４を接続することで、図１２に示すような５軸の機構等価モデルとなる。この５軸の自由度を持った内視鏡先端部を患者腹部に取り付けられたロボット側外套管１２５に挿入することで、２軸の自由度が固定され、挿入点を回転中心としながら内視鏡の先端部の位置を体腔内で３次元的に制御することができる。
（ねじ軸の共有化）
腹腔鏡手術が適用される疾患は多岐にわたり、その術式も多様なものである。図１（ｂ）に示した手術台１５１の高さは術式、患者体型、術者の身長などによって最大５００ｍｍ程度垂直方向に移動できるものがある。本実施形態に係る手術支援装置も状況の変化によって変化する手術台高さに対応できる動作量の確保を行うことができる。
一般に、広い動作量を確保するためには装置全体の高さが高くなってしまう。しかし、手術台の高さは術中常時移動するのではなく、手術開始に上記術式等の要因で決定され、術中の移動は多くない。そのため、以下で説明する本実施形態では、術中に常時可動する動作範囲と、手術台の高さに合わせて変化させる動作範囲を機構的に分離しかつ共有化することで、装置サイズを抑えながら十分な動作範囲を確保できるようにしている。具体的に、図１３には、本実施形態に係る、２つのフレーム（第２フレーム１０２、第３フレーム１０３）と直動ロボットアーム１２０の第１アーム１２１との関係を模式的に示している。また、図１４（ａ）には、第３フレームに水平ロボットアーム１１０を取り付けた様子を示している。
例えば、水平ロボットアーム１１０の垂直駆動関節部に手術台１５１の高さの変位と術具マニピュレータの動作範囲を合算した動作範囲を確保しようとすると、背の高いフレームが必要となり、それに付随して直動ロボットアーム１２０の高さも高くなってしまう。そのため、手術台の高さの変位には第３フレーム１０３を上下させて高さを調整する。そして、手持ち医療器具１３１の動作の制御には、第３フレーム１０３に接続された２つの水平ロボットアーム１１０（すなわち第１アーム１１１）を個別に垂直方向へ動作させることで、２段階のストロークを確保できる。図１３及び図１４（ａ）から明らかなように、第３フレーム１０３と直動ロボットアーム１２０の第１アーム１２１とを共通の支持部材に進退可能に取り付けることで、高さ方向だけではなく装置全体を小型化することができる。
図１４（ｂ）には、本実施形態に係る各フレームの断面図を示している。第３フレーム１０３と直動ロボットアーム１２０の第１アーム１２１は、倒れ方向のモーメントに対し高い剛性を保ちつつ重ねて配置することが可能なようにコの字形状になっている。更に、装置の中心にボールねじシャフト１１０１を配置して部品を共有化することで装置の小型化を実現することができる。
一般に、多くのボールねじは軸端にベアリングを取り付け、駆動側にナットを固定し、ねじ軸を回転させることで直動運動をさせる。これに対し、本実施形態では、１つのねじシャフト１１０１を用いて２つの直動運動（すなわち第３フレームと第１アーム１２１の直動運動）を可能にするため、ナット回転型ボールねじを用いる。ねじ軸を共有化することにより、第３フレーム１０３が上昇すると追従して直動ロボットアーム１２０の第１アーム１２１も上昇するため、第１アーム１２１の下限の動作範囲が狭くなる。しかし、直動ロボットアーム１２０第１アームも手術台１５１の高さに合わせ下限の動作範囲を必要としなくなるため、実際上の問題は生じない。すなわち、第３フレームと第１アーム１２１の直動運動において、１つのねじシャフト１１０１を共有することにより、手術に必要なロボットアームの可動範囲を制約するような実際上の不都合を生じさせることなく、承知の小型化や低コスト化を実現することができる。
（各ロボットアームの動作範囲）
図１５（ａ）及び（ｂ）に示す部分的な球状の範囲１５０１〜１５０３は、ロボット医療器具１２７を体腔に挿入する場合における各ロボットアームのアーム先端部の可動範囲の例を表している。この球状の範囲の中心は患者腹部の外套管を挿入した位置であり、球状の範囲の表面にあたる軌跡は、ロボット医療器具１２７の先端部がロボット側外套管１２５から最も引抜かれた位置でのアーム先端部を表現したものである。ロボットアーム単独の可動範囲はこれとは異なるが、ロボット医療器具１２７のシャフトの長さ以上にアーム先端を外套管挿入位置から離すと術具先端部が外套管から引き抜かれてしまうため、図に示す球状の範囲がロボット医療器具１２７の挿入時におけるアーム先端部の最大の可動範囲を示している。
