JP2023034696A - 手術支援システムおよび手術支援システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】関節軸の回転速度が制限値を超えるような操作が行われた場合にも、操作部の操作にロボットアームの姿勢を追従させることが可能な手術支援システムを提供する。【解決手段】手術支援システム１００では、制御装置１３０は、受け付けられた操作量に対して、ロボットアーム６０の複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、複数の関節軸の回転速度を関連した割合でスケーリングする。【選択図】図２０

Description

この開示は、手術支援システムおよび手術支援システムの制御方法に関し、特に、操作者による操作を受け付ける操作部を含む手術支援システムおよび手術支援システムの制御方法に関する。

従来、操作者による操作を受け付けるマスターハンドルを含む手術支援システムが知られている。特許文献１では、外科医がマスターハンドルを移動させることにより、ロボットアームに取り付けられたエンドエフェクタが移動する。特許文献１では、外科医がマスターハンドルを移動させる移動量よりも、エンドエフェクタの移動量が小さくなるように、スケーリングが行われている。具体的には、外科医がマスターハンドルを移動させると、制御装置は、移動後のマスターハンドルの位置と移動前のマスターハンドルの位置との差分値を算出する。そして、制御装置は、算出した差分値にスケール係数を乗算する。スケール係数は、１よりも小さい。制御装置は、スケール係数が乗算された差分値に基づいて、エンドエフェクタを移動する。スケール係数が１よりも小さいため、外科医のマスターハンドルの移動量よりもエンドエフェクタの移動量が小さくなる。

米国特許第６９９４７０３号明細書

ここで、特許文献１のような従来の手術支援システムでは、外科医がマスターハンドルを移動させると、ロボットアームの複数の関節軸に含まれるモータの回転速度がモータの制限値を超える場合がある。この場合に、回転速度が制限値を超えたモータのみに対して、回転速度が制限値以下になるように制限をかけると、複数の関節軸の回転量のバランスがくずれて、マスターハンドルの操作にロボットアームの姿勢が追従できないという問題点がある。

この開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この開示の１つの目的は、関節軸の回転速度が制限値を超えるような操作が行われた場合にも、操作部の操作にロボットアームの姿勢を追従させることが可能な手術支援システムおよび手術支援システムの制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この開示の第１の局面による手術支援システムは、先端に手術器具が取り付けられるロボットアームを含む患者側装置と、手術器具に対する操作量を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、受け付けられた操作量に基づいて手術器具を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、受け付けられた操作量に対して、ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、複数の関節軸の回転速度を関連した割合でスケーリングする。

この開示の第１の局面による手術支援ロボットでは、上記のように、制御装置は、受け付けられた操作量に対して、ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、複数の関節軸の回転速度を関連した割合でスケーリングする。これにより、ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が同様にスケーリングされるので、複数の関節軸の回転量のバランスがくずれるのを抑制することができる。このため、関節軸の回転速度が制限値を超えるような操作が行われた場合にも、操作部の操作にロボットアームの姿勢を追従させることができる。

この開示の第２の局面による手術支援システムの制御方法は、先端に手術器具が取り付けられるロボットアームを含む患者側装置と、手術器具に対する操作量を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、受け付けられた操作量に基づいて手術器具を制御する制御装置と、を備える手術支援システムの制御方法であって、受け付けられた操作量に対して、ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が制限値以下になる回転速度の割合を算出し、複数の関節軸の回転速度を関連した割合でスケーリングする。

この開示の第２の局面による手術支援システムの制御方法は、上記のように、受け付けられた操作量に対して、ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が制限値以下になる回転速度の割合を算出し、複数の関節軸の回転速度を関連した割合でスケーリングする。これにより、ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が同様にスケーリングされるので、複数の関節軸の回転量のバランスがくずれるのを抑制することができる。このため、関節軸の回転速度が制限値を超えるような操作が行われた場合にも、操作部の操作にロボットアームの姿勢を追従させることが可能な手術支援システムの制御方法を提供することができる。

本開示によれば、関節軸の回転速度が制限値を超えるような操作が行われた場合にも、操作部の操作にロボットアームの姿勢を追従させることができる。

第１実施形態による手術支援システムの構成を示す図である。 第１実施形態による医療用マニピュレータの構成を示す図である。 第１実施形態による遠隔操作装置の操作部の構成を示す斜視図である。 第１実施形態による操作ハンドルの構成を示す図である。 第１実施形態によるフットペダルの構成を示す図である。 第１実施形態による医療用マニピュレータのアームの構成を示す図である。 鉗子を示す図である。 第１実施形態による医療用台車の構成を示す斜視図である。 第１実施形態による医療用マニピュレータの操作部の構成を示す斜視図である。 内視鏡を示す図である。 ピボット位置教示器具を示す図である。 ロボットアームの並進移動を説明するための図である。 ロボットアームの回転移動を説明するための図である。 第１実施形態による医療用マニピュレータの制御ブロック図である。 第１実施形態によるロボットアームの制御ブロック図である。 第１実施形態による医療用台車およびポジショナの制御ブロック図である。 第１実施形態による遠隔操作装置の操作部の制御ブロック図である。 操作ハンドルの並進移動および回転を説明するための図である。 手術器具の並進移動および回転を説明するための図である。 第１実施形態による操作者設定スケーリング、並進スケーリングおよび回転スケーリングを説明するための図である。 第１実施形態による並進スケーリング値の線形補間を説明するための図である。 第１実施形態による回転スケーリング値の球面線形補間を説明するための図である。 第１実施形態による並進および回転スケーリング値の更新を説明するためのフロー図である。 第１実施形態による仮想的な軸を説明するための図である。 第１実施形態による制御装置の制御フローを説明するための図である。 第２実施形態による並進および回転スケーリング値の更新を説明するためのフロー図である。 変形例によるスケーリングを説明するための図である。

以下、本開示を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１～図２４を参照して、第１実施形態による手術支援システム１００の構成について説明する。手術支援システム１００は、患者Ｐ側装置である医療用マニピュレータ１と、医療用マニピュレータ１を操作するための操作者側装置である遠隔操作装置２とを備えている。医療用マニピュレータ１は医療用台車３を備えており、移動可能に構成されている。遠隔操作装置２は、医療用マニピュレータ１から離間した位置に配置されており、医療用マニピュレータ１は、遠隔操作装置２により遠隔操作されるように構成されている。医師などの操作者は、医療用マニピュレータ１に所望の動作を行わせるための指令を遠隔操作装置２に入力する。遠隔操作装置２は、入力された指令を医療用マニピュレータ１に送信する。医療用マニピュレータ１は、受信した指令に基づいて動作する。また、医療用マニピュレータ１は、滅菌された滅菌野である手術室内に配置されている。

遠隔操作装置２は、たとえば、手術室の中または手術室の外に配置されている。遠隔操作装置２は、図３に示すアーム１２１および操作ハンドル２１を含む操作部１２０と、フットペダル２２と、タッチパネル２３と、モニタ２４と、支持アーム２５と、支持バー２６とを含む。操作部１２０は、医師などの操作者が指令を入力するための操作用のハンドルを構成する。

また、図３に示すように、操作部１２０は、医師などの操作者から見て、左側に配置され、操作者の左手により操作される操作部１２０Ｌと、右側に配置され、操作者の右手により操作される操作部１２０Ｒと、を含んでいる。なお、操作部１２０Ｌと操作部１２０Ｒとの構成は、同様である。

操作部１２０は、略Ｌ字状のアーム１２１を含む。アーム１２１は、第１リンク部１２１ａと、第２リンク部１２１ｂと、第３リンク部１２１ｃとを有する。第１リンク部１２１ａの上端側は、鉛直方向に沿ったＡ１軸回りに回動可能に遠隔操作装置２の本体に取り付けられている。第２リンク部１２１ｂの上端側は、水平方向に沿ったＡ２軸回りに回動可能に第１リンク部１２１ａの下端側に取り付けられている。第３リンク部１２１ｃの一方端側は、水平方向に沿ったＡ３軸回りに回動可能に第２リンク部１２１ｂの下端側に取り付けられている。第３リンク部１２１ｃの他方端側には、Ａ４軸回りに回動可能に操作ハンドル２１が取り付けられている。

アーム１２１は、操作ハンドル２１を所定の３次元操作範囲内で移動可能に支持する。具体的には、アーム１２１は、上下方向、左右方向および前後方向に、操作ハンドル２１を移動可能に支持する。アーム１２１の３次元的な操作に対応するように、ロボットアーム６０が３次元的に移動される。

操作ハンドル２１は、手術器具４を操作するように構成されている。また、操作ハンドル２１は、手術器具４に対する操作量を受け付ける。操作ハンドル２１は、医師などの操作者から見て、左側に配置され、操作者の左手により操作される操作ハンドル２１Ｌと、右側に配置され、操作者の右手により操作される操作ハンドル２１Ｒと、を含んでいる。

また、図４に示すように、操作ハンドル２１は、リンク部２１ａ、リンク部２１ｂ、リンク部２１ｃ、医師などの操作者が操作するリンク部２１ｄとを含む。リンク部２１ａは、Ａ４軸周りに回動する。リンク部２１ｂは、リンク部２１ａに対して、Ａ５軸周りに回動する。リンク部２１ｃは、リンク部２１ｂに対して、Ａ６軸周りに回動する。リンク部２１ｄは、リンク部２１ｃに対して、Ａ７軸周りに回動する。

また、操作ハンドル２１には、一対のグリップ部材２１ｆがリンク部２１ｄに設けられており、グリップ部材２１ｆには円筒状の指挿入部２１ｅが設けられている。操作者は、一対の指挿入部２１ｅに指を挿入して操作ハンドル２１を操作する。一対のグリップ部材２１ｆは、それぞれの基端がリンク部２１ｄに対して回動可能に接続されており、一対のグリップ部材２１ｆ間の角度を大きくしたり小さくしたりすることにより、後述するジョー部材１０４ａとジョー部材１０４ｂとの開き角度が変更される。

