JP2021023705A - 手術マニピュレータの入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作力をきめ細かく設定できる手術マニピュレータの入力装置を提供する。【解決手段】手術マニピュレータの入力装置２Ａは、関節を有し、先端部に操作者が操作する操作部７４を備えるマスターアーム１０と、前記マスターアーム１０の関節ＪＴ１〜ＪＴ７を、動力伝達要素を介して駆動するモータＭ１〜Ｍ７と、前記操作者の前記操作部７４の操作により動く前記動力伝達要素の速度及び加速度の少なくともいずれかに基づいて前記マスターアーム１０の慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を演算し、当該力補償量の力補償を行うよう前記モータＭ１〜Ｍ７の動作を制御する制御器Ｃ１と、を備える。制御器Ｃ１は、前記慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を調整するように構成されている。【選択図】 図９

Description

本発明は、手術マニピュレータの入力装置に関する。

手術マニピュレータの入力装置として、例えば、特許文献１に記載された、マスター装置が知られている。このマスター装置では、３軸のアームの先端部にリストが回動自在に設けられている。リストは自由度３のジンバルを構成する３軸（関節）のリンク連結体に形成されている。この３軸のリンク連結体の先端部に操作者が操作するハンドルが形成されている。そして、プロセッサが、リストの各軸（関節）の回転位置に基づいて、アームの先端部に対してリストを回動させることによって、リストの各軸を直角に近い角度に制御する。これにより、ハンドルがいずれの方角に回転しても、マスターのリンク連結体の慣性及び摩擦を最小にすることができる（特許文献１の段落［００２９］参照）。

米国ＵＳ２００２／０１２０３６３Ａ１特許公開公報

ところで、手術ロボット（手術マニピュレータ）を用いて手術するためには、操作者が微妙な力加減でハンドルを操作する必要がある。そのため、マスター装置（手術マニピュレータの入力装置）には、操作者がハンドル（操作部）を操作するために必要な力（以下、操作力という場合がある）を調整できることが要求される。

しかしながら、特許文献１の記載では、そもそも、操作力の一部となるマスターのリンク連結体の慣性力が補償されているか否かが、明らかではない。従って、当然のことながら、特許文献１は、慣性力を含む操作力を調整することについては全く言及（開示）していない。そのため、操作力を調整できないとう課題があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、操作力を調整できる手術マニピュレータの入力装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のある形態（aspect）に係る手術マニピュレータの入力装置は、関節を有し、先端部に操作者が操作する操作部を備えるマスターアームと、前記マスターアームの関節を、動力伝達要素を介して駆動するモータと、前記操作者の前記操作部の操作により動く前記動力伝達要素の速度及び加速度の少なくともいずれかに基づいて前記マスターアームの慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を演算し、当該力補償量の力補償を行うよう前記モータの動作を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を調整するように構成されている。

ここで、「力補償量」とは、マスターアームの慣性力及び粘性力の少なくともいずれかの一部又は全部を打ち消す力の大きさを意味する。また、操作者がマスターアームを操作すると、操作者にマスターアームからの抵抗力が加わる。この抵抗力は、マスターアームの慣性及び加速度に比例する慣性力と、マスターアームの粘性及び速度に比例する粘性力とを含む。以下では、抵抗力の補償量を「抵抗力補償量」と呼び、慣性力の補償量を「慣性力補償量」と呼び、粘性力の補償量を「粘性力補償量」と呼ぶ。従って、マスターアームに加わる重力を無視した場合（又は、操作力に重力補償がなされている場合）、抵抗力と抵抗力補償量との差が、操作者がマスターアームを操作するために必要な力である操作力になる。

上記構成によれば、制御器が、操作者の操作部の操作により動く動力伝達要素の速度及び加速度の少なくともいずれかに基づいてマスターアームの慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を演算し、この力補償量の力補償を行うようモータの動作を制御するので、例えば、力補償量として、マスターアームの慣性力に対する力補償量、マスターアームの粘性力に対する力補償量、又はマスターアームの慣性力及び粘性力に対する力補償量を選択することによって、操作力をきめ細かく設定できる。その上、制御器が、前記慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を調整するので、操作力を調整できる。

補償量の大きい順にランク付けされた複数のランク付け力補償量を記憶する記憶器と、前記複数のランク付け力補償量のいずれかを指定するための入力器と、を備え、前記制御器は、前記慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を、前記入力器によって指定されたランク付け力補償量に調整するように構成されていてもよい。

この構成によれば、操作者が好む操作力となるように力補償する補償量にランク付けされたランク付け力補償量を入力器に入力すると、制御器が、力補償量を、指定されたランク付け力補償量に調整するので、操作力を、操作者が好む操作力に設定できる。

指定力補償量を複数の前記操作者のそれぞれに対応させて記憶する記憶器と、前記指定力補償量に対応する操作者を特定するための入力器と、を備え、前記制御器は、前記慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を、前記入力器によって特定された前記操作者に対応する指定力補償量に調整するように構成されていてもよい。

この構成によれば、各操作者が希望する操作力となるように力補償する指定力補償量を、当該各操作者に対応させて記憶器に記憶させることによって、操作力を、操作者が希望する操作力に設定できる。

前記制御器は、前記動力伝達要素の速度を取得する速度取得部と、前記動力伝達要素の加速度を取得する加速度取得部と、前記速度取得部が取得した前記動力伝達要素の速度と前記マスターアームの粘性とに基づいて前記粘性力に対する力補償量を演算する粘性力補償量演算部と、前記加速度取得部が取得した前記動力伝達要素の加速度と前記マスターアームの慣性とに基づいて前記慣性力に対する力補償量を演算する慣性力補償量演算部と、前記粘性力に対する力補償量及び前記慣性力に対する力補償量の力補償を行うための電力を、前記モータに供給する電力変換器と、を備えてもよい。

この構成によれば、操作力をきめ細かく設定でき、その上、操作力を調整できる手術マニピュレータの入力装置を実現できる。

前記マスターアームは、複数の前記関節を有し、前記入力装置は、複数の前記動力伝達要素と、各前記モータが各前記関節を、各前記動力伝達要素を介して駆動する複数の前記モータと、を備え、前記制御器は、各前記関節について、前記操作者の前記操作部の操作により動く各前記動力伝達要素の速度及び加速度に基づいて、前記マスターアームの各関節により駆動される部分の慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を演算し、当該力補償量の力補償を行うよう各前記モータの動作を制御するよう構成されていてもよい。

この構成によれば、複数の関節を有するマスターアームを備える手術マニピュレータの入力装置において、操作力をきめ細かく設定でき、その上、操作力を調整できる。

前記制御器は、各前記関節毎に、前記マスターアームの各関節により駆動される部分の慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を調整するように構成されていてもよい。

この構成によれば、複数の関節を有するマスターアームを備える手術マニピュレータの入力装置において、各関節毎に、力補償量を調整できるので、よりきめ細かく操作力を調整できる。

前記制御器は、さらに、前記マスターアームの姿勢が重力によって変化しないように前記モータの動作を制御するよう構成されていてもよい。

この構成によれば、操作者がマスターアームを停止させると、マスターアームが停止位置に止まる。

前記制御器は、さらに、前記操作者の前記操作部の操作により動く前記動力伝達要素の位置に基づいて前記操作部の位置を演算し、この演算した前記操作部の位置を手術マニピュレータに出力するよう構成されていてもよい。

