JP3540362B2 - 手術用マニピュレータの制御システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、生体の、例えば体腔内に挿入したマニピュレータを遠隔的に操作し、診断・処置などの手術を行う手術用マニピュレータの制御システム及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来技術】
腹壁等の体壁に穴を開け、この穴を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することにより、その体腔内での様々な処置を行なう経皮的内視鏡下手術が、大きな切開を要しない低侵襲なものとして、近年、注目されている。こうした術式は胆のう摘出手術や肺の一部を摘出除去する手術等で広く行なわれるようになってきた。
【0003】
このような手術において、マニピュレータに内視鏡や処置具を搭載し、そのマニピュレータによる内視鏡や処置具を用いた手術を術者に代わって間接的に行う手術用マニピュレータシステムが、米国特許第5,217,003号において提案されている。
【0004】
こうした手術用マニピュレータの遠隔操作では、内視鏡等の観察手段によりモニターに映し出された腹腔内の患部の状態を見ながら、操作者がジョイスティックを操作することによって例えば操作方向にマニピュレータを動作させる方式や、あるいはマスターアームを用いる、いわゆるマスタースレーブ方式がとられていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ジョイスティックやマスタースレーブ等の遠隔操作手段を用いて手術用マニピュレータを操作する場合、その遠隔操作手段と、手術を行うマニピュレータとが物理的に分離されているため、両者の動作方向の対応関係が、両者を設置する際の相対的な位置関係により決定されてしまい、その両者の座標系の向きが一致しないことが多く起きる。例えば、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの組を複数設けた場合、その複数のマスタマニピュレータは1人で操作することが多く、術者のいる同じ側のベットサイドに設置することになるのが普通である。一方、スレーブマニピュレータはベットサイドの周辺における設置スペースが制限されるため、複数のマスタマニピュレータは術者のいない反対側のベットサイドにも設置することになる。
【0006】
つまり、各スレーブマニピュレータとこれに対応するそれぞれのマスタマニピュレータを同じサイドに設置できない状況にある。このため、例えば、操作者が遠隔操作手段により右に動作させようとしたとき、手術を行うマニピュレータが左へ動いてしまうといった、動作方向に矛盾が生じ、操作者が意図しない方向に移動するといった事態が起きる。つまり、このような状況では、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータのベース座標系は一致しない向きになり、そのベース座標系を基に位置を対応させようとすると、マスタマニピュレータを操作した場合、それに対応したスレーブマニピュレータは操作者が意図しない方向に移動し、動作方向の矛盾が生じてしまうのである。
【0007】
もちろん、対応するスレーブマニピュレータとマスタマニピュレータを同じサイドに設置した場合でも、それらのマニピュレータ同志が互いに干渉しないように間隔をおいて設置しなければならないから、対応する向きの位置関係がずれて設置せざるを得なくなる事情がある。いずれにしても、前記同様な事情があり、操作性の点で問題があった。
【0008】
以上の如く、内視鏡や処置具を搭載したマニピュレータを個々の遠隔操作手段を用い、協調作業により手術を行う場合にあっては、遠隔操作手段同士の位置関係、内視鏡と処置具を搭載したマニピュレータ同士の位置関係、及びそれぞれのマニピュレータを遠隔操作手段の位置関係により、操作時の動作方向が決定されてしまい、動作方向の矛盾が生じる、もしくは設置条件に制約を受けるという問題があった。
【0009】
本発明は前記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、手術用マニピュレータと遠隔操作手段との相対的な位置関係によってその操作性を損なわれず、操作者の意図するように操作可能な状態に設定できる手術用マニピュレータの制御システム及びその制御方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、操作者が指示を与えるためのマスターマニピュレータと、前記マスターマニピュレータの移動に対応した動作を行うためのスレーブマニピュレ一タと、を有する手術用マニピュレータの制御システムにおいて、第1の基準位置を基準にして前記マスターマニピュレータの第1の所定の部位の第1の座標を示す第1の座標情報を算出する第1の座標算出手段と、前記スレーブマニピュレータの第2の所定の部位が前記第1の座標と等しい座標となるような第2の基準位置を設定する基準位置設定手段と、前記基準位置設定手段で設定された第2の基準位置を基準にして前記スレーブマニピュレータの第2の所定の部位の第2の座標を示す第2の座標情報を算出する第2の座標算出手段と、前記マスターマニピュレータの前記第1の所定の部位の前記第1の座標情報と前記スレーブマニピュレータの前記第2の所定の部位の前記第2の座標情報とに基づいて前記第1の座標と前記第2の座標との偏差を示す偏差情報を算出する偏差算出手段と、前記偏差算出手段で算出された前記第1の座標と前記第2の座標との偏差を少なくするように前記偏差情報に基づいて前記スレーブマニピュレータを移動させる移動手段とを有することを特徴とするものである。