また、操作ハンドル２１は、操作ハンドル２１によって受け付けられた操作量に対してロボットアーム６０および手術器具４の移動量が変更される。この変更を、スケーリングという。たとえば、移動量の倍率が１／２倍に設定されている場合、手術器具４は、操作ハンドル２１の移動距離の１／２の移動距離を移動するよう制御される。これによって、精細な手術を精確に行うことができる。

図５に示すように、フットペダル２２は、手術器具４に関する機能を実行するように複数設けられている。また、複数のフットペダル２２は、基台部２８に配置されている。フットペダル２２は、切替ペダル２２ａと、クラッチペダル２２ｂと、カメラペダル２２ｃと、切開ペダル２２ｄと、凝固ペダル２２ｅとを含んでいる。切替ペダル２２ａと、クラッチペダル２２ｂと、カメラペダル２２ｃと、切開ペダル２２ｄと、凝固ペダル２２ｅとは、操作者の足により操作される。また、切開ペダル２２ｄは、右側のロボットアーム６０用の切開ペダル２２ｄＲと、左側のロボットアーム６０用の切開ペダル２２ｄＬとを含む。また、凝固ペダル２２ｅは、右側のロボットアーム６０用の凝固ペダル２２ｅＲと、左側のロボットアーム６０用の凝固ペダル２２ｅＬとを含む。

切替ペダル２２ａは、操作ハンドル２１で動作させるロボットアーム６０を切り替えるように構成されている。第１実施形態では、クラッチペダル２２ｂは、ロボットアーム６０と操作ハンドル２１との操作接続を一時切断するクラッチ操作を実行するように構成されている。クラッチペダル２２ｂが操作者によって踏み込まれている間、操作ハンドル２１による操作が、ロボットアーム６０に伝達されなくなる。また、カメラペダル２２ｃが操作者によって踏み込まれている間、操作ハンドル２１によって、内視鏡６が取り付けられたロボットアーム６０を操作することが可能になる。切開ペダル２２ｄまたは凝固ペダル２２ｅが操作者によって踏み込まれている間、電気手術装置が起動する。

図１に示すように、モニタ２４は、内視鏡６によって取り込まれた画像を表示するためのスコープ型表示装置である。支持アーム２５は、モニタ２４の高さを医師などの操作者の顔の高さに合わせるようにモニタ２４を支持する。タッチパネル２３は、支持バー２６に配置されている。モニタ２４近傍に設けられたセンサにより操作者の頭部を検知することにより医療用マニピュレータ１は遠隔操作装置２による操作が可能になる。操作者は、モニタ２４により患部を視認しながら、操作ハンドル２１およびフットペダル２２を操作する。これにより、遠隔操作装置２に指令が入力される。遠隔操作装置２に入力された指令は、医療用マニピュレータ１に送信される。

また、医療用台車３には、入力装置３３が設けられている。入力装置３３は、主に施術前に手術の準備を行うために、ポジショナ４０、アームベース５０、および、複数のロボットアーム６０の移動や姿勢の変更の操作を受け付けるように構成されている。

図１および図２に示す医療用マニピュレータ１は、手術室内に配置されている。医療用マニピュレータ１は、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０と、複数のロボットアーム６０とを備えている。アームベース５０は、ポジショナ４０の先端に取り付けられている。アームベース５０は、比較的長い棒形状を有する。つまり、アームベース５０は、長尺形状を有する。また、複数のロボットアーム６０は、各々のロボットアーム６０の基端が、アームベース５０に取り付けられている。複数のロボットアーム６０は、折り畳まれた収納姿勢をとることが可能に構成されている。アームベース５０と、複数のロボットアーム６０とは、滅菌ドレープにより覆われて使用される。また、ロボットアーム６０は、手術器具４を支持する。

ポジショナ４０は、たとえば、７軸多関節ロボットにより構成されている。また、ポジショナ４０は、医療用台車３上に配置されている。ポジショナ４０は、アームベース５０を移動させる。具体的には、ポジショナ４０は、アームベース５０の位置を３次元に移動させるように構成されている。

また、ポジショナ４０は、ベース部４１と、ベース部４１に連結された複数のリンク部４２とを含む。複数のリンク部４２同士は、関節部４３により連結されている。

図１に示すように、複数のロボットアーム６０の各々の先端には、手術器具４が取り付けられている。手術器具４は、たとえば、取り換え可能なインストゥルメント、手術部位の画像を取り込むための図１０に示される内視鏡６などを含む。

図６に示すように、インストゥルメントには、ロボットアーム６０のホルダ７１に設けられたサーボモータＭ２によって駆動される被駆動ユニット４ａが設けられている。また、インストゥルメントの先端には、鉗子４ｂが設けられている。また、インストゥルメントの先端には、鉗子４ｂ以外に、関節を有する器具として、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステーブルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、および、クリップアプライヤーなどが配置される。また、インストゥルメントの先端には、関節を有しない器具として、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、および、吸引オリフィスなどが配置される。また、手術器具４は、被駆動ユニット４ａと鉗子４ｂとを接続するシャフト４ｃを含む。被駆動ユニット４ａと、シャフト４ｃと、鉗子４ｂとは、Ｚ方向に沿って配置されている。

また、図７に示すように、インストゥルメントは、ジョー部材１０４ａおよび１０４ｂの基端側を先端側でＪＴ１１軸周りに回転可能に支持する第１支持体４ｅと、第１支持体４ｅの基端側を先端側でＪＴ１０軸周りに回転可能に支持する第２支持体４ｆと、第２支持体４ｆの基端側に接続されるシャフト４ｃとを含む。被駆動ユニット４ａと、シャフト４ｃと、第２支持体４ｆと、第１支持体４ｅと、鉗子４ｂとは、Ｚ方向に沿って配置されている。ＪＴ１１軸は、シャフト４ｃが延びる方向であるＺ方向に対して直交する。また、ＪＴ１０軸は、シャフト４ｃが延びる方向においてＪＴ１１軸と離間しかつシャフト４ｃが延びる方向およびＪＴ１１軸に対して直交する。なお、ジョー部材１０４ａおよび１０４ｂは、それぞれ、第１ジョー部材および第２ジョー部材の一例である。また、ＪＴ１０軸は、シャフト４ｃの遠位端側に設けられるジョーを曲げる手首関節の一例である。

第１支持体４ｅには、ＪＴ１１軸の軸線周りに回転するように鉗子４ｂが取り付けられている。また、第２支持体４ｆは、第１支持体４ｅをＪＴ１０軸について回転可能に支持している。つまり、第２支持体４ｆにはＪＴ１０軸の軸線周りに回転するように第１支持体４ｅが取り付けられている。また、第１支持体４ｅの先端側であるＺ１方向側の部分は、Ｕ字形状を有している。第１支持体４ｅのＵ字形状の先端側の部分のＪＴ１１軸の軸線における中央部にツールセンタポイントとしてのＴＣＰ１が設定されている。

また、手術器具４としての鉗子４ｂは、シャフト４ｃの回転軸としてのＪＴ９軸と、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの開閉軸としてのＪＴ１２軸とを備えている。なお、シャフト４ｃの回転軸は、シャフト４ｃが延びる方向に沿った軸である。なお、ロボットアーム６０のホルダ７１に設けられたサーボモータＭ２は、複数設けられており、複数のサーボモータＭ２によって、被駆動ユニット４ａの回転体が駆動される。これにより、Ｊ９軸～Ｊ１２軸周りに、手術器具４が駆動される。なお、サーボモータＭ２は、たとえば、４個設けられている。

また、図１０に示すように、内視鏡６のＴＣＰ２は、内視鏡６の先端に設定されている。

また、図８に示すように、医療用台車３には、表示部３３ａが配置されている。表示部３３ａは、医療用台車３の入力装置３３に配置されている。医療用台車３の表示部３３ａの近傍には、ポジショナ４０の移動を操作するジョイスティック３３ｂが配置されている。表示部３３ａに表示される動作モードを選択し、ジョイスティック３３ｂを操作することによりポジショナ４０を３次元的に操作できる。そして、ロールイン時は、ジョイスティック３３ｂが操作されることによりアームベース５０が２次元平面上を移動するようにポジショナ４０が移動される。

また、医療用台車３のジョイスティック３３ｂの近傍には、ポジショナ４０の移動を許可または不許可とするイネーブルスイッチ３３ｃが配置されている。そして、イネーブルスイッチ３３ｃが押下されポジショナ４０の移動が許可された状態でジョイスティック３３ｂが操作されることにより、ポジショナ４０が移動される。具体的には、イネーブルスイッチ３３ｃは、入力装置３３において、表示部３３ａの下方でかつ、ジョイスティック３３ｂに隣り合うように配置されている。

医療用台車３は、操作者による操舵を受け付ける操作ハンドル３５を含む。そして、医療用台車３は、受け付けた操舵に基づいて、ロボット本体部１ａを移動させる。操作ハンドル３５は、医療用台車３の表示部３３ａの近傍に配置されている。そして、操作ハンドル３５は、看護師、技師などの操作者が把持するとともに回動されることにより医療用台車３の移動を操作するスロットル部３５ａを有する。具体的には、操作ハンドル３５は、入力装置３３の下方に配置されている。スロットル部３５ａは、操作ハンドル３５の片方に配置されている。そして、スロットル部３５ａが、手前側から奥側に回動されることにより、医療用台車３が前進する。また、スロットル部３５ａが、奥側から手前側に回動されることにより、医療用台車３が後進する。また、スロットル部３５ａの回動量に応じて医療用台車３の速度が変更される。また、操作ハンドル３５は、Ｒ方向で示される左右に回動可能に構成されており、操作ハンドル３５の回動とともに医療用台車３が回動する。