この構成によれば、手術マニピュレータを操作部の位置に従って動作させることができる。

本発明は、操作力をきめ細かく設定でき、その上、操作力を調整できる手術マニピュレータの入力装置を提供できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係る手術マニピュレータの入力装置を含むロボット支援手術システムの一例の概要を示す模式図である。 図２は、図１のロボット支援手術システムが備えるハンドコントロールの一例の外観の概要を示す模式図である。 図３は、図２に示す入力装置の概要を模式的に示す側面図である。 図４は、図３のマスターアームのアーム部のうちの肩部の縦断面を示す断面図である。 図５は、図３のマスターアームのアーム部のうちの上腕部の縦断面を示す断面図である。 図６は、図３のマスターアームのリスト部の外観を示す斜視図である。 図７は、図６のリスト部の第４リンク及び第５リンクの縦断面を示す断面図である。 図８は、図６のリスト部の第６リンク及び操作部の縦断面を示す断面図である。 図９は、入力装置及び手術マニピュレータの制御系統の構成の一例を示す機能ブロック図である。 図１０は、図９の入力装置制御器の構成の一例を示す機能ブロック図である。 図１１は、図９の抵抗力補償量演算部の構成を示すブロック図である。 図１２は、ランク付け力補償量の一例を示すググラフである。 図１３は、操作者毎の指定力補償量の一例を示すググラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、以下の図は、本発明を説明するための図であるので、それらの図において本発明に無関係な要素が省略される場合、誇張等のために寸法が正確でない場合、複数の図において、互いに対応する要素が一致しない場合等がある。

なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態）
［構成］
｛ハードウェアの構成｝
図１は、本発明の実施形態１に係る手術マニピュレータの入力装置を含むロボット支援手術システムの一例の概要を示す模式図である。図２は、図１のロボット支援手術システムが備えるハンドコントロールの一例の外観の概要を示す模式図である。以下では、図１及び図２の上下方向を絶対空間における上下方向として説明する。

図１及び図２を参照すると、ロボット支援手術（RAS：Robotically-Assisted Surgical）システム２００は、ポジショナ２０１と、手術マニピュレータ２０２と、ハンドコントロール１００と、を備える。

＜ロボット支援手術システム２００＞
図１を参照すると、例えば、手術室に手術台２０３が配置され、手術台２０３の上に患者２０４が横たえられる。手術台２０３の近傍にポジショナ２０１が配置される。ポジショナ２０１は、例えば多関節ロボットで構成される。ポジショナ２０１の先端部のベース２０１ａに多関節ロボットで構成される手術マニピュレータ２０２が取り付けられている。手術マニピュレータ２０２は、例えば、基部と、アーム部４０１と、エンドエフェクタ部とを有し、基部がベース２０１ａに固定され、基部とリンク４０４、リンク４０４同士、リンク４０４とエンドエフェクタ部とが複数の関節によって連結されている。基部には、複数（ここでは、例えば、４本）のアーム部４０１が連結されている。複数のアーム部４０１の先端には、エンドエフェクタ部として、それぞれ、手術ツール４０２が取り付けられる。

ポジショナ２０１は、手術マニピュレータ２０２を、当該手術マニピュレータ２０２が患者２０４に手術を施すのに適した位置に搬送する。

＜ハンドコントロール１００＞
図２には、ハンドコントロール１００の概要が示されている。なお、図２は、ハンドコントロール１００の概念を判り易く示す図であり、そのため、図２には、特に入力装置２の細部の構造が、後述する図３〜図８に示される具体的な構造と異なって示されている。

図２を参照すると、ハンドコントロール１００は、操作者（手術する医師）が手術マニピュレータ２０２の動作を制御して手術を行うための装置である。ハンドコントロール１００は、ポジショナ２０１及び手術マニピュレータ２０２と、有線又は無線により、電気的に接続されている。ハンドコントロール１００は、例えば、手術台の近傍又は別室に配置される。

ハンドコントロール１００は、ここでは、本体１と、入力装置２と、複数のペダル４と、表示部５と、ビュアー（不図示）と、を備える。

本体１は、側面から見て略Ｌ字状に形成されており、本体１の、当該本体１に向かって右側及び左側の部分に、それぞれ、右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂ（手術マニピュレータの入力装置）が設けられている。右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂは、操作者が、それぞれ、右手及び左手で操作するためのものである。右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂは、それぞれ、スレーブロボットとしての手術マニピュレータ２０２の各アーム部４０１に対するマスター入力装置として機能する。

本体１の上部には、前方に突出するようにＵ字状の支持部材３が設けられている。支持部材３の前端部の中央部に表示部５が設けられている。表示部５は、例えば、タッチパネルで構成されていて、操作者がハンドコントロール１００に各種の設定を行うための情報を表示又は入力するための画面として機能する。ビュアー（不図示）は、ハンドコントロール１００の上部に設けられるが、ビュアーの構成及び機能は良く知られているので、図２では、入力装置２を見易くするために、図示を省略している。ビュアーには、手術マニピュレータ２０２のアーム部４０１の先端にエンドエフェクタ部として取り付けられた内視鏡（手術ツール４０２）によって撮像された画像が表示される。

本体１の下部には、前方に突出するように複数（ここでは４本）のペダル４が設けられている。複数のペダル４は、右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂと手術マニピュレータ２０２の各アームとの接続の切り替え、表示部５に表示される画像のズーム等を行うものである。

操作者は、例えば、ハンドコントロール１００の前に配置された椅子に腰かけた状態で、ビュアーに表示される患者２０４の体内の画像を見ながら、右入力装置２Ａ又は左入力装置２Ｂを右又は左の手で操作して手術を行う。

＜手術マニピュレータ２０２の入力装置２＞
図３は、図２に示す入力装置２の概要を模式的に示す側面図である。図３には、入力装置２の構成が簡略化されて示されている。入力装置２の具体的な構造例は、図４〜図８を参照されたい。図３には、右入力装置２Ａが示されている。左入力装置２Ｂは、右入力装置２Ａの左右方向の構造を逆にしただけである。従って、左入力装置２Ｂの説明を省略する。以下では、便宜上、図３の上下方向を及び左右方向を、それぞれ、右入力装置２Ａの上下方向及び前後方向とする。右入力装置２Ａは、初期状態において、図３に示す基準姿勢を取る。

図３を参照すると、右入力装置２Ａは、側面視において、略Ｌ字状の基準姿勢を取る。以下、右入力装置２Ａの基準姿勢を単に「基準姿勢」という場合がある。右入力装置２Ａは、マスターアーム１０を備える。マスターアーム０は、アーム部１１とリスト部１２とを備える。

｛アーム部１１｝
アーム部１１は、例えば、基体２１と、第１リンク２２と、第２リンク２３と、第３リンク２４とを備える。基体２１はハンドコントロール１００の本体１に固定されている。基体２１の上下方向における一方の端部（ここでは下端部）に、第１リンク２２の一方の端部（ここでは上端部）が、第１関節ＪＴ１を介して、上下方向に延びる第１回動軸線Ａ１の周りに回動自在に連結されている。第１リンク２２の他方の端部（ここでは下端部）に、第２リンク２３の一方の端部（ここでは上端部）が、第２関節ＪＴ２を介して、第１回動軸線Ａ１に直交し且つ左右方向に延びる第２回動軸線Ａ２の周りに回動自在に連結されている。第２リンク２３の他方の端部（ここでは下端部）に、第３リンク２４の一方の端部（基準姿勢における後端部）が、第３関節ＪＴ３を介して、第２回動軸線Ａ２に平行に延びる第３回動軸線Ａ３の周りに回動自在に連結されている。また、第１リンク２２の他方の端部には、揺動部材２５の一方の端部が第２回動軸線Ａ２の周りに回動自在に設けられている。揺動部材２５の他方の端部には、補助リンク２６の一方の端部（ここでは、上端部）が第９回動軸線Ａ９の周りに回動自在に連結されている。第９回動軸線Ａ９は、第２回動軸線Ａ２に平行で且つ第２回動軸線から所定距離だけ離れて延在する。補助リンク２６の他方の端部（ここでは下端部）は、第３リンクの一方の端部に第１０回動軸線Ａ１０の周りに回動自在に連結されている。第１０回動軸線Ａ１０は、第３回動軸線Ａ３に平行で且つ第３回動軸線から第３リンク２４の一方の端向かう方向に上記所定距離だけ離れて延在する。つまり、補助リンク２６及び第２リンク２３は、平行リンクを構成している。