また、請求項2に係る発明は、操作者が指示を与えるためのマスターマニピュレータと、前記マスターマニピュレータの移動に対応した動作を行うためのスレーブマニピュレ一タとを有する手術用マニピュレータの制御方法において、第1の基準位置を基準にして前記マスターマニピュレータの第1の所定の部位の第1の座標を示す第1の座標情報を算出する第1の座標算出工程と、前記スレーブマニピュレータの第2の所定の部位が前記第1の座標と等しい座標となるような第2の基準位置を設定する基準位置設定工程と、前記基準位置設定工程で設定された第2の基準位置を基準にして前記スレーブマニピュレータの第2の所定の部位の第2の座標を示す第2の座標情報を算出する第2の座標算出工程と、前記マスターマニピュレータの前記第1の所定の部位の前記第1の座標情報と前記スレーブマニピュレータの前記第2の所定の部位の前記第2の座標情報とに基づいて、前記第1の座標と前記第2の座標との偏差を示す偏差情報を算出する偏差算用工程と、前記偏差算出工程で算出された前記第1の座標と前記第2の座標との偏差を少なくするように、前記偏差情報に基づいて前記スレーブマニピュレータを移動させる移動工程とを有することを特徴とするものである。
【0011】
【実施例】
(第1の実施例)
この実施例は、手術用マニピュレータとしてのスレーブマニピュレータの動作方向と、その操作手段であるマスタマニピュレータの動作方向の対応関係を任意に設定できる手術用マニピュレータシステムに係るものである。以下、これを図1〜10を参照して説明する。
【0012】
図1はその手術用マニピュレータシステムの概略的な構成を示しており、同図中、1は手術台(ベット)であり、この手術台1上には患者2が上向きに寝せられている。手術台1の左右サイドには、第1のスレーブマニピュレータ3と第2のスレーブマニピュレータ4が別々に設置されている。各スレーブマニピュレータ3,4は、いずれも複数のアーム5を連結した関節構造によって構成されており、第1のスレーブマニピュレータ3の基台7は手術台1の一方のサイドに固定されている。第2のスレーブマニピュレータ4の基台8は手術台1の他方のサイドに固定される。つまり、第1のスレーブマニピュレータ3と第2のスレーブマニピュレータ4は患者2の左右サイドからその患者2の術野に向かって異なる向きで別々に延びる、つまり、逆向きの状態に設置されている。
【0013】
前記各スレーブマニピュレータ3,4の先端部には、例えば把持鉗子、メス、縫合器、注射器等の処置具9,10が搭載されている。なお、このような処置具の代わりに、内視鏡や超音波エコープローブまたは手術用顕微鏡等の観察手段を搭載してもよい。そして、このスレーブマニピュレータ3,4の先端部を、患者2の体内に経皮的に挿入して処置もしくは観察を行う経皮的内視鏡下手術を行うようになっている。
【0014】
前述した各スレーブマニピュレータ3,4における各関節部にはアクチュエータ11とエンコーダ12が設けられており、それの制御手段によりアクチュエータ11を駆動して、このスレーブマニピュレータ3,4の関節を屈曲動作させる。エンコーダ12はその関節の回転角度を検出する。これらのスレーブマニピュレータ3,4は、それぞれ固有のベース座標系13,14を有しており、これらのベース座標系13,14は、図1で示すように、それぞれのスレーブマニピュレータ3,4の基部7,8に固定されたX0 、Y0 、Z0 でそれぞれ表現される直交座標系である。
【0015】
また、同図1中、X、Y、Zで表現された座標系15は、スレーブマニピュレータ3,4のタスク座標系であり、このタスク座標系は後述するようにその設定が任意に変更可能な座標系である。スレーブマニピュレータ3,4を操作する制御手段はその固有の座標系を基準としてこれに対応するマスタマニピュレータ16,17の制御手段からの情報により、そのスレーブマニピュレータ3,4の位置及びオリエンテーションを決定してスレーブマニピュレータ3,4を動かす。
【0016】
第1のスレーブマニピュレータ3を設置した手術台1の右サイドには、術者が位置するが、この右サイドには、第1のマスタマニピュレータ16と第2のマスタマニピュレータ17が設置されている。第1のマスタマニピュレータ16と第2のマスタマニピュレータ17はその手術台1に対して直接、またはその周辺に位置した操作台18に固定される。
【0017】
ところで、操作台18は、術者の都合に応じて適宜の位置に移動することが可能である。また、通常、操作台18は手術室の床に設置されるが、天井に吊持してもよいものである。いずれにしても、これらのマスタマニピュレータ16,17は、同一の術者が操作することができるように、手術台1の一方のサイド周辺に設置される。
【0018】
これらのマスタマニピュレータ16,17は、いずれも複数のアーム19を連結した関節構造によって構成されており、各々の関節部にはアクチュエータ21とエンコーダ22が設けられており、それの制御手段によりアクチュエータ21を駆動して、マスタマニピュレータ16,17の関節を屈曲動作させる。エンコーダ22はその各関節の回転角度が検出する。これらのマスタマニピュレータ16,17はそれぞれ固有のベース座標系23,24を有しており、これらのベース座標系23,24は、図1で示すように、それぞれのマスタマニピュレータ16,17の基部25,26に固定されたX0 、Y0 、Z0 でそれぞれ表現される直交座標系である。