医療用台車３の操作ハンドル３５に、医療用台車３の移動を許可または不許可とするイネーブルスイッチ３５ｂが配置されている。そして、イネーブルスイッチ３５ｂが押下され医療用台車３の移動が許可された状態で操作ハンドル３５のスロットル部３５ａが操作されることにより、医療用台車３が移動される。

次に、ロボットアーム６０の構成について詳細に説明する。

図６に示すように、ロボットアーム６０は、アーム部６１と、アーム部６１の先端に設けられる並進移動機構部７０とを含む。アーム部６１は、ベース部６２、リンク部６３および関節部６４を含む。並進移動機構部７０は、アーム部６１の先端に接続される基端側リンク部７２と、先端側リンク部７３と、基端側リンク部７２と先端側リンク部７３との間に設けられる連結リンク部７４とを含む。ロボットアーム６０は、ロボットアーム６０の根元側のアームベース５０に対して先端側を３次元に移動させるように構成されている。また、アーム部６１は、７軸多関節ロボットアームから構成されている。なお、複数のロボットアーム６０は、互いに同様の構成を有する。

図６に示すように、ロボットアーム６０は、回転軸としてのＪＴ１～ＪＴ７軸と、直動軸としてのＪ８軸とを備えている。ＪＴ１～ＪＴ７軸は、アーム部６１の関節部６４の回転軸に対応する。また、ＪＴ７軸は、並進移動機構部７０の基端側リンク部７２に対応する。ＪＴ８軸は、並進移動機構部７０の先端側リンク部７３を基端側リンク部７２に対してＺ方向に沿って相対的に移動させる軸に対応する。すなわち、図１５に示すサーボモータＭ１は、ロボットアーム６０のＪＴ１～ＪＴ７軸に対応するように設けられている。また、サーボモータＭ３は、ＪＴ８軸に対応するように設けられている。

並進移動機構部７０は、アーム部６１の先端に設けられるとともに手術器具４が取り付けられている。また、並進移動機構部７０は、手術器具４を患者Ｐに挿入する方向に並進移動させる。また、並進移動機構部７０は、手術器具４をアーム部６１に対して相対的に並進移動させるように構成されている。具体的には、並進移動機構部７０には、手術器具４を保持するホルダ７１が設けられている。ホルダ７１には、図１５に示すサーボモータＭ２が収容されている。

図９に示すように、医療用マニピュレータ１は、ロボットアーム６０に取り付けられ、ロボットアーム６０を操作する操作部８０を備えている。操作部８０は、イネーブルスイッチ８１と、ジョイスティック８２とスイッチ部８３とを含む。イネーブルスイッチ８１は、ジョイスティック８２およびスイッチ部８３によるロボットアーム６０の移動を許可または不許可とする。また、イネーブルスイッチ８１は、看護師、助手などの操作者が操作部８０を把持して押下されることによりロボットアーム６０による手術器具４の移動を許可する状態となる。

スイッチ部８３は、手術器具４の長手方向に沿った手術器具４を患者Ｐに挿入する方向側に手術器具４を移動させるスイッチ部８３ａと、手術器具４を患者Ｐに挿入する方向と反対側に手術器具４を移動させるスイッチ部８３ｂとを含む。スイッチ部８３ａとスイッチ部８３ｂとは、共に、押しボタンスイッチから構成されている。

図９に示すように、操作部８０は、ロボットアーム６０に取り付けられた手術器具４の移動の図１３に示される支点となるピボット位置ＰＰを教示するピボットボタン８５を含む。ピボットボタン８５は、操作部８０の面８０ｂに、イネーブルスイッチ８１に隣り合うように設けられている。そして、図１０に示される内視鏡６または図１１に示されるピボット位置教示器具７の先端が、患者Ｐの体表面Ｓに挿入されたトロカールＴの挿入位置に対応する位置まで移動された状態で、ピボットボタン８５が押下されることによりピボット位置ＰＰが教示され、記憶部３２に記憶される。なお、ピボット位置ＰＰの教示において、ピボット位置ＰＰは、１つの点として設定され、ピボット位置ＰＰの教示は、手術器具４の方向を設定するものではない。

また、図１に示すように、複数のロボットアーム６０のうちの一つの、たとえば、ロボットアーム６０ｃの先端には内視鏡６が取り付けられ、残りの、たとえば、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄの先端には、内視鏡６以外の手術器具４が取り付けられる。具体的には、手術において、４つのロボットアーム６０のうちの１つのロボットアーム６０に内視鏡６が取り付けられ、３つのロボットアーム６０に内視鏡６以外の手術器具４としての鉗子４ｂなどが取り付けられる。そして、内視鏡６が取り付けられているロボットアーム６０に対して、内視鏡６が取り付けられた状態でピボット位置ＰＰが教示される。また、内視鏡６以外の手術器具４が取り付けられるロボットアーム６０に対して、ピボット位置教示器具７が取り付けられた状態でピボット位置ＰＰが教示される。なお、内視鏡６は、互いに隣り合うように配置されている４つのロボットアーム６０のうちの、中央に配置される２つのロボットアーム６０ｂおよび６０ｃのうちのいずれかに取り付けられる。すなわち、ピボット位置ＰＰは、複数のロボットアーム６０毎に個別に設定される。ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄは、第２ロボットアームの一例である。ロボットアーム６０ｃは、第１ロボットアームの一例である。

図９に示すように、操作部８０の面８０ｂには、ロボットアーム６０の位置を最適化するためのアジャストメントボタン８６が設けられている。内視鏡６が取り付けられたロボットアーム６０に対するピボット位置ＰＰの教示後、アジャストメントボタン８６が押下されることにより、他のロボットアーム６０およびアームベース５０の位置が最適化される。

図９に示すように、操作部８０は、ロボットアーム６０に取り付けられた手術器具４を図１２に示される並進移動させるモードと、図１３に示される回転移動させるモードとを切り替えるモード切替ボタン８４を含む。また、モード切替ボタン８４の近傍には、モードインジケータ８４ａが設けられている。モードインジケータ８４ａは、切り替えられたモードを表示する。具体的には、モードインジケータ８４ａが点灯は、回転移動モードを表し、消灯は、並進移動モードを表す。

また、モードインジケータ８４ａは、ピボット位置ＰＰが教示されたことを表示するピボット位置インジケータを兼ねている。

図１２に示すように、ロボットアーム６０を並進移動させるモードでは、手術器具４の先端４ｄが、Ｘ－Ｙ平面上において移動するように、ロボットアーム６０が移動される。また、図１３に示すように、ロボットアーム６０を回転移動させるモードでは、ピボット位置ＰＰが教示されていない時は、鉗子４ｂを中心に回転移動し、ピボット位置ＰＰが教示されている時は、ピボット位置ＰＰを支点として手術器具４が回転移動するように、ロボットアーム６０が移動される。なお、手術器具４のシャフト４ｃがトロカールＴに挿入された状態で、手術器具４が回転移動される。

図１４に示すように、手術支援システム１００は、手術支援システム１００の全体を制御する制御装置１３０を備えている。制御装置１３０は、医療用マニピュレータ１の内部に配置されている。ロボットアーム６０には、ロボットアーム６０を制御するアーム制御部３１ａが配置されている。アーム制御部３１ａは、複数のロボットアーム６０の各々に配置されている。医療用台車３には、ポジショナ４０および医療用台車３を制御するポジショナ制御部３１ｂが配置されている。操作部１２０には、操作部１２０を制御する操作制御部１１０が配置されている。操作制御部１１０は、操作部１２０Ｌと操作部１２０Ｒとの各々に配置されている。制御装置１３０は、ポジショナ制御部３１ｂ、アーム制御部３１ａ、および、操作制御部１１０の各々と通信する。制御装置１３０は、ポジショナ制御部３１ｂ、アーム制御部３１ａ、および、操作制御部１１０の各々を制御する。

図１５に示すように、アーム部６１には、複数の関節部６４に対応するように、複数のサーボモータＭ１と、エンコーダＥ１と、減速機とが設けられている。エンコーダＥ１は、サーボモータＭ１の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ１の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

ロボットアーム６０には、サーボモータＭ１を制御するためのサーボ制御部Ｃ１が配置されている。また、サーボ制御部Ｃ１には、サーボモータＭ１の回転角を検出するためのエンコーダＥ１が電気的に接続されている。

図１５に示すように、並進移動機構部７０には、手術器具４の被駆動ユニット４ａに設けられた回転体を回転させるためのサーボモータＭ２と、手術器具４を並進移動させるためのサーボモータＭ３と、エンコーダＥ２およびエンコーダＥ３と、減速機とが設けられている。エンコーダＥ２およびエンコーダＥ３は、それぞれ、サーボモータＭ２およびサーボモータＭ３の回転角を検出するように構成されている。減速機は、それぞれ、サーボモータＭ２およびサーボモータＭ３の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

ロボットアーム６０には、手術器具４を駆動するサーボモータＭ２を制御するためのサーボ制御部Ｃ２が配置されている。また、サーボ制御部Ｃ２には、サーボモータＭ２の回転角を検出するためのエンコーダＥ２が電気的に接続されている。また、ロボットアーム６０には、並進移動機構部７０を並進移動するサーボモータＭ３を制御するためのサーボ制御部Ｃ３が配置されている。また、サーボ制御部Ｃ３には、サーボモータＭ３の回転角を検出するためのエンコーダＥ３が電気的に接続されている。