第３リンク２４の他方の端部（基準姿勢における前端部）には、リスト部１２が、第４関節ＪＴ４を介して、第４回動軸線Ａ４の周りに回動自在に連結されている。第４回動軸線Ａ４は、第３回動軸線Ａ３及び第１０回動軸線Ａ１０を含む平面に直交するように延在する。

図４は、図３の入力装置のアーム部１１のうちの肩部の縦断面を示す断面図である。図４を参照すると、肩部は基体２１で構成され、基体２１は、枠体状に形成されている。基体２１には、第１モータＭ１が下向きに設けられている。具体的には、第１モータＭ１は、主軸Ｓ１が第１回動軸線Ａ１と同軸になるように設けられている。第１モータＭ１には、第１モータＭ１の回転角を検知する第１回転角検知器Ｅ１が設けられている。第１回転角検知器Ｅ１は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第１回転角検知器Ｅ１は、ここでは、第１モータＭ１の主軸Ｓ１に直結されたエンコーダで構成される。主軸Ｓ１は、円筒状の連結部材６２を用いて、第１リンク２２の第１回転軸Ｒ１（図５参照）と同軸に突き合わせ接続されている。

図５は、図３の右入力装置２Ａのアーム部１１のうちの上腕部の縦断面を示す断面図である。図５を参照すると、アーム部１１の上腕部は、第１リンク２２、第２リンク２３、及び補助リンク２６を含む。第１リンク２２は、枠体状に形成されている。第１リンク２２の一方の端部（ここでは、上端部）には、第１回転軸Ｒ１が設けられている。上述のように、第１回転軸Ｒ１は、第１モータＭ１の主軸Ｓ１と同軸に接続されている。この第１回転軸Ｒ１及び第１モータＭ１によって、第１関節ＪＴ１が構成されており、これにより、第１リンク２２が、基体２１に対し、第１回動軸線Ａ１の周りに自在に回動することが可能であり、第１リンク２２の回動による第１モータＭ１の回転角を第１回転角検知器Ｅ１によって検知することが可能であり、且つ、第１モータＭ１によって第１回転軸Ｒ１を回転駆動することが可能である。

第２リンクは、中空の棒状に形成されている。第２リンク２３の一方の端部（上端部）には、第２回転軸Ｒ２が設けられている。この第２回転軸Ｒ２が、軸受５１を介して、第１リンク２２の他方の端部（下端部）に、第２回動軸線Ａ２の周りに回動自在に取り付けられている。この第２回転軸Ｒ２及び軸受５１によって、第２関節ＪＴ２が構成されており、これにより、第２リンク２３が、第１リンク２２に対し、第２回動軸線Ａ２の周りに自在に回動することが可能である。

第２回転軸Ｒ２には、従動プーリー３３が設けられている。一方、第１リンク２２には、主軸Ｓ２の中心軸が第２回動軸線Ａ２に平行になるように、第２モータＭ２が設けられている。第２モータＭ２には、第２モータＭ２の回転角を検知する第２回転角検知器Ｅ２が設けられている。第２回転角検知器Ｅ２は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第２回転角検知器Ｅ２は、ここでは、第２モータＭ２の主軸Ｓ２に直結されたエンコーダで構成される。

第２モータＭ２の主軸Ｓ２には、駆動プーリー３２が設けられている。この駆動プーリー３２と従動プーリー３３とにベルト３４が巻き掛けられている。これにより、第２リンク２３の回動による第２モータＭ２の回転角を第２回転角検知器Ｅ２によって検知することが可能であり、且つ、第２モータＭ２によって第２回転軸Ｒ２を回転駆動することが可能である。

さらに、第２リンク２３の適所（ここでは中央部）と第１リンク２２との間に引張コイルバネ（補助バネ）ＳＰ１が設けられている。この引張コイルバネＳＰ１は、中心軸が第２回動軸線Ａ２と第３回動軸線Ａ３とに直交するように設けられている。また、この引張コイルバネＳＰ１は、第２リンク２３が基準姿勢から回動すると、その回動方向に所定のトルクを第２回転軸Ｒ２に対して作用させるように設計されている。この所定のトルクは、アーム部１１の第２リンク２３から先の部分及びリスト部１２の自重によって第２回転軸Ｒ２に発生するトルク（以下、重力トルクという場合がある）の一部を打ち消すようなトルクに設定されている。これにより、第２回転軸Ｒ２に発生する重力トルクの一部が引張コイルバネＳＰ１によって打ち消される。

第３リンク２４は、棒状の箱体に形成されていて、内部に主要な要素が収容されている。第３リンク２４の一方の端部（後端部）には、第３回転軸Ｒ３が設けられている。この第３回転軸Ｒ３が、軸受５２を介して、第２リンク２３の他方の端部に、第３回動軸線Ａ３の周りに回動自在に取り付けられている。この第３回転軸Ｒ３及び軸受５２によって、第３関節ＪＴ３が構成されており、これにより、第３リンク２４が、第２リンク２３に対し、第３回動軸線Ａ３の周りに自在に回動することが可能である。

一方、揺動部材２５は細長い板状に形成されていて、この揺動部材２５の一方の端部に、第１１回転軸Ｒ１１が設けられている。この第１１回転軸Ｒ１１が、軸受５３を介して、第１リンク２２の他方の端部に第２回動軸線Ａ２の周りに回動自在に取り付けられている。

また、揺動部材２５の他方の端部に第９回転軸Ｒ９が設けられている。この第９回転軸Ｒ９が、軸受（不図示）を介して、補助リンク２６の一方の端部に第９回動軸線Ａ９の周りに回動自在に連結されている。

また、第３リンク２４の一方の端と第３関節ＪＴ３との間の部分に第１０回転軸Ｒ１０が設けられている。この第１０回転軸が、軸受（不図示）を介して、補助リンク２６の他方の端部に第１０回動軸線Ａ１０の周りに回動自在に連結されている。なお、上述のように、補助リンク２６と第２リンク２３とは平行リンクを構成している。

さらに、第１１回転軸Ｒ１１には、従動プーリー４４が設けられている。一方、第１リンク２２の適宜な位置に、主軸Ｓ３の中心軸が第１１回動軸線Ａ１１に平行になるように、第３モータＭ３が設けられている。第３モータＭ３には、第３モータＭ３の回転角を検知する第３回転角検知器Ｅ３が設けられている。第３回転角検知器Ｅ３は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第３回転角検知器Ｅ３は、ここでは、第３モータＭ３の主軸Ｓ３に直結されたエンコーダで構成される。

第３モータＭ３の主軸Ｓ３には、駆動プーリー４２が設けられている。この駆動プーリー４２と従動プーリー３３とにベルト３４が巻き掛けられている。

以上の補助リンク２６に関連する構成によれば、第３リンク２４が回動すると、補助リンク２６が第２リンク２３に平行に移動し、それによって揺動部材２５が揺動し、この揺動部材２５の揺動に応じて、従動プーリー４４、駆動プーリー４２、及び第３モータＭ３が順に回転する。従って、この一連の動作により、第３リンク２４の回動による第３モータＭ３の回転角を第３回転角検知器Ｅ３によって検知することが可能である。また、この一連の動作の逆の動作により、第３モータＭ３によって第３回転軸Ｒ３を回転駆動することが可能である。

さらに、揺動部材２５と第１リンク２２との間に圧縮コイルバネ（不図示）が設けられている。この圧縮コイルバネは、常時、揺動部材を下方に回動させるトルクを発生するように設計されている。このトルクは、アーム部１１の第３リンク２４及びリスト部１２の自重によって第９回転軸Ｒ９に発生する重力トルクの一部を打ち消すようなトルクに設定されている。これにより、第９回転軸Ｒ９に発生する重力トルクの一部がこのコイルバネによって打ち消される。