ロボット医療器具１２７の外套管への挿入点１５０４の直上における空間１５０５は２軸のジンバル機構３０１の特異姿勢になるため可動範囲から除かれている。内視鏡１００４を支持する直動ロボットアーム１２０も同様の可動範囲（例えば１５０３）を持つが、水平ロボットアーム１１０との可動範囲の干渉を最小限に抑えるため、対称形状の球状の範囲動作範囲を持っている。実際の術式ではこの動作範囲を常時動作するのではなく、下腹部、上腹部などに集中して行われるため、この球状の範囲のさらに半分程度の形状の範囲が常時動作範囲になると考えられる。図１５（ａ）に示すように、アーム先端部の可動範囲は重なりが多いため、垂直平面に対して対称構造を持つ水平ロボットアーム１１０が適しており、それらの可動範囲を避けるように内視鏡１００４を支持できるアームには、垂直ロボットアーム１２０が適している。
また、術具挿入時におけるロボットアームの先端部の可動範囲から各ロボットアームの干渉を抑える構成は、上述の図１（ｂ）から明らかなように、手持ち医療器具１３１を用いて処置を行ったり、ロボット医療器具１２７を支持するロボットアームを操作したりする術者の手腕への干渉を避け、同時に十分な動作範囲を確保することができる。なお、内視鏡１００４を支持する直動ロボットアーム１２０も同様の可動範囲（１５０３）の可動範囲は術者側の手元を含む場合があるが、内視鏡は手持ち医療器具１３１の先端を移すように移動するため、内視鏡の方向と手持ち医療器具１３１の方向が一致する。すなわち、内視鏡の方向と手持ち医療器具１３１の干渉は抑えられる。
なお、図１５で示した可動範囲は一例であって、厳密にこの範囲である必要はなく、ロボットアームの機械的動作限界範囲のなかで術式などに合わせて縮小、拡大、変形され得る。
（能動関節を有するロボットアームの故障検知システム）
上述の手術支援装置２００は、各ロボットアームの能動関節部に対する故障検知システムを更に備えてもよい。故障検知システムの実現には、各ロボットアームを駆動する全モータにはインクリメンタル型エンコーダを有するサーボモータを使用する。また、減速機の入力側、または出力側に無励磁作動型ブレーキを備え、かつ出力側にアブソリュートエンコーダを備えるようにすればよい。
このようにすれば、ロボットアームに動作指示を与えた際に、モータの指令値に対し出力側の動作量に差異を検出したか否かを判定すればよい。差異を検出したと判定した場合、モータから減速機間における動力伝達異常、減速機の破損、減速機から最終出力軸における動力伝達異常を検出することができる。なお、ここでいう動力伝達は、例えばギヤ、タイミングベルトプーリ、ボールねじ、ワイヤを含む。
一方、ロボットアームへ動作指示を与えていない待機状態であっても、ロボットアームに外力を与える場合、出力側エンコーダとモータエンコーダに差異を検出できる。このため、外力が与えられた際に出力側エンコーダとモータエンコーダに差異を検出したかを判定し、差異を検出したと判定した場合にロボットアームの外部接触等の異常を検出する。
（イニシャライズ処理）
本実施形態の各ロボットアームは受動関節を有している。このため、図９及び図１２で上述したように、術具を患者腹部に取付けられた外套管に挿入し、挿入点９０１を決定することにより、例えば制御部２０１が体腔内でのロボット医療器具１２７の先端の位置を演算、特定することが可能になる。例えば、図１６に示すように各ロボットアームを所定の手順でイニシャライズ処理を行うことにより、挿入した外套管を割付ける作業と、ロボットアームの制御に必要な挿入点９０１の位置情報を取得することができる。
イニシャライズ処理の一連の動作について図１７を参照して説明する。なお、図１７に示すイニシャライズモードの動作は、制御部２０１が記録媒体２０４に格納されたプログラムをメモリ２０５に展開、実行することにより実行される。このイニシャライズ処理は、例えば、術者による（例えばフットスイッチなどの）操作部２０２に対する操作によって、手術支援装置の動作モードが予めイニシャライズモードに設定された状態で開始される。
Ｓ１７０１において、制御部２０１は、ロボット側外套管１２５に挿入されていない第１のロボットアームのブレーキ解除スイッチ３１１又はベクトル操作スイッチ８０１に対する術者の接触による指示（例えばスイッチ押下）を検出する。
Ｓ１７０２において、制御部２０１は、イニシャライズモードに対応するロボットアームの制御を行う。制御部２０１は、押されたスイッチに応じて、イニシャライズモードに含まれる、ブレーキ解除モードとベクトル操作モードのいずれかに切り替わってもよい。例えば、制御部２０１は、ブレーキ解除スイッチ３１１が押された場合には、動作モードをブレーキ解除モードに設定し、対象となるロボットアームのブレーキを解除するようにロボットアームを制御する。制御部２０１は、ベクトル操作スイッチ８０１が押された場合には、動作モードをベクトル操作モードに切り替えて、ベクトル操作スイッチ８０１に対する指示に応じてロボットアームを制御する。