遠隔操作装置２の操作部１２０に受け付けられた操作量は、操作制御部１１０を介して、制御装置１３０に入力される。制御装置１３０は、受け付けられた操作量とエンコーダＥ１～Ｅ３により検出された回転角とに基づいてロボットアーム６０と手術器具４を駆動する位置指令を生成する。生成された位置指令はアーム制御部３１ａを介して、サーボ制御部Ｃ１～Ｃ３に入力される。サーボ制御部Ｃ１～Ｃ３は、アーム制御部３１ａを介して制御装置１３０から入力された位置指令と、エンコーダＥ１～Ｅ３により検出された回転角とに基づいて、電流指令を生成するとともに、電流指令をサーボモータＭ１～Ｍ３に出力する。これにより、遠隔操作装置２の操作部１２０に受け付けられた操作に沿うように、ロボットアーム６０が移動される。

図１４に示すように、制御装置１３０は、操作部８０のジョイスティック８２に受け付けられた操作に基づいてロボットアーム６０を操作するように構成されている。具体的には、アーム制御部３１ａは、ジョイスティック８２から入力された入力信号を制御装置１３０に出力する。制御装置１３０は受け取った入力信号と、エンコーダＥ１により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、アーム制御部３１ａを介して、位置指令をサーボ制御部Ｃ１に出力する。サーボ制御部Ｃ１は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１により検出された回転角とに基づいて、電流指令を生成するとともに、電流指令をサーボモータＭ１に出力する。これにより、ジョイスティック８２に入力された動作指令に沿うように、ロボットアーム６０が移動される。

制御装置１３０は、操作部８０のスイッチ部８３からの入力信号に基づいてロボットアーム６０を操作する。具体的には、アーム制御部３１ａは、スイッチ部８３から入力された入力信号を制御装置１３０に出力する。制御装置１３０は受け取った入力信号と、エンコーダＥ１またはＥ３により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、アーム制御部３１ａを介して、位置指令をサーボ制御部Ｃ１またはＣ３に出力する。サーボ制御部Ｃ１またはＣ３は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１またはＥ３により検出された回転角とに基づいて、電流指令を生成するとともに、電流指令をサーボモータＭ１またはＭ３に出力する。これにより、スイッチ部８３に入力された動作指令に沿うように、ロボットアーム６０が移動される。

図１６に示すように、ポジショナ４０には、ポジショナ４０の複数の関節部４３に対応するように、複数のサーボモータＭ４と、エンコーダＥ４と、減速機とが設けられている。エンコーダＥ４は、サーボモータＭ４の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ４の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

医療用台車３は、駆動輪としての前輪と、操作ハンドル３５によって操舵される後輪とを有する。なお、後輪は、前輪よりも操作ハンドル３５に近い側に配置されている。また、医療用台車３には、医療用台車３の複数の前輪の各々を駆動するサーボモータＭ５と、エンコーダＥ５と、減速機とブレーキが配置されている。減速機は、サーボモータＭ５の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。また、医療用台車３の操作ハンドル３５には、図８に示すポテンショメータＰ１が配置されており、スロットル部３５ａの捻りに応じてポテンショメータＰ１で検出した回転角に基づき、前輪のサーボモータＭ５は駆動される。また、医療用台車３の後輪は、双輪形式であり、操作ハンドル３５の左右の回動に基づき、後輪は操舵される。また、医療用台車３の操作ハンドル３５には、図２に示すポテンショメータＰ２が配置されており、医療用台車３の後輪には、サーボモータＭ５ａとエンコーダＥ５ａと減速機が配置されている。減速機は、サーボモータＭ５ａの回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。操作ハンドル３５の左右の回動に応じてポテンショメータＰ２で検出した回転角に基づき、サーボモータＭ６は駆動される。すなわち、操作ハンドル３５の左右の回動による後輪３ｂの操舵は、サーボモータＭ５ａによりパワーアシストされるように構成されている。

医療用台車３は、前輪が駆動されることにより、前後方向に移動する。また、医療用台車３の操作ハンドル３５が回動されることにより、後輪が操舵されて、医療用台車３が左右方向に回動する。

図１６に示すように、ポジショナ４０には、ポジショナ４０を移動するサーボモータＭ４を制御するためのサーボ制御部Ｃ４が配置されている。また、サーボ制御部Ｃ４には、サーボモータＭ４の回転角を検出するためのエンコーダＥ４が電気的に接続されている。また、医療用台車３には、医療用台車３の前輪を駆動するサーボモータＭ５を制御するためのサーボ制御部Ｃ５が配置されている。サーボ制御部Ｃ５には、サーボモータＭ５の回転角を検出するためのエンコーダＥ５が電気的に接続されている。医療用台車３の後輪の操舵をパワーアシストするサーボモータＭ５ａを制御するためのサーボ制御部Ｃ５ａが配置されている。サーボ制御部Ｃ５ａには、サーボモータＭ５ａの回転角を検出するためのエンコーダＥ５ａが電気的に接続されている。

図１４示すように、入力装置３３から準備位置の設定などに関する動作情報が、ポジショナ制御部３１ｂを介して、制御装置１３０に入力される。制御装置１３０は、入力装置３３から入力された動作情報と、エンコーダＥ４により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、ポジショナ制御部３１ｂを介して、位置指令をサーボ制御部Ｃ４に出力する。サーボ制御部Ｃ４は、ポジショナ制御部３１ｂから入力された位置指令と、エンコーダＥ４により検出された回転角とに基づいて、電流指令を生成するとともに、電流指令をサーボモータＭ４に出力する。これにより、入力装置３３に入力された動作指令に沿うように、ポジショナ４０が移動される。同様に、入力装置３３からの動作情報に基づいて、制御装置１３０は、医療用台車３を移動させる。

図１７に示すように、遠隔操作装置２は、操作制御部１１０を備えている。操作部１２０には、アーム１２１および操作ハンドル２１を含む操作部１２０の回転軸であるＡ１～Ａ７軸に対応するように設けられたサーボモータＭ６ａ～Ｍ６ｇを制御するためのサーボ制御部Ｃ６ａ～６ｇが配置されている。また、サーボ制御部Ｃ６ａ～６ｇには、サーボモータＭ６ａ～６ｇの回転角を検出するためのエンコーダＥ６ａ～Ｅ６ｇが電気的に接続されている。なお、サーボモータＭ６ａ～Ｍ６ｇ、サーボ制御部Ｃ６ａ～６ｇ、および、エンコーダＥ６ａ～Ｅ６ｇは、操作部１２０Ｌと、操作部１２０Ｒとに各々設けられている。

制御装置１３０は、操作制御部１１０を介して、操作部１２０の姿勢に応じて、サーボモータＭ６ａ～Ｍ６ｇの回転軸Ａ１～Ａ７に発生する重力トルクを打ち消すようなトルクを発生するように、サーボモータＭ６ａ～Ｍ６ｇを制御する。これにより、操作者は、比較的小さい力で操作部１２０を操作することが可能になる。

制御装置１３０は、操作制御部１１０を介して、操作部１２０の操作に応じて、サーボモータＭ６ａ～Ｍ６ｇの回転軸Ａ１～Ａ７にトルクを発生させ、操作者の操作をアシストするようにサーボモータＭ６ａ～Ｍ６ｇを制御する。これにより、操作者は、比較的小さい力で操作部１２０を操作することが可能になる。

図１８の左図に示すように、操作者が、グリップ部材２１ｆの一対の指挿入部２１ｅに指を挿入して操作ハンドル２１を並進移動させると、図１９の左図に示すように、手術器具４は、並進移動する。つまり、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの姿勢は変わらずに、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの基端の位置が並進移動する。基端の位置とは、ＪＴ１１軸である。また、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂは、ピボット位置ＰＰを支点として並進移動する。また、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂがピボット位置ＰＰを支点として並進移動するように、ロボットアーム６０およびシャフト４ｃが移動する。

図１８の中央の図に示すように、操作者が、グリップ部材２１ｆの一対の指挿入部２１ｅに指を挿入して操作ハンドル２１を回転移動させると、図１９の中央の図に示すように、手術器具４は、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂが回転する。また、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂは、ピボット位置ＰＰを支点として回転する。また、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂがピボット位置ＰＰを支点として回転するように、ロボットアーム６０およびシャフト４ｃが移動する。

また、図１８の右図および図１９の右図に示すように、１度の操作によって、並進移動と回転との両方が行われる場合もある。

次に、操作部１２０が操作者による操作を受け付けた際の制御装置１３０の制御について説明する。なお、以下に説明する制御装置１３０の制御は、先端に内視鏡６が取り付けられるロボットアーム６０ｃ、および、先端に内視鏡６以外の手術器具４が取り付けられるロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄのいずれのロボットアーム６０に対しても同様に行われる。また、手術器具４の駆動に対しても同様に行われる。

図２０に示すように、操作者による操作が操作部１２０により受け付けられる。これにより、受け付けられた操作に対応する同次変換行列が生成される。同次変換行列は、４×４行列からなる。同次変換行列は、手術器具４の並進移動のための並進移動成分と、手術器具４の回転のための回転成分とを含む。制御装置１３０は、現在の手術器具４の位置と、操作部１２０により受け付けられた目標位置との差分を算出する。なお、位置は、同次変換行列の並進移動成分に対応する。制御装置１３０は、現在の手術器具４の姿勢と、操作部１２０により受け付けられた目標姿勢との差分を算出する。なお、姿勢は、同次変換行列の回転成分に対応する。制御装置１３０は、算出した差分値に基づいて、目標となる同次変換行列を算出する。つまり、同次変換行列が更新される。制御装置１３０は、更新された同次変換行列に対して逆運動学計算を行う。制御装置１３０は、逆運動学計算により、ロボットアーム６０および手術器具４に対して、関節軸の回転角を算出する。このように、制御装置１３０は、受け付けられた操作量に基づいて手術器具４の並進移動および回転を制御する。