｛リスト部１２｝
図６は、図３の入力装置のリスト部１２の外観を示す斜視図である。図６は、基準姿勢にあるリスト部１２を示している。図６を参照すると、リスト部１２は、例えば、第４リンク７１と、第５リンク７２と、第６リンク７３と、第７リンクとしての操作部７４とを備える。第４リンク７１、第５リンク７２、第６リンク７３、及び操作部７４は、３軸（自由度３）のジンバルを構成している。具体的には、第５リンク７２が、第４リンク７１に対し、第５回動軸線Ａ５の周りに回動自在であり、第６リンク７３が、第５リンク７２に対し、第５回動軸線Ａ５に直交する第６回動軸線Ａ６の周りに回動自在であり、操作部７４が、第６リンク７３に対し、第５回動軸線Ａ５及び第６回動軸線Ａ６に直交する第７回動軸線Ａ７の周りに回動自在である。従って、操作者は、操作部７４を、これら３つの回動軸線Ａ５〜Ａ７の交点を中心に回動させて、任意の方向に向けることができる。

図３及び図６を参照すると、第４リンク７１はＬ字状に形成されていて、この第４リンク７１の一方の端部（基準姿勢における前端部）が、第４関節ＪＴ４を介して、第４回動軸線の周りに回動自在に第３リンク２４（図３参照）の他方の端部（基準姿勢における前端部）に連結されている。第４回動軸線Ａ４は、第３回動軸線Ａ３及び第１０回動軸線Ａ１０を含む平面に直交する。

図６を参照すると、第４リンク７１の他方の端部（基準姿勢における後端部）に、第５リンク７２の一方の端部（基準姿勢における後端端部）が、第５関節ＪＴ５を介して、第４回動軸線Ａ４に直交する第５回動軸線Ａ５の周りに回動自在に連結されている。第５リンク７２は、第４リンク７１より一回り小さいＬ字状に形成されている。第５リンク７２の他方の端部（基準姿勢における前端部）に、第６リンク７３の一方の端部（基準姿勢における右端部）が、第６関節ＪＴ６を介して、第６回動軸線Ａ６の周りに回動自在に連結されている。第６リンク７３は、第５リンク７２より一回り小さいＬ字状に形成されている。第６リンク７３の他方の端部（基準姿勢における左端部）に、操作部７４の一方の端部（基準姿勢における左端部）が、第７関節ＪＴ７を介して、第７回動軸線Ａ７の周りに回動自在に連結されている。操作部７４は、棒状の本体と、この本体に設けられた一対の円筒状の指挿入部７４ａとを備える。一対の指挿入部７４ａは、操作者がこれらに親指と人差し指とを挿入し、親指と人差し指とで、あたかも物をつまんだり放したりするように一対の指挿入部７４ａを操作することができるように構成されている。

次に、リスト部１２の詳細な構造の一例を説明する。

図７は、図６のリスト部１２の第４リンク７１及び第５リンク７２の縦断面を示す断面図である。図８は、図６のリスト部１２の第６リンク７３及び操作部７４の縦断面を示す断面図である。図７はリスト部１２を、第５回動軸線Ａ５及び第６回動軸線Ａ６を含む平面で切断した断面を示し、図８はリスト部１２を、第６回動軸線Ａ６及び第７回動軸線Ａ７を含む平面で切断した断面を示す。

図７を参照すると、第４リンク７１は、Ｌ字状の箱体に形成されていて、主要な要素が箱体の内部に収容されている。第４リンク７１の一方の端部（前端部）には、第４回転軸Ｒ４が設けられている。この第４回転軸Ｒ４が、軸受８１を介して、第３リンク２４の他方の端部（前端部）に、第４回動軸線Ａ４の周りに回動自在に取り付けられている。この第４回転軸Ｒ４及び軸受８１によって、第４関節ＪＴ４が構成されており、これにより、第４リンク７１が、第３リンク２４に対し、第４回動軸線Ａ４の周りに自在に回動することが可能である。

また、第３リンク２４の内部には、第４モータＭ４が、主軸Ｓ４の中心軸が第４回動軸線Ａ４と直交するように設けられている。第４モータＭ４には、第４モータＭ４の回転角を検知する第４回転角検知器Ｅ４が設けられている。第４回転角検知器Ｅ４は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第４回転角検知器Ｅ４は、ここでは、第４モータＭ４の主軸Ｓ４に直結されたエンコーダで構成される。第４モータＭ４の主軸Ｓ４は、ベベルギア機構Ｇ１を介して第４回転軸Ｒ４に接続されている。これにより、第４リンク７１の回動による第４モータＭ４の回転角を第４回転角検知器Ｅ４によって検知することが可能であり、且つ、第４モータＭ４によって第４回転軸Ｒ４を回転駆動することが可能である。

第５リンク７２は、Ｌ字状の箱体に形成されていて、主要な要素が箱体の内部に収容されている。第５リンク７２の一方の端部（後端部）には、第５回転軸Ｒ５が設けられている。この第５回転軸Ｒ５が、軸受８２を介して、第４リンク７１の他方の端部（後端部）に、第５回動軸線Ａ５の周りに回動自在に取り付けられている。この第５回転軸Ｒ５及び軸受８２によって、第５関節ＪＴ５が構成されており、これにより、第５リンク７２が、第４リンク７１に対し、第５回動軸線Ａ５の周りに自在に回動することが可能である。

また、第４リンク７１の内部には、第５モータＭ５が、主軸Ｓ５の中心軸が第５回動軸線Ａ５と直交するように設けられている。第５モータＭ５には、第５モータＭ５の回転角を検知する第５回転角検知器Ｅ５が設けられている。第５回転角検知器Ｅ５は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第５回転角検知器Ｅ５は、ここでは、第５モータＭ５の主軸Ｓ５に直結されたエンコーダで構成される。第５モータＭ５の主軸Ｓ５は、ベベルギア機構Ｇ２を介して第５回転軸Ｒ５に接続されている。これにより、第５リンク７２の回動による第５モータＭ５の回転角を第５回転角検知器Ｅ５によって検知することが可能であり、且つ、第５モータＭ５によって第５回転軸Ｒ５を回転駆動することが可能である。

さらに、第４リンク７１の適所（ここでは基準姿勢における後端部の下端部）と第５回転軸Ｒ５との間に圧縮コイルバネＳＰ２（補助バネ）が設けられている。この圧縮コイルバネＳＰ２は、中心軸が第４回動軸線Ａ４に平行で且つ第５回動軸線Ａ５に直交するように設けられている。また、この圧縮コイルバネＳＰ２は、第５リンク７２が基準姿勢から回動すると、その回動方向に所定のトルクを第５リンク７２に対して作用させるように設計されている。この所定のトルクは、リスト部１２の第５リンクから先の部分の自重によって第５回転軸Ｒ５に発生する重力トルクの一部を打ち消すようなトルクに設定されている。これにより、第５回転軸Ｒ５に発生する重力トルクの一部が圧縮コイルバネＳＰ２によって打ち消される。

図７及び図８を参照すると、第６リンク７３は、Ｌ字状の箱体に形成されていて、主要な要素が箱体の内部に収容されている。第６リンク７３の一方の端部（右端部）には、第６回転軸Ｒ６が設けられている。この第６回転軸Ｒ６が、軸受８３を介して、第５リンク７２の他方の端部（前端部）に、第６回動軸線Ａ６の周りに回動自在に取り付けられている。この第６回転軸Ｒ６及び軸受８３によって、第６関節ＪＴ６が構成されており、これにより、第６リンク７３が、第５リンク７２に対し、第６回動軸線Ａ６の周りに自在に回動することが可能である。