Ｓ１７０３において、制御部２０１は、特定のロボットアームに対するイニシャライズモード時において、他のロボットアームのブレーキ解除スイッチ３１１又はベクトル操作スイッチ８０１が押下されたかを判定する。制御部２０１は、他のロボットアームのブレーキ解除スイッチ３１１又はベクトル操作スイッチ８０１が押下されたと判定した場合はＳ１７０３に進み、そうでない場合には、Ｓ１７０４に進む。
Ｓ１７０４において、制御部２０１は、イニシャライズモードでは、１つのロボットアームごとにロボットアームを動かすよう警告するメッセージを表示部２０３に表示する。この警告は、表示部２０３に表示するものに限らず、不図示の音声出力部から警告音を発生させてもよいし、操作された他のロボットアームに触覚フィードバックを与えてもよい。
Ｓ１７０５において、制御部２０１は、ロボット側挿入深度計測部１２６からの出力に基づいて、ロボット側外套管１２５へのロボット医療器具１２７の挿入を監視する。
Ｓ１７０６において、制御部２０１は、術者による手動操作（ブレーキ解除スイッチ３１１を含むグリップに対する操作やベクトル操作スイッチ８０１に対する操作）に応じてロボットアームの動作を制御し、ロボット医療器具１２７をロボット側外套管１２５に挿入する。
Ｓ１７０７において、制御部２０１は、ロボット側挿入深度計測部１２６からロボット医療器具１２７が未挿入のロボット側外套管１２５に挿入されたことを検知する。Ｓ１７０８において、制御部２０１は、手動操作されたロボットアームと挿入を検知したロボット側外套管１２５とを対応付ける。
Ｓ１７０９において、制御部２０１は、対応付けられたロボット側外套管１２５からの信号に基づいて、ロボット側外套管１２５からロボットアームが抜去されたかを判定する。ロボットアームが抜去されたと判定した場合、Ｓ１７１０に進み、そうでない場合はＳ１７１１に進む。Ｓ１７１０において、制御部２０１は、イニシャライズ処理が完了するまでロボットアームを抜去しないよう警告メッセージを表示部２０３に表示する。
Ｓ１７１１において、制御部２０１は、挿入点９０１の位置を算出する。挿入点の位置の算出については、後述する。Ｓ１７１２において、制御部２０１は、全てのロボット側外套管１２５にロボットアームが対応付けられたかを判定し、全てのロボット側外套管１２５にロボットアームが対応付けられていないと判定した場合、Ｓ１７０１に戻る。一方、全てのロボット側外套管１２５にロボットアームが対応付けられたと判定した場合、手術支援装置の動作モードを元の動作モードに切り替えて、イニシャライズ処理を終了する。
なお、イニシャライズ処理のＳ１７１１における、挿入点９０１の算出方法の例について２つの方法を示す。１つは、挿入検知センサとしても動作するロボット側挿入深度計測部によって検知された、ロボット医療器具１２７の位置を挿入点とする。このようにすることで、制御部２０１は、各リンク長、術具長、関節角から、順運動学を用いてロボット座標系における挿入点の位置を算出することが可能である。
もう１つの方法としては、術具マニピュレータの姿勢から計算するものである。図１８に示すように、ある２つの姿勢におけるジンバル機構の回転中心をP1およびQ1、そのときのロボット医療器具１２７の先端座標をP2およびQ2とする。理想的にはこれらの各姿勢において回転中心は一致するはずであるが、腹壁のたわみ等によって図１８に示すようにねじれの位置となる。そこで、本方法では、これらの姿勢の間の点xを挿入点（回転中心）として用いる。
挿入点xの座標を求めるために、各直線から下した垂線が交わる点S1およびS2を以下の式に従って算出する。
ここで、n1およびn2は術具マニピュレータの姿勢を表す単位ベクトルを、PQ11はP1からQ1へ向かうベクトルを表す。
点S1とS2が求まると、その間の点xは
に従って求めることができる。より多くの姿勢から回転中心の位置を求める場合でも、ここで求めた方法と同様の方法で各中間の点を求め、それらを平均するなどして回転中心として使用することができる。
制御部２０１は、Ｓ１７１１において、上記算出方法の内の１つないし両方を用いて挿入点の位置を算出する。これにより、制御部２０１は、手術支援装置２００が持つ空間座標（ロボット座標系）上でロボット側外套管１２５の位置を特定し、手持ち医療器具の体腔への挿入角度と挿入深度に応じて各ロボットアームの動作を制御することができるようになる。