ここで、第１実施形態では、遠隔操作装置２は、操作者による手術器具４の並進移動に対する操作者設定スケーリング値を受け付ける。たとえば、操作者設定スケーリング値は、遠隔操作装置２のタッチパネル２３により受け付けられる。制御装置１３０は、操作部１２０により受け付けられた操作のうちの並進移動成分に対して操作者設定スケーリングを行う。ここで、操作者設定スケーリングとは、操作者が操作部１２０を操作した操作量に対して、操作者設定スケーリング値に対応する比率を乗算した分だけ、手術器具４を移動させることを意味する。たとえば、操作者設定スケーリング値が３：１に設定されると、操作者の操作量が３である場合、手術器具４は１だけ並進移動される。操作者設定スケーリングは、回転成分に対しては行われない。なお、タッチパネル２３は、受付部の一例である。また、操作者設定スケーリングは、第２のスケーリングの一例である。

遠隔操作装置２は、内視鏡６以外の手術器具４が取り付けられるロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄに対する操作者設定スケーリング値を受け付ける。第１実施形態では、制御装置１３０は、遠隔操作装置２によりロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄのうちのいずれかに対する操作者設定スケーリング値が受け付けられた場合、受け付けられた操作者設定スケーリング値に連動させて内視鏡６が取り付けられるロボットアーム６０ｃに対する操作者設定スケーリング値を変更する。たとえば、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄのうちのいずれかに対して、３：１の操作者設定スケーリング値が受け付けられた場合、ロボットアーム６０ｃに対して、３：１の操作者設定スケーリング値が自動的に設定される。

第１実施形態では、制御装置１３０は、遠隔操作装置２によりロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄのうちのいずれかに対して操作者設定スケーリング値を大きくする操作が受け付けられた場合、ロボットアーム６０ｃに対する操作者設定スケーリング値を大きくする。たとえば、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄのうちのいずれかに対して、３：１から２：１に操作者設定スケーリング値を大きくするように変更が受け付けられた場合、ロボットアーム６０ｃに対して、３：１から、２．３：１に操作者設定スケーリング値が大きくなるように自動的に設定される。また、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄのうちのいずれかに対して、２：１から１．５：１に操作者設定スケーリング値を大きくするように変更が受け付けられた場合、ロボットアーム６０ｃに対して、２．３：１から、２：１に操作者設定スケーリング値が大きくなるように自動的に設定される。

ここで、第１実施形態では、制御装置１３０は、受け付けられた操作量のうち、手術器具４の並進移動成分および手術器具４の回転成分のうちの少なくとも並進移動成分に対して並進スケーリングを行う。なお、具体的には、第１実施形態では、制御装置１３０は、並進移動成分に対して並進スケーリングを行い、回転成分に対して回転スケーリングを行う。制御装置１３０は、手術器具４の並進移動に対しては、操作者設定スケーリングが行われた並進移動成分に対して並進スケーリングを行う。制御装置１３０は、手術器具４の回転に対しては、回転スケーリングのみを行う。なお、並進スケーリングおよび回転スケーリングは、第１のスケーリングの一例である。

第１実施形態では、制御装置１３０は、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、並進スケーリングおよび回転スケーリングを行う。なお、制御装置１３０は、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転速度が制限値未満の場合では、並進スケーリングおよび回転スケーリングは行わない。制御装置１３０は、後述する操作者設定スケーリングのみを行う。並進スケーリングおよび回転スケーリングの詳細な説明は後述する。なお、手術器具４の関節軸とは、シャフト４ｃのロール回転軸と手首関節の回転軸であるＪＴ１０軸を含む手術器具４の複数の関節軸を意味する。

第１実施形態では、制御装置１３０は、受け付けられた操作量に対して、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、複数の関節軸の回転速度を関連した割合で並進および回転スケーリングする。具体的には、制御装置１３０は、受け付けられた操作量に対して、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、複数の関節軸の回転速度を同じ割合で並進および回転スケーリングする。つまり、並進および回転スケーリングが行われる複数の関節軸に対して、同じ並進および回転スケーリング値を用いて、並進および回転スケーリングする。

第１実施形態では、制御装置１３０は、並進移動成分に対して前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値を用いて１回目の並進スケーリングを行う。また、制御装置１３０は、回転成分に対して、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値を用いて１回目の回転スケーリングを行う。これにより、同次変換行列の１回目の更新が行われる。そして、制御装置１３０は、並進スケーリングを行った後の並進移動成分および回転スケーリングを行った後の回転成分に対して１回目の逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する。制御装置１３０は、ロボットアーム６０の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、並進スケーリング値および回転スケーリング値を更新する。制御装置１３０は、更新した並進スケーリング値を用い２回目の並進スケーリングを行うとともに更新した回転スケーリング値を用いて２回目の回転スケーリングを行う。これにより、同次変換行列の２回目の更新が行われる。その後、制御装置１３０は、並進移動成分および回転成分に対して２回目の逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する。並進スケーリング値および回転スケーリング値は、制御装置１３０によって自動的に調整されるため、操作者の操作によって調整することはできない。なお、図２０のユニットディレイは、前回の制御周期で用いられた並進および回転スケーリング値を用いることを意味する。なお、並進スケーリング値と回転スケーリング値の初期値は１とする。但し、正の値であれば、これに限らない。

（並進スケーリング）
図２１に示すように、制御装置１３０は、並進スケーリング値に基づいて、前回の制御周期で用いられた並進移動成分と、操作部１２０が受け付けた操作量に対応する並進移動成分とを線形補間することにより、今回の制御周期で使用する並進移動成分を算出する。これにより、並進スケーリングが行われる。第１回目の並進スケーリングでは、前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値が用いられる。第２回目の並進スケーリングでは、ロボットアーム６０の関節軸の回転速度が制限値以下になるように更新された並進スケーリング値が用いられる。

並進スケーリングが行われても、手術器具４の移動方向は変わらないが、操作部１２０に対する操作者の操作量よりも手術器具４の移動量は小さくなる。一方、手術器具４の並進移動成分に対しては、操作者設定スケーリングも行われているので、並進スケーリングによって手術器具４の移動量が減少しても、操作者の違和感は小さい。

（回転スケーリング）
図２２に示すように、制御装置１３０は、回転スケーリング値に基づいて、前回の制御周期で用いられた回転成分と、操作部１２０が受け付けた操作量に対応する回転成分とを、球面上に沿って補間する球面線形補間することにより、今回の制御周期で使用する回転成分を算出する。これにより、回転スケーリングが行われる。第１回目の回転スケーリングでは、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値が用いられる。第２回目の回転スケーリングでは、ロボットアーム６０の関節軸の回転速度が制限値以下になるように更新された回転スケーリング値が用いられる。

回転スケーリングによりロボットアーム６０の関節軸の回転速度が制限値以下に制限されても、回転速度の制限の直後には操作部１２０により受け付けられたように手術器具４は回転しない。手術器具４は、回転速度の制限の直後から、受け付けられた操作に追いつくように徐々に回転する。手術器具４は、最終的には、受け付けられた操作に対応するように回転する。手術器具４の姿勢は、操作者の意図した姿勢になることが重要であるため、手術器具４にとって、最終的に受け付けられた操作に対応する姿勢となることが重要である。なお、姿勢とは、手術器具４としての鉗子４ｂやハサミの向く方向である。

（並進スケーリング値および回転スケーリング値の更新）
図２３を参照して、並進スケーリング値および回転スケーリング値の更新について説明する。ステップＳ１において、制御装置１３０は、並進移動成分に対して前回の並進スケーリング値を用いて１回目の並進スケーリングを行とともに、回転成分に対して、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値を用いて１回目の回転スケーリングを行う。そして、制御装置１３０は、１回目の並進スケーリングおよび１回目の回転スケーリングが行われた同次変換行列に対して１回目の逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する。

第１実施形態では、ステップＳ２において、制御装置１３０は、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転角を算出する。制御装置１３０は、複数の関節軸の各々の回転角に基づいて複数の関節軸の各々の回転速度を算出する。制御装置１３０は、算出した回転速度の各軸の制限値に対する比の絶対値を各軸毎に算出する。制御装置１３０は、算出した各軸毎の比の絶対値のうち、最大値を、ｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏとする。

ステップＳ３において、制御装置１３０は、複数の関節軸の各々の回転速度のうちの最大の回転速度が制限値以上か否かを判定する。具体的には、制御装置１３０は、ｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏが１以上か否かを判定する。

ステップＳ３においてｙｅｓの場合、ステップＳ４に進む。すなわち、制御装置１３０は、複数の関節軸の各々の回転速度のうちの最大の回転速度が制限値以上の場合、ステップＳ４において、並進スケーリング値および回転スケーリング値が小さくなるように、並進スケーリング値および回転スケーリング値を変更する。具体的には、第１実施形態では、制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値を、最大の回転速度に基づく値で除算した値を、変更後の並進スケーリング値とする。制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値を、最大の回転速度に基づく値で除算した値を、変更後の回転スケーリング値とする。詳細には、制御装置１３０は、前回の並進スケーリング値をｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏで除算した値を、更新後の並進スケーリング値とする。制御装置１３０は、前回の回転スケーリング値をｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏで除算した値を、更新後の回転スケーリング値とする。その後、ステップＳ６に進む。