また、第５リンク７２の内部には、第６モータＭ６が、主軸Ｓ６の中心軸が第６回動軸線Ａ６と直交するように設けられている。第６モータＭ６には、第６モータＭ６の回転角を検知する第６回転角検知器Ｅ６が設けられている。第６回転角検知器Ｅ６は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第６回転角検知器Ｅ６は、ここでは、第６モータＭ６の主軸Ｓ６に直結されたエンコーダで構成される。第６モータＭ６の主軸Ｓ６は、ベベルギア機構Ｇ３を介して第６回転軸Ｒ６に接続されている。これにより、第６リンク７３の回動による第６モータＭ６の回転角を第６回転角検知器Ｅ６によって検知することが可能であり、且つ、第６モータＭ６によって第６回転軸Ｒ６を回転駆動することが可能である。

図８を参照すると、操作部７４の一方の端部（左端部）には、第７回転軸Ｒ７が設けられている。この第７回転軸Ｒ７が、軸受８４を介して、第６リンク７３の他方の端部（左端部）に、第７回動軸線Ａ７の周りに回動自在に取り付けられている。この第７回転軸Ｒ７及び軸受８４によって、第７関節ＪＴ７が構成されており、これにより、操作部７４が、第６リンク７３に対し、第７回動軸線Ａ７の周りに自在に回動することが可能である。

また、第６リンク７３の内部には、第７モータＭ７が、主軸Ｓ７の中心軸が第７回動軸線Ａ７と直交するように設けられている。第７モータＭ７には、第７モータＭ７の回転角を検知する第７回転角検知器Ｅ７が設けられている。第７回転角検知器Ｅ７は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第７回転角検知器Ｅ７は、ここでは、第７モータＭ７の主軸Ｓ７に直結されたエンコーダで構成される。第７モータＭ７の主軸Ｓ７は、ベベルギア機構Ｇ４を介して第７回転軸Ｒ７に接続されている。これにより、操作部７４の回動による第７モータＭ７の回転角を第７回転角検知器Ｅ７によって検知することが可能であり、且つ、第７モータＭ７によって第７回転軸Ｒ７を回転駆動することが可能である。

＜動力伝達経路＞
図３及び図５を参照すると、第１モータＭ１から第１関節ＪＴ１に至る動力伝達経路は、第１モータＭ１の主軸Ｓ１及び第１回転軸Ｒ１で構成される。第２モータＭ２から第２関節ＪＴ２に至る動力伝達経路は、第２モータＭ２の主軸Ｓ２、駆動プーリー３２、ベルト３４、従動プーリー３３、及び第２回転軸Ｒ２で構成される。第３モータＭ３から第３関節ＪＴ３に至る動力伝達経路は、第３モータＭ３の主軸Ｓ３、駆動プーリー４２、ベルト４５、従動プーリー４４、第１１回転軸Ｒ１１、揺動部材２５、第９回転軸Ｒ９、補助リンク２６、第１０回転軸Ｒ１０、第３リンク２４、及び第３回転軸Ｒ３で構成される。

図７を参照すると、第４モータＭ４から第４関節ＪＴ４に至る動力伝達経路は、第４モータＭ４の主軸Ｓ４、べベルギア機構Ｇ１、及び第４回転軸Ｒ４で構成される。第５モータＭ５から第５関節ＪＴ５に至る動力伝達経路は、第５モータＭ５の主軸Ｓ５、べベルギア機構Ｇ２、及び第５回転軸Ｒ５で構成される。第６モータＭ６から第６関節ＪＴ６に至る動力伝達経路は、第６モータＭ６の主軸Ｓ６、べベルギア機構Ｇ３、及び第６回転軸Ｒ６で構成される。図８を参照すると、第７モータＭ７から第７関節ＪＴ７に至る動力伝達経路は、第７モータＭ７の主軸Ｓ７、べベルギア機構Ｇ４、及び第７回転軸Ｒ７で構成される。

＜抵抗力補償量算出の基礎となる動力伝達要素＞
後述する抵抗力補償量算出の基礎となる動力伝達要素は、ここでは、第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の主軸Ｓ１〜Ｓ７である。これらの主軸Ｓ１〜Ｓ７の回転角を、それぞれ、回転角センサである第１乃至第７回転角検知器Ｅ１〜Ｅ７が検知し、これらの回転角ＡＧに基づいて、後述する抵抗力補償量が、それぞれ、演算される。なお、抵抗力補償量算出の基礎となる動力伝達要素が、他の動力伝達要素であってもよい。例えば、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７の第１乃至第７回転軸Ｒ１〜Ｒ７、又はベベルギア機構Ｇ１〜Ｇ４の各ギアであってもよい。この場合、これらの動力伝達要素にエンコーダを設け、それらの回転角を検知すればよい。

｛制御系統の構成｝
図９は、右入力装置２Ａ及び手術マニピュレータ２０２の制御系統の構成の一例を示す機能ブロック図である。

図９を参照すると、右入力装置２Ａは、入力装置制御器Ｃ１を備える。入力装置制御器Ｃ１は、例えば、右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂに共通に設けられている。入力装置制御器Ｃ１による両者の制御は同様であるので、ここでは、右入力装置２Ａに関する制御のみ説明し、左入力装置２Ｂに関する制御の説明を省略する。なお、右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂに、それぞれ、入力装置制御器Ｃ１を設けてもよい。入力装置制御器Ｃ１の詳細な構成は後で説明する。入力装置制御器Ｃ１は、例えば、ハンドコントロール１００の適所に設けられる。

右入力装置２Ａでは、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７にそれぞれ対応する第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧを、それぞれ、第１乃至第７回転角検知器Ｅ１〜Ｅ７が検知し、検知した第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧを、それぞれ、入力装置制御器Ｃ１に出力する。入力装置制御器Ｃ１は、入力された第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧに基づいて操作部７４の位置（位置指令信号）Ｐを生成し、この操作部７４の位置Ｐをマニピュレータ制御器Ｃ２に出力する。また、入力装置制御器Ｃ１は、入力された第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧに基づいて駆動電流ＣＲを第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７に、それぞれ、出力する。

手術マニピュレータ２０２では、アーム部４０１のリンク４０４及び手術ツール４０２を連結する１以上の関節にそれぞれ対応する１以上のモータＭ２０２の回転角を、それぞれ、１以上の回転角検知器Ｅ２０２が検知し、検知した１以上のモータＭ２０２の回転角を、それぞれ、マニピュレータ制御器Ｃ２に出力する。マニピュレータ制御器Ｃ２は、入力装置制御器Ｃ１から入力された操作部７４の位置（位置指令信号）Ｐに基づいて、手術ツール４０２が操作部７４の位置に対応する位置に位置するような駆動電流を１以上のモータＭ２０２に出力する。これにより、手術ツール４０２が操作部７４の位置に対応する位置に位置するようにリンク４０４の動作が制御される。この際、１以上の回転角検知器Ｅ２０２が検知する回転角が、手術ツール４０２の位置をフィードバック制御するために用いられる。

なお、入力装置２Ａの操作部７４の姿勢及び動作が、別途、適宜なセンサ（不図示）により検知され、入力装置制御器Ｃ１を経由してマニピュレータ制御器Ｃ２に入力される。マニピュレータ制御器Ｃ２は、手術ツール４０２が、入力装置２Ａの操作部７４の姿勢に対応する姿勢を取るとともに入力装置２Ａの操作部７４の動作に対応する動作を行うよう手術ツール０２を制御する。マニピュレータ制御器Ｃ２は、例えば、ハンドコントロール１００の適所に設けられる。