なお、挿入点は、患者腹膜の微動などにより、術中にロボット座標系において変動してしまう可能性がある。しかし、本実施形態では、ロボットアームが受動関節の２軸のジンバル機構３０１を有しているため、（ＲＣＭ（Remote Center of Motion）機構で挿入点を支持するロボットアームと異なり、）挿入点の微動に追従、検知することが可能である。挿入点の位置が変動する場合、制御部２０１が図１８に示した算出方法を、手持ち術具を用いてロボットアームを制御するループにおいて所定の時間間隔で実行することで、挿入点９０１のロボット座標系におけるズレを随時修正することができる。すなわち、ロボット医療器具１２７の先端部の操作精度を高いまま保つことができる。
なお、術者側外套管１３５については、ロボット側外套管１２５の挿入点の位置を特定する方法とは別個の方法で行い得るが、ロボット側外套管１２５に差し込むロボットアームを用いて行ってもよい。例えば、各ロボットアームと対応するロボット側外套管１２５のイニシャライズ後に、２つあるうちのどちらかのロボット医療器具１２７を割付けた外套管から抜去し、術者側外套管１３５に挿入する。このようにすることで、ロボット座標系における術者側外套管１３５の位置情報を取得することができる。
（半自動牽引モード）
上述のように手術支援装置２００は、術者の手術手技を、ロボットアームを用いて補助するために使用される。例えば、手術支援装置２００を用いれば、ロボット医療器具１２７で臓器を把持してその場に固定することで術野を確保したり、ロボット医療器具１２７に針糸を持たせて運針等を行ったり、内視鏡を意図した位置に移動させたりすることができる。
ここでは、手術支援装置２００の半自動牽引モードについて、ロボット医療器具１２７が臓器を牽引して固定されている状態を例に説明する。術者は臓器に対して何らかの処置（一般的には切離等）を施していくが、ロボット医療器具１２７が空間的に固定されたままであるため、切離が進行して臓器の形状が変化すると次第に牽引力が弱まってしまう場合がある。人間が助手として牽引する際と同様に、術者による手術の進行、状況に合わせて臓器に対する牽引力を簡便に調整可能であれば、より円滑に手術を遂行することが可能になる。
そこで、手術支援装置２００の半自動牽引モードでは、ロボット医療器具１２７を用いる際の牽引力を簡便に調整可能にする。なお、術者は手術支援装置２００の動作モードを半自動牽引モードに切り替えるために、操作部２０２に含まれる手持ち医療器具１３１に取り付けられたスイッチを用いる場合を例に説明するが、他の操作手段を用いてもよく、切り替えは物理的なスイッチに限らず、音声認識やジェスチャ認識に基づくものであってもよい。
まず、術者は、例えば処置に用いる術具を用いてロボットアームを制御し、ロボット医療器具１２７によって臓器を牽引させる。このとき、制御部２０１は、ロボット医療器具１２７の先端座標の軌跡を、ロボット医療器具１２７に対する操作開始から終了までに渡ってメモリ２０５に一時的に記録する。制御部２０１は、記録した軌跡から、操作終了の直前に移動していた方向（牽引方向という）を算出する。但し、牽引方向としては最後のサンプリングで得られた方向だけでなく、操作終了直前の所定期間の先端位置の移動を積分して求めた或いは平均して求めた方向でもよい。
制御部２０１は、半自動牽引モードへの切り替え操作を検知したことに応じて、ロボット医療器具１２７の先端座標が牽引方向と一致する一定の方向のみに動くようにロボットアームを制御する（医療器具１２７の先端位置の移動を制限する）。すなわち、術具を用いてロボット医療器具１２７の先端位置を制御する通常の動作モードでは、６自由度の位置決めを術具による操作で行なう必要があるが、半自動牽引モードを用いれば１自由度の操作をするだけで牽引力の調整が可能となる。
半自動牽引モードにおいて先端位置を牽引方向に移動させる大きさや速さの調整については、術具を用いた操作に限らず、操作部２０２のフットスイッチ等を用いてもよいし、新たにスイッチ等を付け足しても良い。例えば、制御部２０１は、半自動牽引モードにおいて、術者が持つ術具がシャフト周りに右回転したことを検知すると牽引力を強くする方向に、左回転させたことを検知すると牽引力を弱くする方向に、制御してもよい。１自由度の速度を変化させられる方法であれば他の方法であってもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る手術支援装置では、体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能なロボット医療器具１２７の姿勢を、体腔に挿入される手持ち医療器具１３１を用いて制御可能にした。そして、手術支援装置の動作モードがロボットアームを操作するモードである場合、手持ち術具の姿勢に応じてロボットアームの動作を制御する。その一方、動作モードが手動操作モードである場合、ロボットアームに対する手動操作に応じてロボットアームの動作を制御するようにした。このようにすることで、手術室への設置が困難なコンソールを必要とせず、かつ簡便な操作でロボットアームを操作可能な手術支援装置を提供することが可能になる。また、最低限の術者によって操作可能になるため、ロボットアームと術者との干渉も低減される。