ステップＳ３においてｎｏの場合、ステップＳ５に進む。すなわち、制御装置１３０は、複数の関節軸の各々の回転速度のうちの最大の回転速度が制限値よりも小さい場合、並進スケーリング値および回転スケーリング値が大きくなるように並進スケーリング値および回転スケーリング値を変更する。具体的には、第１実施形態では、制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値を最大の回転速度に基づく値で除算した値と、予め設定された１よりも大きい所定の値とのうちの小さい方に、前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値を乗算した値を、変更後の並進スケーリング値とする。制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値を最大の回転速度に基づく値で除算した値と、予め設定された１よりも大きい所定の値とのうちの小さい方に、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値を乗算した値を、変更後の回転スケーリング値とする。詳細には、制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値をｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏで除算した値と、１＋ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＲＡＴＩＯとのうちの小さい方に、前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値を乗算した値を、変更後の並進スケーリング値とする。制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値をｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏで除算した値と、１＋ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＲＡＴＩＯとのうちの小さい方に、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値を乗算した値を、変更後の回転スケーリング値とする。ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＲＡＴＩＯは、たとえば、０．０３である。

次に、ステップＳ６において、制御装置１３０は、更新された並進スケーリング値に基づいて２回目の並進スケーリングを行い、更新された回転スケーリング値に基づいて２回目の回転スケーリングを行う。そして、制御装置１３０は、２回目の並進スケーリングが行われた並進移動成分および２回目の回転スケーリングが行われた回転成分に対して、２回目の逆運動学計算を行う。

次に、ステップＳ７において、制御装置１３０は、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する。また、並進スケーリングおよび回転スケーリングは、上記のステップＳ１～Ｓ７に示される同じアルゴリズムを用いて行われる。

（並進および回転スケーリングの対象となる関節軸）
第１実施形態では、先端に内視鏡６以外の手術器具４が取り付けられるロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄについて、制御装置１３０は、手術器具４のジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの開閉に関わる関節軸以外の複数の関節軸に対して、並進スケーリングおよび回転スケーリングを行う。ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの開閉に関わる関節軸とは、ＪＴ１１軸およびＪＴ１２軸である。また、ジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの開閉に関わる関節軸以外の複数の関節軸とは、ＪＴ１軸～ＪＴ１０軸である。

第１実施形態では、図２４に示すように、先端に内視鏡６以外の手術器具４が取り付けられるロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄについて、制御装置１３０は、手術器具４のジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの開閉に関わる関節軸以外の複数の関節軸に加えて、所定の点周りに手術器具４が回転する仮想的な軸Ｂに対して、並進スケーリングおよび回転スケーリングを行う。なお、所定の点とは、シャフト４ｃが延びる方向に沿った直線Ｌ１と鉛直方向に沿った直線Ｌ２とが交差する点である。すなわち、制御装置１３０は、手術器具４が軸Ｂを中心として回転するように移動する際に、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、並進スケーリングおよび回転スケーリングを行う。つまり、直線Ｌ１と直線Ｌ２とがなす角θの角速度が制限値以下になるように、並進スケーリングおよび回転スケーリングが行われる。

先端に内視鏡６が取り付けられるロボットアーム６０ｃについて、制御装置１３０は、ＪＴ１軸～ＪＴ９軸および仮想的な軸Ｂに対して、並進スケーリングおよび回転スケーリングを行う。

操作者は、ロボットアーム６０に取り付けられた操作部８０を操作することにより、ロボットアーム６０および手術器具４の特異姿勢に近くなるように、ロボットアーム６０および手術器具４を移動させることができる。なお、特異姿勢とは、ロボットアーム６０および手術器具４の制御ができなくなる姿勢である。たとえば、ロボットアーム６０および手術器具４が伸びきった姿勢が特異姿勢である。ロボットアーム６０および手術器具４が特異姿勢に近くなると、関節軸の回転速度が急上昇する一方、並進スケーリングおよび回転スケーリングを行うことにより、関節軸の回転速度の急激な上昇を抑制することができる。

次に、図２５を参照して、手術支援システム１００の制御方法について説明する。

ステップＳ１１において、操作部１２０により操作が受け付けられる。

ステップＳ１２において、制御装置１３０は、受け付けられた操作の操作量に対応する同次変換行列の並進移動成分に対して操作者設定スケーリングを行う。なお、操作者設定スケーリング値は、予め遠隔操作装置２のタッチパネル２３により受け付けられている。

ステップＳ１３において、制御装置１３０は、操作者設定スケーリングが行われた後の同次変換行列の並進移動成分および回転成分に対して、各々、前回の並進スケーリング値を用いて１回目の並進スケーリング行い、前回の回転スケーリング値を用いて１回目の回転スケーリングを行う。

ステップＳ１４において、制御装置１３０は、１回目の並進スケーリングおよび１回目の回転スケーリングを行った後の同次変換行列に対して１回目の逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する。

ステップＳ１５において、制御装置１３０は、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、並進スケーリング値および回転スケーリング値を更新する。

ステップＳ１６において、制御装置１３０は、同次変換行列の並進移動成分および回転成分に対して、各々、更新後の並進スケーリング値を用いて２回目の並進スケーリング行い、更新後の回転スケーリング値を用いて２回目の回転スケーリングを行う。

ステップＳ１７において、制御装置１３０は、２回目の並進スケーリングおよび２回目の回転スケーリングを行った後の同次変換行列に対して２回目の逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する。ステップＳ１１～ステップＳ１７の動作は、制御周期毎に繰り返し行われる。

［第１実施形態の効果］
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、受け付けられた操作量に対して、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、複数の関節軸の回転速度を関連した割合で並進および回転スケーリングする。これにより、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転速度が同様に並進およびスケーリングされるので、複数の関節軸の回転量のバランスがくずれるのを抑制することができる。このため、関節軸の回転速度が制限値を超えるような操作が行われた場合にも、操作部１２０の操作にロボットアーム６０および手術器具４の姿勢を追従させることができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、受け付けられた操作量に対して、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、複数の関節軸の回転速度を同じ割合で並進および回転スケーリングする。これにより、複数の関節軸の回転量のバランスがくずれるのをより抑制することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、受け付けられた操作量のうち、手術器具４の並進移動のための並進移動成分および手術器具４の回転のための回転成分のうちの少なくとも並進移動成分に対して、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように並進および回転スケーリングを行い、並進および回転スケーリングを行った後の並進移動成分および回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、ロボットアームおよび手術器具の関節軸の回転角を算出する。ここで、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出した後に、回転速度が制限値以下になるように回転角を修正した場合、手術器具４の移動の軌跡が操作者の意図する軌跡からずれてしまう場合がある。たとえば、手術器具４を並進移動させているときに、回転速度の制限がかかることにより並進移動の方向が斜めにずれてしまう場合がある。また、手術支援システムでは、手術器具４が、予め設定されたピボット位置ＰＰを支点として回転するようにロボットアーム６０が駆動される。しかしながら、回転速度の制限がかかることによりピボット位置ＰＰからずれた位置を支点として手術器具４が回転してしまう場合がある。そこで、上記のように、並進および回転スケーリングを行った後の並進移動成分および回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出することによって、手術器具４の移動の軌跡が操作者の意図する軌跡からずれてしまうのを抑制することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた並進および回転スケーリング値を用いて、並進および回転スケーリングを行い、並進および回転スケーリングを行った後の並進移動成分および回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出し、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、並進および回転スケーリング値を更新し、更新した並進および回転スケーリング値を用いて並進および回転スケーリングを行った後の並進移動成分および回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する。これにより、関節軸の回転速度が制限値以下になるように並進および回転スケーリング値が更新されるので、関節軸の回転速度が制限値を超えるのを抑制しながら手術器具４の移動の軌跡が操作者の意図する軌跡からずれてしまうのを抑制することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、複数の関節軸の回転角を算出し、複数の関節軸の各々の回転角に基づいて複数の関節軸の各々の回転速度を算出し、複数の関節軸の各々の回転速度のうちの最大の回転速度が制限値以上の場合、並進および回転スケーリング値が小さくなるように並進および回転スケーリング値を変更する。これにより、最大の回転速度に基づいて並進および回転スケーリング値が変更されるので、回転速度が制限値以上となる関節軸が複数存在する場合でも、回転速度が制限値以上となる全ての関節軸において回転速度を制限値よりも小さくすることができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた並進および回転スケーリング値を、最大の回転速度に基づく値で除算した値を、変更後の並進および回転スケーリング値とする。これにより、変更後の並進および回転スケーリング値が比較的小さくなるので、回転速度が制限値以上となるのを迅速に抑制することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、複数の関節軸の各々の回転速度のうちの最大の回転速度が制限値よりも小さい場合、並進および回転スケーリング値が大きくなるように並進および回転スケーリング値を変更する。これにより、回転速度が制限値を超えない場合には、受け付けられた操作量に近づくように並進および回転スケーリングが行われる。このため、手術器具４の移動量を操作者の操作の操作量に近づけることができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた並進および回転スケーリング値を最大の回転速度に基づく値で除算した値と、予め設定された１よりも大きい所定の値とのうちの小さい方に、前回の制御周期で用いられた並進および回転スケーリング値を乗算した値を、変更後の並進および回転スケーリング値とする。これにより、変更前と変更後との並進および回転スケーリング値の差が比較的小さくなるので、手術器具４の移動量を操作者の操作の操作量に滑らかに近づけることができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、変更後の並進および回転スケーリング値に基づいて、前回の制御周期で用いられた並進移動成分と、操作ハンドル２１が受け付けた操作量に対応する並進移動成分とを線形補間することにより、今回の制御周期で使用する並進移動成分を算出する。これにより、比較的簡単な線形補間により今回の制御周期で使用する並進移動成分が算出されるので、制御装置１３０の制御負担を軽減することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、変更後の並進および回転スケーリング値に基づいて、前回の制御周期で用いられた回転成分と、操作ハンドル２１が受け付けた操作量に対応する回転成分とを、球面上に沿って補間する球面線形補間することにより、今回の制御周期で使用する回転成分を算出する。これにより、比較的簡単な球面線形補間により今回の制御周期で使用する回転成分が算出されるので、制御装置１３０の制御負担を軽減することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、並進移動成分および回転成分の両方に対して並進および回転スケーリングを行う。手術支援システム１００では、ピボット位置ＰＰと手術器具４の先端との間の距離が小さい場合、手術器具４の先端を所望の距離分移動させるために、ロボットアーム６０が比較的大きく移動される。このような場合、ロボットアーム６０の関節軸の回転速度が比較的大きくなるので、並進移動成分および回転成分の両方に対してそれぞれ並進および回転スケーリングを行うことは、ロボットアーム６０の関節軸の回転速度が過度に大きくなるのを抑制する点において特に有効である。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、受け付けた操作者設定スケーリング値に基づいて、並進移動成分に対して操作者設定スケーリングを行い、操作者設定スケーリングが行われた並進移動成分に対して並進スケーリングを行う。これにより、操作者設定スケーリング値を変更することにより、操作者の嗜好に合わせて手術器具４の並進移動の移動量を調整することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、受付部によりロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄに対する操作者設定スケーリング値が受け付けられた場合、受け付けられた操作者設定スケーリング値に連動させてロボットアーム６０ｃに対する操作者設定スケーリング値を変更する。これにより、ロボットアーム６０ｃと、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄとの各々に対する操作者設定スケーリング値が連動して変更される。このため、ロボットアーム６０ｃに対する操作者の操作感と、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄに対する操作者の操作感とが乖離するのを抑制することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、受付部によりロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄに対して操作者設定スケーリング値を大きくする操作が受け付けられた場合、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄに対する操作者設定スケーリング値を大きくする。これにより、ロボットアーム６０ｃと、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄの各々とに対する操作者設定スケーリング値が同じ方向に連動して変更される。このため、ロボットアーム６０ｃに対する操作者の操作感と、ロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄに対する操作者の操作感とが乖離するのを効果的に抑制することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、手術器具４のジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの開閉に関わる関節軸以外の複数の関節軸に対して、並進および回転スケーリングを行う。ここで、ジョー部材１０４ａとジョー部材１０４ｂとの開閉に起因して並進および回転スケーリングが行われると、ロボットアーム６０の動作に対して不用に並進および回転スケーリングが行われる場合がある。そこで、第１実施形態では、手術器具４のジョー部材１０４ａおよびジョー部材１０４ｂの開閉に関わる関節軸以外の複数の関節軸に対して、並進および回転スケーリングを行うことにより、ロボットアーム６０の動作に対して不用な並進および回転スケーリングが行われるのを抑制することができる。