＜入力装置制御器Ｃ１＞
図１０は、図９の入力装置制御器Ｃ１の構成の一例を示す機能ブロック図である。図１０を参照すると、入力装置制御器Ｃ１は、位置演算部５０１と、重力補償量演算部５０２と、抵抗力補償量演算部５０３と、制御部（制御器）５０４と、サーボアンプ（電力変換器）５０５と、記憶部（記憶器）５０６と、入力部（入力器）５０７とを備える。

位置演算部５０１、重力補償量演算部５０２、抵抗力補償量演算部５０３、制御部５０４、及び記憶部５０６は、例えば、プロセッサ（不図示）とメモリ（不図示）とを有する演算器（不図示）で構成される。演算器として、マイクロコントローラ等が例示される。プロセッサとして、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等が例示される。メモリとして、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のプロセッサの内部メモリ、ハードディスクドライブ等の外部メモリが例示される。

位置演算部５０１、重力補償量演算部５０２、抵抗力補償量演算部５０３、制御部５０４、及び記憶部５０６は、演算器のメモリに格納された所定の制御プログラムを演算器のプロセッサが読み出して実行することによって実現される機能ブロックである。実際には、当該演算器が、位置演算部５０１、重力補償量演算部５０２、抵抗力補償量演算部５０３、制御部５０４、及び記憶部５０６として動作する。なお、位置演算部５０１、重力補償量演算部５０２、及び抵抗力補償量演算部５０３は、電子回路等のハードウェアで構成されてもよい。また、入力装置制御器Ｃ１は、単独の演算器で構成されてもよく、複数の演算器で構成されてもよい。

位置演算部５０１は、入力された第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧに基づいて操作部７４の位置（位置指令信号）Ｐを生成する。この演算は周知であるので、その説明を省略する。

重力補償量演算部５０２は、入力された第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧに基づいてマスターアーム１０の姿勢を求め、当該姿勢によって各関節ＪＴ１〜ＪＴ７の各回転軸Ｒ１〜Ｒ７に発生する重力トルクを打ち消す重力打消しトルクを演算する。この場合、重力補償量演算部５０２は、得られた姿勢から回転軸Ｒ１〜Ｒ７毎に定まる重力トルクをそれぞれ演算する。そして、コイルバネが設けられている関節ＪＴ２、ＪＴ３、ＪＴ５においては、重力トルクからコイルバネが発生するトルクを差し引いたトルクと反対方向のトルクを重力打消しトルクとし、コイルバネが設けられていない関節ＪＴ１、ＪＴ４、ＪＴ６、ＪＴ７においては、重力トルクと反対方向のトルクを重力打消しトルクとする。これらの第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７の重力打消しトルクが重力補償量である。重力補償量演算部５０２は、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７の重力補償量を、当該重力補償量の重力補償を行うための電流指令Ｉｇとして送出する。

抵抗力補償量演算部５０３は、入力された第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧに基づいて、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７の抵抗力補償量を演算し、これらの抵抗力補償量を、当該抵抗力補償量の抵抗力補償を行うための電流指令Ｉｄとして送出する。加算部５１８は、重力補償用の電流指令Ｉｇと抵抗力補償用の電流指令Ｉｄとを加算して補償電流指令Ｉｃを生成する。

サーボアンプ（電力変換器）５０５は、補償電流指令Ｉｃに対応する駆動電流ＣＲを第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７にそれぞれ出力する。これにより、第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７が、補償電流指令Ｉｃ（重力補償用の電流指令Ｉｇ＋抵抗力補償用の電流指令Ｉｄ）に応じたトルクを発生し、その結果、マスターアーム１０の姿勢が重力によって変化しないように制御されるとともに、マスターアーム１０の抵抗力に対し力補償された操作力が発生する。ここで、本実施形態では、操作力に重力補償がなされているので、抵抗力と抵抗力補償量との差が、操作者がマスターアーム１０を操作するために必要な力である操作力になる。

記憶部５０６は、各種のデータ等を記憶する。特に、記憶部５０６には、ランク付け力補償量が予め記憶されている。図１２は、ランク付け力補償量の大きさのランクの一例を示すググラフである。図１２を参照すると、力補償量が、粘性力補償量と慣性力補償量とで構成されていて、０．０から１．０の値を取る粘性調整係数Ｋｄが粘性力補償量の相対的な大きさを表し、０．０から１．０の値を取る慣性調整係数Ｋｍが慣性力補償量の相対的な大きさを表す。そして、これらが、０．２刻みで５段階に分けられ、値の大きい順にＡ〜Ｅのランクにランク付けされている。

また、記憶部５０７は、後述するように入力部５０７から指定力補償量が操作者ＩＤと対応付けて入力されると、これらを操作者毎の指定力補償量として記憶する。図１３は、操作者毎の指定力補償量の一例を示すググラフである。図１３において、Ｘ〜Ｑは、操作者ＩＤを表す。図１３を参照すると、指定力補償量が粘性力補償量と慣性力補償量とで構成されている。そして、粘性力補償量及び慣性力補償量をそれぞれ表す粘性調整係数Ｋｄ及び慣性調整係数Ｋｍが操作者ＩＤと対応させられて、操作者毎の指定力補償量が構成されている。

入力部５０７は、操作者が各種データを制御部５０４に入力するための装置である。入力部５０７は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等で構成される。操作者は、例えば、力補償量のランク、並びに、操作者毎の指定力補償量としての慣性調整係数Ｋｍ、粘性調整係数Ｋｄ及び操作者ＩＤ、を入力部５０７によって入力する。従って、入力部５０７は、力補償量のランクを指定するための入力装置及び指定力補償量に対応する操作者を特定するための入力装置として機能する。なお、この指定力補償量を、入力部５０７以外の入力手段によって制御部５０４に入力するように構成してもよい。そのような入力手段として、データ通信ネットワークを介する入力手段が例示される。

制御部５０４は、位置演算部５０１で生成された操作部７４の位置（位置指令信号）Ｐをマニピュレータ制御器Ｃ２に出力する。また、制御部５０４は、入力部５０７から入力された各種データを適宜処理する。

特に、制御部５０４は、入力部５０７からランク付け力補償量のランクＡ〜Ｅが入力されると、入力されたランクＡ〜Ｅに対応する慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを読み出して、後述する慣性調整係数乗算部５１６及び粘性調整係数乗算部５２０においてそれぞれ用いられる慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを、それぞれ、読み出した慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄに置き換える。

また、制御部５０４は、入力部５０７から操作者毎の指定力補償量としてセットで入力された慣性調整係数Ｋｍ、粘性調整係数Ｋｄ、及び操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）を、慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄと操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）とを対応させて、記憶部５０６に記憶させる。そして、入力部５０７から操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）が入力されると、当該操作者ＩＤに対応する慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを記憶部５０６から読み出し、後述する慣性調整係数乗算部５１６及び粘性調整係数乗算部５２０においてそれぞれ用いられる慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを、それぞれ、読み出した慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄに置き換える。なお、操作者が、任意の慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを入力して、慣性調整係数乗算部５１６及び粘性調整係数乗算部５２０におけるそれらを任意の慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄに変更できるようにしてもよい。

＜抵抗力補償量演算部５０３＞
図１１は、図９の抵抗力補償量演算部５０３の構成を示すブロック図である。図１１は、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７のうちの１つの関節に対応する抵抗力補償量演算部５０３を示す。つまり、操作力における抵抗力補償は、各関節ＪＴ１〜ＪＴ７毎に行われる。

図１１を参照すると、抵抗力補償量演算部５０３は、回転角遅延部５１１、第１減算部（速度取得部）５１２、回転角速度遅延部５１３、第２減算部（加速度取得部）５１４、慣性係数乗算部（慣性力補償演算部）５１５、慣性調整係数乗算部５１６、１次フィルタ５１７、加算部５１８、粘性調整係数乗算部（粘性力補償量演算部）５１９、粘性調整係数乗算部５２０、１次フィルタ５２１、並びに第１及び第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２を備える。