更に、水平ロボットアームを装着するフレームと直動ロボットアームの鉛直方向の進退とを共通の支持部材を用いて実現するようにした。このようにすることで、手術支援装置を小型化、低コスト化することができるようになる。
なお、上述した手術支援装置の構成のそれぞれが分離され又は統合された構成として実現されてもよい。また、本発明は、上述した処理を実行するコンピュータのプログラムを、１つ以上のプロセッサを含む制御部が記録媒体から読み出して実行する場合のほか、当該プログラムを有線通信又は無線通信を介して取得して実行する場合を含み得る。
１１０…水平ロボットアーム、１２０…直動ロボットアーム、１２６…ロボット側挿入深度計測部、１３１…手持ち医療器具、１３２…術具動作計測部、１３６…術者側挿入深度計測部、２０１…制御部

Claims (19)

  1. 体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第１術具の姿勢を、前記体腔に挿入される第２術具を用いて制御可能な手術支援装置であって、
    取り付けられた前記第１術具の姿勢を制御するロボットアームと、
    前記ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替える切替手段と、
    前記動作モードに応じて、前記ロボットアームの動作を制御する制御手段と、を有し、
    前記動作モードは、前記第１術具を制御するために前記第２術具を用いる第１モードと、前記ロボットアームに対する接触を含む操作により前記ロボットアームを移動させる第２モードとを含み、
    前記制御手段は、前記動作モードが前記第１モードである場合、前記第２術具の姿勢に応じて前記第１術具の姿勢を制御するように、前記ロボットアームの動作を制御し、前記動作モードが前記第２モードである場合、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作に応じて前記ロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする手術支援装置。
  2. 前記動作モードは、処置のために前記第２術具を用いる第３モードを更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の手術支援装置。
  3. 前記切替手段は、前記ロボットアームに対する接触を含む操作を検知したことに応じて、前記動作モードを前記第２モードに切り替える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の手術支援装置。
  4. 前記第２モードは、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作によって受ける力に従って前記ロボットアームを移動させることができる解除モードと、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作によって入力される指示に従って前記ロボットアームを駆動するベクトル操作モードとを含む、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の手術支援装置。
  5. 前記制御手段は、前記動作モードが前記解除モードである場合、前記ロボットアームの姿勢を維持するために与える駆動力の少なくとも一部又はブレーキの少なくとも一部を解除する、ことを特徴とする請求項４に記載の手術支援装置。
  6. 前記制御手段は、前記動作モードが前記ベクトル操作モードである場合、前記第１術具のシャフトの軸方向と、前記指示が該第１術具のシャフトの軸方向のいずれの向きを示すかに従って、前記ロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする請求項４に記載の手術支援装置。
  7. 前記ロボットアームは、鉛直方向に進退可能な第１アームと、鉛直方向の軸まわりの回転によりアームが移動する１つ以上の第２アームとを有する第１ロボットアームを含む、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の手術支援装置。
  8. 前記第１ロボットアームの前記第１アームを鉛直方向に進退可能に取り付けた第１基盤と、前記第１基盤が鉛直方向に進退可能に取り付けられた第２基盤とを更に有する、ことを特徴とする請求項７に記載の手術支援装置。