第１実施形態では、上記のように、制御装置１３０は、所定の点周りにロボットアーム６０および手術器具４が回転する仮想的な軸Ｂに対して、並進および回転スケーリングを行う。これにより、ロボットアーム６０の全体が仮想的な軸Ｂに対して過度に高速に移動することを抑制することができる。

第１実施形態では、上記のように、所定の点は、シャフト４ｃが延びる方向に沿った直線Ｌ１と鉛直方向に沿った直線Ｌ２とが交差する点である。これにより、シャフト４ｃが延びる方向に沿った直線Ｌ１と鉛直方向に沿った直線Ｌ２とが交差する点周りに、ロボットアーム６０および手術器具４が過度に高速に移動することを抑制することができる。

［第２実施形態］
図２６を参照して、第２実施形態による並進スケーリング値および回転スケーリング値の更新について説明する。

図２６に示すように、ステップＳ２１において、制御装置１３０は、並進移動成分に対して前回の並進スケーリング値を用いて１回目の並進スケーリングを行とともに、回転成分に対して、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値を用いて１回目の回転スケーリングを行う。そして、制御装置１３０は、１回目の並進スケーリングおよび１回目の回転スケーリングが行われた同次変換行列に対して１回目の逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する。

ステップＳ２２において、制御装置１３０は、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転角を算出する。制御装置１３０は、複数の関節軸の各々の回転角に基づいて複数の関節軸の各々の回転速度を算出する。制御装置１３０は、算出した回転速度の各軸の制限値に対する比の絶対値を各軸毎に算出する。制御装置１３０は、算出した各軸毎の比の絶対値のうち、最大値を、ｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏとする。

ステップＳ２３において、制御装置１３０は、複数の関節軸の各々の回転速度のうちの最大の回転速度が制限値より大きいか否かを判定する。具体的には、制御装置１３０は、ｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏが１より大きいか否かを判定する。

ステップＳ２３においてｙｅｓの場合、ステップＳ２４に進む。制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値に、１－ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＲＡＴＩＯを乗算した値を、変更後の並進スケーリング値とする。また、制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値に、１－ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＲＡＴＩＯを乗算した値を、変更後の回転スケーリング値とする。次に、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５において、制御装置１３０は、変更後の並進スケーリング値を用いて並進スケーリングを行うとともに、変更後の回転スケーリング値を用いて回転スケーリングを行った後の同次変換行列に対して２回目の逆運動学計算を行う。その後、ステップＳ２２に戻る。

ステップＳ２３においてｎｏの場合、ステップＳ２７に進む。ステップＳ２７では、制御装置１３０は、ｍａｘ＿ｓｐｅｅｄ＿ｒａｔｉｏが１未満か否かを判定する。ステップＳ２７でｙｅｓの場合、ステップＳ２６に進んで、制御装置１３０は、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を出力する。

ステップＳ２７でｙｅｓの場合、制御装置１３０は、ステップＳ２８に進んで、前回の制御周期で用いられた並進スケーリング値に、１＋ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＲＡＴＩＯを乗算した値を、変更後の並進スケーリング値とする。また、制御装置１３０は、前回の制御周期で用いられた回転スケーリング値に、１＋ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＲＡＴＩＯを乗算した値を、変更後の回転スケーリング値とする。

ステップＳ２９において、制御装置１３０は、変更後の並進スケーリング値が第１基準値よりも大きければ、変更後の並進スケーリングを第１基準値とする。制御装置１３０は、変更後の回転スケーリング値が第２基準値よりも大きければ、変更後の回転スケーリングを第２基準値とする。第１基準値は、予め定められたスケーリング基準値である。第２基準値は、１である。その後、ステップＳ２５に進んだ後、ステップＳ２２に戻る。

ステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２４およびＳ２５のループ、または、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２７、Ｓ２８、Ｓ２９およびＳ２５のループが、ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＬＯＯＰＭＡＸ回繰り返された後、ステップＳ２６に進んで、制御装置１３０は、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を出力する。なお、ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＬＯＯＰＭＡＸは、制御装置１３０の制御周期の１周期の演算の中で繰り返される回数である。ＳＣＡＬＩＮＧ＿ＡＤＪＵＳＴＭＥＮＴ＿ＬＯＯＰＭＡＸは、たとえば、５回である。上記のループの計算を繰り返し行うことにより、関節軸の回転速度が制限値を超えない範囲で制限値に近づくようになる。また、並進スケーリングおよび回転スケーリングは、上記のステップＳ２１～Ｓ２９に示される同じアルゴリズムを用いて行われる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更または変形例が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、並進および回転スケーリングを行った後の並進移動成分および回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、ロボットアーム６０および手術器具４の関節軸の回転角を算出する例を示したが、本開示はこれに限られない。図２７に示すように、操作者設定スケーリングを行った後、同次変換行列の更新を行う。そして、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転角を算出する。その後、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、複数の関節軸の回転速度を同じ割合でスケーリングしてもよい。たとえば、操作部１２０が受け付けた操作量に対する複数の関節軸の回転速度の最大値が１０であるとする。関節軸の回転速度を制限値以下とするために、回転速度が最大値であった関節軸の回転速度が８／１０の割合に制限されたとする。この場合、他の関節軸の回転速度も８／１０の割合でスケーリングされる。また、回転速度の制限を受ける関節軸は、たとえば、ＪＴ１軸～ＪＴ１０軸である。

また、上記第１および第２実施形態では、手術支援システム１００の全体を制御する制御装置１３０により、並進スケーリング、回転スケーリングおよび逆運動学計算などの演算が行われる例を示したが、本開示はこれに限られない。手術支援システム１００の全体を制御する制御装置１３０以外の制御装置により、並進スケーリング、回転スケーリングおよび逆運動学計算などの演算を行ってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、制御装置１３０が医療用マニピュレータ１の内部に配置されている例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、制御装置１３０が医療用マニピュレータ１の外部に配置されていてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、制御装置１３０が、並進スケーリングおよび回転スケーリングの両方を行う例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、制御装置１３０が、並進スケーリングのみを行ってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸に対して並進スケーリングおよび回転スケーリングが行われる例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、ロボットアーム６０および手術器具４の複数の関節軸のうちの１つの関節軸に対してのみ並進スケーリングおよび回転スケーリングを行ってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、前回の制御周期で用いられた並進移動成分と、操作部１２０が受け付けた操作量に対応する並進移動成分とが線形補間される例を示したが、本開示はこれに限られない。前回の制御周期で用いられた並進移動成分と、操作部１２０が受け付けた操作量に対応する並進移動成分とを、線形補間以外の方法によって補間してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、前回の制御周期で用いられた回転成分と、操作部１２０が受け付けた操作量に対応する回転成分とを、球面線形補間する例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、前回の制御周期で用いられた回転成分と、操作部１２０が受け付けた操作量に対応する回転成分とに対して、オイラー角の要素補間を行ってもよい。オイラー角とは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各々の軸周りの回転角度ＲＸ、ＲＹ、ＲＺを意味する。オイラー角の要素補間とは、前回の制御周期と今回の制御周期とにおける、各軸周りの回転をスプライン補間することを意味する。たとえば、先端に内視鏡６が取り付けられるロボットアーム６０ｃに対して、ＲＸ、ＲＹ、ＲＺおよびＺの変数を用いて関節の回転角度を算出してもよい。制御装置１３０は、ロボットアーム６０ｃに対して、前回の制御周期と今回の制御周期とにおけるＲＸ、ＲＹ、ＲＺおよびＺの変数を補間する。これにより、制御装置１３０は、ロボットアーム６０ｃの関節軸の回転角を算出する。