第１乃至第７回転角検知器Ｅ１〜Ｅ７で検知される回転角ＡＧは、所定のサンプリング間隔でサンプリングされる。回転角遅延部５１１は、入力される回転角ＡＧを１サンプリング間隔だけ遅延する。第１減算部５１２は、現在時刻の回転角ＡＧから回転角遅延部５１１で遅延された回転角ＡＧｄを減算して、回転角速度ｖを生成する。ここで、相前後する回転角ＡＧの差分ΔＡＧは、サンプリング間隔Δｔが単位時間である場合、回転角ＡＧの微分である回転角速度ｖに相当する。

回転角速度遅延部５１３は、入力される回転角速度ｖを１サンプリング間隔だけ遅延する。第２減算部５１４は、現在時刻の回転角速度ｖから回転角速度遅延部５１３で遅延された回転角速度ｖｄを減算して、回転角加速度αを生成する。ここで、相前後する回転角速度ｖの差分Δｖは、サンプリング間隔Δｔが単位時間である場合、回転角速度ｖの微分である回転角加速度αに相当する。

第１スイッチＳＷ１は、ＯＮ又はＯＦＦすることによって、回転角加速度αの慣性係数乗算部５１５への伝送を許容又は阻止する。第１スイッチＳＷ１は、入力部５０７から第１スイッチＳＷ１のＯＮ指令又はＯＦＦ指令が入力されると、制御部５０４によってＯＮ又はＯＦＦされる。

慣性係数乗算部５１５は、回転角加速度αに慣性係数Ｍを乗算して、慣性力補償量ｆｉを生成する。慣性調整係数乗算部５１６は、慣性力補償量ｆｉに慣性調整係数Ｋｍを乗算して、調整後慣性力補償量を生成する。ここで、慣性調整係数Ｋｍは、０．０以上で且つ１．０以下の範囲の数値である。１次フィルタ５１７は、調整後慣性力補償量からサンプリングに起因するノイズ等を除去し、これを慣性力補償用の電流指令Ｉｉとして送出する。

なお、１次フィルタ５１７の時定数を調整可能にしてもよい。この場合、操作者が入力部５０７から１次フィルタ５１７の時定数を入力すると、制御部５０４が、１次フィルタ５１７の時定数を入力された時定数に置き換える。このように時定数を調整可能にする理由は、ノイズが入力装置２毎に異なるからである。これは、後述する１次フィルタ５２１に関しても同様である。

一方、第２スイッチＳＷ２は、ＯＮ又はＯＦＦすることによって、回転角速度ｖの粘性係数乗算部５１９への伝送を許容又は阻止する。第２スイッチＳＷ２は、入力部５０７から第２スイッチＳＷ２のＯＮ指令又はＯＦＦ指令が入力されると、制御部５０４によってＯＮ又はＯＦＦされる。

粘性係数乗算部５１９は、回転角速度ｖに粘性係数Ｄを乗算して、粘性力補償量ｆｖを生成する。粘性調整係数乗算部５２０は、粘性力補償量ｆｖに粘性調整係数Ｋｄを乗算して、調整後粘性力補償量を生成する。ここで、粘性調整係数Ｋｄは、０．０以上で且つ１．０以下の範囲の数値である。１次フィルタ５２１は、調整後粘性力補償量からサンプリングに起因するノイズ等を除去し、これを粘性力補償用の電流指令Ｉｖとして送出する。慣性力補償用の電流指令Ｉｉ及び粘性力補償用の電流指令Ｉｖが、抵抗力補償用の電流指令Ｉｄを構成する。

なお、１次フィルタ５２１の時定数を調整可能にしてもよい。この場合、操作者が入力部５０７から１次フィルタ５２１の時定数を入力すると、制御部５０４が、１次フィルタ５２１の時定数を入力された時定数に置き換える。

加算部５１８は、この抵抗力補償用の電流指令Ｉｄと重力補償用の電流指令Ｉｇとを加算して補償電流指令Ｉｃを生成する。
［動作］
まず、右入力装置２Ａ及び手術マニピュレータ２０２の動作を説明する。

図３及び図６を参照すると、操作者は、例えば、右入力装置２Ａの操作部７４の一対の指挿入部７４ａに親指と人差し指とを挿入する。そして、操作者が、操作部７４を左右に動かすと、アーム部１１が、第１関節ＪＴ１の第１回動軸線Ａ１を中心に左右に回動する。操作者が操作部７４を前後に動かすと、アーム部１１が、第２関節ＪＴ２の第２回動軸線Ａ２を中心に前後に回動する。操作者が、操作部７４を上下に動かすと、アーム部１１が、第３関節ＪＴ３の第３回動軸線Ａ３を中心に上下に回動する。操作者が、リスト部１２を左右に回転させると、リスト部１２が、第４関節ＪＴ４の第４回動軸線Ａ４を中心に左右に回転する。操作者が、操作部７４の向き（姿勢）を変えるように操作部７４を操作すると、操作部７４がその変えようとする向きに動く（姿勢を取る）。従って、操作者は、入力装置２Ａを意図するように操作することができる。

右入力装置２Ａの操作部７４が操作されると、この操作が入力装置制御器Ｃ１によって位置指令信号Ｐに変換され、マニピュレータ制御器Ｃ２が、この位置指令信号Ｐに従って、手術マニピュレータ２０２の選択されたアーム部４０１の手術ツール４０２が操作部７４に対応する位置に位置するように当該選択されたアーム部４０１の動作を制御する。これにより、手術マニピュレータ２０２選択されたアーム部４０１が、操作者による右入力装置２Ａの操作に従って動作する。アーム部４０１の選択は、ハンドコントロール１００のペダル４を操作することによって行われる。なお、左入力装置２Ｂの動作もこれと同様である。

次に、右入力装置２Ａの操作力における重力補償及び抵抗力補償を説明する。第１及び第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２はＯＮされていると仮定する。

図３及び図１０を参照すると、右入力装置２Ａの操作部７４が操作された場合、入力装置制御器Ｃ１では、重力補償量演算部５０２が、入力された第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧに基づいてマスターアーム１０の姿勢を求め、当該姿勢によって各関節ＪＴ１〜ＪＴ７の各回転軸Ｒ１〜Ｒ７に発生する重力トルクを打ち消す重力打消しトルクを演算し、この重力打消しトルクを重力補償量とするとともに、この重力補償量を、当該重力補償量の重力補償を行うための電流指令Ｉｇとして送出する。

一方、抵抗力補償量演算部５０３が、入力された第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７の回転角ＡＧに基づいて、第１乃至第７関節ＪＴ１〜ＪＴ７の抵抗力補償量を演算し、これらの抵抗力補償量を、当該抵抗力補償量の抵抗力補償を行うための電流指令Ｉｄとして送出する。そして、加算部５１８が、重力補償用の電流指令Ｉｇと抵抗力補償用の電流指令Ｉｄとを加算して補償電流指令Ｉｃを生成し、サーボアンプ５０５が、補償電流指令Ｉｃに対応する駆動電流ＣＲを第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７にそれぞれ出力する。

これにより、第１乃至第７モータＭ１〜Ｍ７が、電流指令Ｉｇ及び電流指令Ｉｄに応じたトルクを発生し、その結果、マスターアーム１０の姿勢が重力によって変化しないように制御されるとともに、マスターアーム１０の抵抗力に対し力補償された操作力が発生する。従って、この抵抗力に対する力補償量（抵抗力補償量）を適宜調整することによって、操作力をきめ細かく設定できる。