  9. 鉛直方向に進退可能な第３アームと、鉛直方向の軸まわりの回転によりアームが移動する第４アームと、前記第４アームの軸方向に進退可能な第５アームとを含む第２ロボットアームを更に含む、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の手術支援装置。
  10. 前記第１ロボットアームの前記第１アームを鉛直方向に進退可能に取り付けた第１基盤と、
    前記第１基盤が鉛直方向に進退可能に取り付けられた第２基盤と、
    鉛直方向に進退可能な第３アームと、鉛直方向の軸まわりの回転によりアームが移動する第４アームと、前記第４アームの軸方向に進退可能な第５アームとを含む第２ロボットアームと、を更に有し、
    前記第１基盤と前記第２ロボットアームとは、前記第２基盤に備わる共通の支持部材に鉛直方向に進退可能に取り付けられる、ことを特徴とする請求項７に記載の手術支援装置。
  11. 前記制御手段は、前記第１モードにおいて、所定の操作を検知したことに応じて、前記第１術具の先端位置の移動を制限するようにロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の手術支援装置。
  12. 前記制御手段は、前記所定の操作を検知したことに応じて、前記第１術具の先端位置が一定の方向のみに動くようにロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする請求項１１に記載の手術支援装置。
  13. 前記制御手段は、前記第１術具の先端位置の移動を制限する前の前記第１術具の先端位置の軌跡に基づいて、前記ロボットアームの動作を制御することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の手術支援装置。
  14. 前記制御手段は、前記動作モードが前記第２モードにおいて、前記ロボットアームに取り付けられた前記第１術具の先端が前記体腔に挿入される外套管に挿入されたことを検知したことに応じて、前記ロボットアームと前記外套管とを対応付ける、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の手術支援装置。
  15. 前記制御手段は、前記動作モードが前記第２モードである場合において、前記ロボットアームに取り付けられた前記第１術具の先端が前記体腔に挿入される外套管に挿入されたことを検知したことに応じて、前記第１術具のシャフトの前記体腔への挿入角度と挿入深度の基準点の位置を算出する、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の手術支援装置。
  16. 前記制御手段は、前記第１術具のシャフトの前記体腔への挿入角度と挿入深度の基準点の位置を、前記第１術具のシャフトの前記体腔への挿入角度を異ならせた複数の前記第１術具の姿勢に基づいて算出する、ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の手術支援装置。
  17. 前記制御手段は、前記動作モードが前記第１モードである場合において、所定の時間間隔で、前記基準点の位置を、前記複数の前記第１術具の姿勢に基づいて算出する、ことを特徴とする請求項１６に記載の手術支援装置。
  18. 体腔に挿入され且つ機械的に駆動可能な第１術具の姿勢を、前記体腔に挿入される第２術具を用いて制御可能な手術支援装置の制御方法であって、前記手術支援装置は、取り付けられた前記第１術具の姿勢を制御するロボットアームと、切替手段と、制御手段とを含み、前記手術支援装置の制御方法は、
    前記切替手段が、前記ロボットアームの動作を制御するための動作モードを切り替える切替工程と、
    前記制御手段が、前記動作モードに応じて、前記ロボットアームの動作を制御する制御工程と、を有し、
    前記動作モードは、前記第１術具を制御するために前記第２術具を用いる第１モードと、前記ロボットアームに対する接触を含む操作により前記ロボットアームを移動させる第２モードとを含み、
    前記制御工程では、前記動作モードが前記第１モードである場合、前記第２術具の姿勢に応じて前記第１術具の姿勢を制御するように、前記ロボットアームの動作を制御し、前記動作モードが前記第２モードである場合、前記ロボットアームに対する前記接触を含む操作に応じて前記ロボットアームの動作を制御する、ことを特徴とする手術支援装置の制御方法。
  19. コンピュータを、請求項１から１７のいずれか１項に記載の手術支援装置の各手段として機能させるためのプログラム。
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