また、上記第１および第２実施形態では、先端に内視鏡６以外の手術器具４が取り付けられるロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄと、先端に内視鏡６が取り付けられるロボットアーム６０ｃとの操作者設定スケーリング値が連動して変更される例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、先端に内視鏡６以外の手術器具４が取り付けられるロボットアーム６０ａ、６０ｂおよび６０ｄの操作者設定スケーリング値と、先端に内視鏡６が取り付けられるロボットアーム６０ｃの操作者設定スケーリング値とを個別に設定してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、ロボットアーム６０が４つ設けられている例を示したが、本開示はこれに限られない。本開示では、ロボットアーム６０の数は、少なくとも１つ以上設けられていれば他の任意の数であってもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、アーム部６１およびポジショナ４０が７軸多関節ロボットから構成されている例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、アーム部６１およびポジショナ４０が７軸多関節ロボット以外の軸構成の多関節ロボットなどから構成されていてもよい。７軸多関節ロボット以外の軸構成とは、例えば、６軸や８軸である。

また、上記第１および第２実施形態では、医療用マニピュレータ１が、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０とを備えている例を示したが、本開示はこれに限らない。たとえば、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０は必ずしも必要なく、医療用マニピュレータ１が、ロボットアーム６０だけで構成されてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、制御装置１３０は、受け付けられた操作量に対して、複数の関節軸の回転速度を同じ割合で並進および回転スケーリングする例を示したが、本開示はこれに限らない。たとえば、制御装置１３０は、複数の関節軸の回転量のバランスがくずれるのを抑制するように、受け付けられた操作量に対して、複数の関節軸の回転速度を複数の関節軸毎に定められた一定の割合で並進および回転スケーリングしてもよい。

本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、従来の回路、および／または、それらの組み合わせ、を含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウェアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウェアである。ハードウェアは、本明細書に開示されているハードウェアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウェアであってもよい。ハードウェアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、またはユニットはハードウェアとソフトウェアの組み合わせであり、ソフトウェアはハードウェアおよび／またはプロセッサの構成に使用される。

１ 医療用マニピュレータ（患者側装置）
２ 遠隔操作装置（操作者側装置）
４ 手術器具
４ｃ シャフト
２３ タッチパネル（受付部）
６０ ロボットアーム
６０ａ、６０ｂ、６０ｄ ロボットアーム（第２ロボットアーム）
６０ｃ ロボットアーム（第１ロボットアーム）
１００ 手術支援システム
１０４ａ ジョー部材（第１ジョー部材）
１０４ｂ ジョー部材（第２ジョー部材）
１２０ 操作部
１３０ 制御装置
Ｂ 仮想的な軸
Ｌ１ シャフトが延びる方向に沿った直線
Ｌ２ 鉛直方向に沿った直線

Claims (16)

1. 先端に手術器具が取り付けられるロボットアームを含む患者側装置と、
   前記手術器具に対する操作量を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、
   受け付けられた前記操作量に基づいて前記手術器具を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   受け付けられた前記操作量に対して、前記ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、前記複数の関節軸の回転速度を関連した割合でスケーリングする、手術支援システム。
2. 前記制御装置は、
   受け付けられた前記操作量に対して、前記ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、前記複数の関節軸の回転速度を同じ割合でスケーリングする、請求項１に記載の手術支援システム。
3. 前記制御装置は、
   受け付けられた前記操作量のうち、前記手術器具の並進移動のための並進移動成分および前記手術器具の回転のための回転成分のうちの少なくとも前記並進移動成分に対して、前記ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が制限値以下になるように前記スケーリングを行い、
   前記スケーリングを行った後の前記並進移動成分および前記回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、前記ロボットアームの関節軸の回転角を算出する、請求項１または２に記載の手術支援システム。
4. 前記制御装置は、
   前記並進移動成分および前記回転成分の少なくとも前記並進移動成分に対して、前回の制御周期で用いられた第１のスケーリング値を用いて、第１のスケーリングを行い、
   前記第１のスケーリングを行った後の前記並進移動成分および前記回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、前記ロボットアームの関節軸の回転角を算出し、
   前記ロボットアームの関節軸の回転速度が制限値以下になるように、前記第１のスケーリング値を更新し、
   更新した前記第１のスケーリング値を用いて前記第１のスケーリングを行った後の前記並進移動成分および前記回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、前記ロボットアームの関節軸の回転角を算出する、請求項３に記載の手術支援システム。
5. 前記制御装置は、
   前記複数の関節軸の回転角を算出し、
   前記複数の関節軸の各々の前記回転角に基づいて前記複数の関節軸の各々の回転速度を算出し、
   前記複数の関節軸の各々の前記回転速度のうちの最大の前記回転速度が制限値以上の場合、前記第１のスケーリング値が小さくなるように前記第１のスケーリング値を変更する、請求項４に記載の手術支援システム。
6. 前記制御装置は、前回の制御周期で用いられた前記第１のスケーリング値を、最大の前記回転速度に基づく値で除算した値を、変更後の前記第１のスケーリング値とする、請求項５に記載の手術支援システム。
7. 前記制御装置は、
   前記複数の関節軸の各々の前記回転速度のうちの最大の前記回転速度が制限値よりも小さい場合、前記第１のスケーリング値が大きくなるように前記第１のスケーリング値を変更する、請求項４～６のいずれか１項に記載の手術支援システム。
8. 前記制御装置は、前回の制御周期で用いられた前記第１のスケーリング値を最大の前記回転速度に基づく値で除算した値と、予め設定された１よりも大きい所定の値とのうちの小さい方に、前回の制御周期で用いられた前記第１のスケーリング値を乗算した値を、変更後の前記第１のスケーリング値とする、請求項７に記載の手術支援システム。
9. 前記制御装置は、変更後の前記第１のスケーリング値に基づいて、前回の制御周期で用いられた前記並進移動成分と、前記操作部が受け付けた前記操作量に対応する前記並進移動成分とを線形補間することにより、今回の制御周期で使用する前記並進移動成分を算出する、請求項４～８のいずれか１項に記載の手術支援システム。
10. 前記制御装置は、変更後の前記第１のスケーリング値に基づいて、前回の制御周期で用いられた前記回転成分と、前記操作部が受け付けた前記操作量に対応する前記回転成分とを、球面上に沿って補間する球面線形補間することにより、今回の制御周期で使用する前記回転成分を算出する、請求項４～９のいずれか１項に記載の手術支援システム。
11. 前記手術器具は、
    シャフトと、
    前記シャフトの遠位端側に設けられるジョーを曲げる手首関節と、を含み、
    前記制御装置は、前記シャフトのロール回転軸と前記手首関節の回転軸を含む前記手術器具の複数の関節軸の少なくとも前記並進成分に対して前記第１のスケーリングを行い、
    前記第１のスケーリングを行った後の前記並進移動成分および前記回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、前記手術器具の関節軸の回転角を算出し、
    前記手術器具の関節軸の回転速度が制限値以下になるように、前記第１のスケーリング値を更新し、
    更新した前記第１のスケーリング値を用いて前記第１のスケーリングを行った後の前記並進移動成分および前記回転成分に対して逆運動学計算を行うことにより、前記手術器具の関節軸の回転角を算出する、請求項４～１０のいずれか１項に記載の手術支援システム。
12. 前記制御装置は、所定の点周りに前記手術器具が回転する仮想的な軸に対して、前記第１のスケーリングを行う、請求項４～１１のいずれか１項に記載の手術支援システム。
13. 前記制御装置は、前記並進移動成分および前記回転成分の両方に対して前記第１のスケーリングを行う、請求項４～１２のいずれか１項に記載の手術支援システム。
14. 操作者による前記手術器具の並進移動に対する第２のスケーリング値を受け付ける受付部をさらに備え、
    前記制御装置は、
    受け付けた前記第２のスケーリング値に基づいて、前記並進移動成分に対して第２のスケーリングを行い、
    前記第２のスケーリングが行われた前記並進移動成分に対して前記第１のスケーリングを行う、請求項４～１３のいずれか１項に記載の手術支援システム。
15. 前記ロボットアームは、
    先端に内視鏡が取り付けられる第１ロボットアームと、
    先端に前記内視鏡以外の前記手術器具が取り付けられる第２ロボットアームと、を含み、
    前記制御装置は、前記受付部により前記第２ロボットアームに対する前記第２のスケーリング値が受け付けられた場合、受け付けられた前記第２のスケーリング値に連動させて前記第１ロボットアームに対する前記第２のスケーリング値を変更する、請求項１４に記載の手術支援システム。
16. 先端に手術器具が取り付けられるロボットアームを含む患者側装置と、前記手術器具に対する操作量を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、受け付けられた前記操作量に基づいて前記手術器具を制御する制御装置と、を備える手術支援システムの制御方法であって、
    受け付けられた前記操作量に対して、前記ロボットアームの複数の関節軸の回転速度が制限値以下になる回転速度の割合を算出し、
    前記複数の関節軸の回転速度を関連した割合でスケーリングする、手術支援システムの制御方法。

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