＜抵抗力補償量の調整＞
図１０乃至図１２を参照すると、操作者は自分の好みに従って、ランク付け力補償量のランクＡ〜Ｅのいずれかを入力部５０７から入力する。すると、制御部５０４が、当該ランクＡ〜Ｅに対応する慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを記憶部５０６から読み出し、慣性調整係数乗算部５１６及び粘性調整係数乗算部５２０においてそれぞれ用いられる慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを、それぞれ、読み出した慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄに置き換える。これにより、操作力を、操作者の好みの操作力に調整できる。

＜複数の操作者が存在する場合における抵抗力補償量の調整＞
次に、複数の操作者が存在する場合における抵抗力補償量の調整について説明する。

図１０、図１１、及び図１３を参照すると、複数の操作者が存在する場合、例えば、各操作者に操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）が付与される。各操作者は、予め、所望の慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄ（指定力補償量）と自分の操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）を入力部５０７から入力する。すると、制御部５０４がこの入力された慣性調整係数Ｋｍ、粘性調整係数Ｋｄ、及び操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）を、慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄと操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）とを対応させて、記憶部５０６に記憶させる。

その後、実際に手術マニピュレータ２０２の入力装置２（ここでは右入力装置２Ａ）を操作しようとする操作者が、入力部５０７から自己の操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）を入力する。すると、制御部５０４が、当該操作者ＩＤ（Ｘ〜Ｑ）に対応する慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを記憶部５０６から読み出し、慣性調整係数乗算部５１６及び粘性調整係数乗算部５２０においてそれぞれ用いられる慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄを、それぞれ、読み出した慣性調整係数Ｋｍ及び粘性調整係数Ｋｄに置き換える。これにより、操作力を、操作者が希望する操作力に設定できる。

＜抵抗力補償量をゼロにしたい場合＞
図１０及び図１１を参照すると、慣性力補償量をゼロにしたい場合、操作者は入力部５０７から第１スイッチＳＷ１のＯＦＦ指令を入力する。すると、制御部５０４により第１スイッチＳＷ１がＯＦＦされ、慣性力補償量がゼロになる。また、粘性力補償量をゼロにしたい場合、操作者は入力部５０７から第２スイッチＳＷ２のＯＦＦ指令を入力する。すると、制御部５０４により第２スイッチＳＷ２がＯＦＦされ、粘性力補償量がゼロになる。これにより、操作力を、容易に関節毎に設定することができる。

従って、操作者は、操作力を、自分が操作しやすい操作力に、きめ細かく且つ容易に調整することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、アーム部１１の関節が３つであったが、アーム部１１の関節は１以上であればよい。

上記実施形態では、リスト部１２の関節が４つであったが、リスト部１２の関節は１以上であればよい。

上記実施形態では、動力伝達要素の回転角から回転角速度及び回転角加速度を取得したが、速度センサ及び加速度センサによって動力伝達要素の速度（角速度）、及び加速度（各加速度）を取得してもよい。

上記説明から、当業者にとっては、多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきである。

本発明の手術マニピュレータの入力装置は、操作力をきめ細かく設定できる手術マニピュレータの入力装置として有用である。

１ 本体
２ 入力装置
２Ａ 右入力装置
２Ｂ 左入力装置
３ 支持部材
４ ペダル
５ 表示部
１０ マスターアーム
１１ アーム部
１２ リスト部
２１ 基体
２２ 第１リンク
２３ 第２リンク
２４ 第３リンク
２５ 揺動部材
２６ 補助リンク
５１〜５３ 軸受
６２ 連結部材
７１ 第４リンク
７２ 第５リンク
７３ 第６リンク
７４ 操作部
７４ａ 指挿入部
８１〜８４ 軸受
１００ ハンドコントロール
２００ ロボット支援手術システム
２０１ ポジショナ
２０２ 手術マニピュレータ
２０３ 手術台
２０４ 患者
４０１ アーム部
４０２ 手術ツール
４０４ リンク
５０１ 位置演算部
５０２ 重力補償量演算部
５０３ 抵抗力補償演算部
５０４ 制御部
５０５ サーボアンプ
５０６ 記憶部
５０７ 入力部
Ａ１〜Ａ７ 第１乃至第７回動軸線
Ａ９〜Ａ１１ 第９乃至第１１回動軸線
ＡＧ 回転角
ＣＲ 駆動電流
Ｅ１〜Ｅ７ 第１乃至第７回転角検知器
Ｇ１〜Ｇ４ べベルギア機構
ＪＴ１〜ＪＴ７ 第１乃至第７関節
Ｍ１〜Ｍ７ 第１乃至第７モータ
Ｐ 操作部の位置
Ｒ１〜Ｒ７ 第１乃至第７回転軸
Ｒ９〜Ｒ１１ 第９乃至第１１回転軸
Ｓ１〜Ｓ７ 主軸
ＳＰ１ 引張コイルバネ
ＳＰ２ 圧縮コイルバネ
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ

Claims (8)

1. 関節を有し、先端部に操作者が操作する操作部を備えるマスターアームと、
   前記マスターアームの関節を、動力伝達要素を介して駆動するモータと、
   前記操作者の前記操作部の操作により動く前記動力伝達要素の速度及び加速度の少なくともいずれかに基づいて前記マスターアームの慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を演算し、当該力補償量の力補償を行うよう前記モータの動作を制御する制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を調整するように構成されている、手術マニピュレータの入力装置。
2. 補償量の大きい順にランク付けされた複数のランク付け力補償量を記憶する記憶器と、前記複数のランク付け力補償量のいずれかを指定するための入力器と、を備え、
   前記制御器は、前記慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を、前記入力器によって指定されたランク付け力補償量に調整するように構成されている、請求項１に記載の手術マニピュレータの入力装置。
3. 指定力補償量を複数の前記操作者のそれぞれに対応させて記憶する記憶器と、前記指定力補償量に対応する操作者を特定するための入力器と、を備え、
   前記制御器は、前記慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を、前記入力器によって特定された前記操作者に対応する指定力補償量に調整するように構成されている、請求項１に記載の手術マニピュレータの入力装置。
4. 前記制御器は、前記動力伝達要素の速度を取得する速度取得部と、前記動力伝達要素の加速度を取得する加速度取得部と、前記速度取得部が取得した前記動力伝達要素の速度と前記マスターアームの粘性とに基づいて前記粘性力に対する力補償量を演算する粘性力補償量演算部と、前記加速度取得部が取得した前記動力伝達要素の加速度と前記マスターアームの慣性とに基づいて前記慣性力に対する力補償量を演算する慣性力補償量演算部と、前記粘性力に対する力補償量及び前記慣性力に対する力補償量の力補償を行うための電力を前記モータに供給する電力変換器と、を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の手術マニピュレータの入力装置。
5. 前記マスターアームは、複数の前記関節を有し、
   前記入力装置は、複数の前記動力伝達要素と、各前記モータが各前記関節を、各前記動力伝達要素を介して駆動する複数の前記モータと、を備え、
   前記制御器は、各前記関節について、前記操作者の前記操作部の操作により動く各前記動力伝達要素の速度及び加速度に基づいて、前記マスターアームの各関節により駆動される部分の慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を演算し、当該力補償量の力補償を行うよう各前記モータの動作を制御するよう構成されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の手術マニピュレータの入力装置。
6. 前記制御器は、各前記関節毎に、前記マスターアームの各関節により駆動される部分の慣性力及び粘性力の少なくともいずれかに対する力補償量を調整するように構成されている、請求項５に記載の手術マニピュレータの入力装置。
7. 前記制御器は、さらに、前記マスターアームの姿勢が重力によって変化しないように前記モータの動作を制御するよう構成されている、請求項１乃至６のいずれかに記載の手術マニピュレータの入力装置。
8. 前記制御器は、さらに、前記操作者の前記操作部の操作により動く前記動力伝達要素の位置に基づいて前記操作部の位置を演算し、この演算した前記操作部の位置を手術マニピュレータに出力するよう構成されている、請求項１乃至７のいずれかに記載の手術マニピュレータの入力装置。

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