【0019】
また、図1中、X、Y、Zで表現された座標系27は、マスタマニピュレータ16,17のタスク座標系であり、これは後述するようにその設定が任意に変更可能な座標系である。マスタマニピュレータ16,17を操作する制御手段はその固有の座標系を基準として、その制御手段により、そのマスタマニピュレータ16,17の位置及びオリエンテーションを決定してスレーブマニピュレータ3,4を動かす。
【0020】
図2は、スレーブマニピュレータ3,4と、マスタマニピュレータ16,17の動作を制御するシステムの構造を示す。すなわち、それぞれスレーブマニピュレータ3,4を制御する制御装置31と、マスタマニピュレータ16,17を制御する制御装置32が設けられており、各制御装置31,32は、それぞれMPU(micro processor unit)33,34、アクチュエータ駆動回路35,36、およびインターフェース回路37,38を有して構成される。
【0021】
マスタマニピュレータ16,17の先端部の先端、つまり、作用点であるTCP( tool center point )は、ベース座標系23,24、またはタスク座標系27における空間上の座標データとして、MPU34で計算される。これは、前述のエンコーダ22により検出された関節角の幾何学的なベクトル合成によって求められる。この空間データは、マスタマニピュレータ16,17のインターフェース回路38を介し、スレーブマニピュレータ3,4のインターフェース回路37に通信される。さらに、マスタマニピュレータ16,17の座標データは、MPU33に送られ、ここで、スレーブマニピュレータ3,4の動作指令が計算される。
【0022】
すなわち、スレーブマニピュレータ3,4の先端部の先端、つまり、作用点であるTCPは、ベース座標系13,14またはそのタスク座標系15における空間上の座標データとしてMPU33で計算されているが、これが、対応するマスタマニピュレータ16,17の座標データと一致するように、両者の偏差が動作指令として計算される。この動作指令はアクチュエータ駆動回路35に送られ、スレーブマニピュレータ3,4のアクチュエータ11を動作させる。
【0023】
一方、スレーブマニピュレータ3,4のMPU33で計算された偏差は、スレーブマニピュレータ3,4のインターフェース回路37を介して、マスタマニピュレータ16,17のインターフェース回路38へ通信される。
【0024】
この偏差は、さらにマスタマニピュレータ16,17のMPU34に送られ、ここで、マスタマニピュレータ16,17の力指令が計算される。この力指令は、アクチュエータ駆動回路36へ送られ、マスタマニピュレータ16,17のアクチュエータ21にその移動を抑える向きの力を発生させる。これによりマスタマニピュレータ16,17に力感覚を与える。
【0025】
そこで、図1において、マスタマニピュレータ16の操作により、スレーブマニピュレータ3は、対応する動作を行う。つまり、マスタマニピュレータ16の操作により、そのマスタマニピュレータ16に対応する比例的に対応する動作をスレーブマニピュレータ3が行うという、いわゆるマスタスレーブ方式の動作関係にある。
【0026】
この実施例においては、スレーブマニピュレータ3では図1中で示すタスク座標系15が、マスタマニピュレータ16のベース座標系23を平行移動させた関係となるよう設定されており、マスタマニピュレータ16のTCPのベース座標系23における点Pが、スレーブマニピュレータ3のTCPのタスク座標系15における点pに一致するように制御されるため、マスタマニピュレータ16を操作する方向とスレーブマニピュレータ3が移動する向きとは一致する。
【0027】
一方、図1で示すように、マスタマニピュレータ17のタスク座標27は、スレーブマニピュレータ4のベース座標系14を平行移動させた関係となるように後述する設定方法で座標設定がなされており、さらに、マスタマニピュレータ17のTCPのタスク座標系27における点Qが、スレーブマニピュレータ4のTCPのベース座標系14における点qに対応一致するように設定されている。このため、ベース座標系14,24の向きが異なるにも拘らず、マスタマニピュレータ17を操作する方向とスレーブマニピュレータ4が動く向きとを一致させることができる。
【0028】
次に、この実施例においてのマスタマニピュレータ16,17およびスレーブマニピュレータ3,4のタスク座標系の設定を変更する方法について述べる。これにはベクトルやマトリックスを用いる幾つかの方法が考えられるが、ここでは、以下の3つの例を挙げて説明する。
(第1の設定方法)
この最初の設定方法は、いわゆる3点タッチアップ法であり、これを図3および図4を参照して説明する。図3で示すマニピュレータ40を想定して説明する。ここで想定したマニピュレータ40のベース座標系41におけるTCPの位置データは、そのマニピュレータ40を構成するアーム43の長さ、およびその関節に設けられたエンコーダ44での検出角度から求められる。
【0029】
そこで、手術環境に応じて空間上において新たなタスク座標45を設定するには、まず、その設定したいタスク座標45の原点P1を任意的に決め、その定めた原点P1の位置に、マニピュレータ40のTCPを合わせるように、そのマニピュレータ40を動作させる。その制御装置31,32はその原点P1のベース座標系41における位置データを読み取ってこれを記憶する。これにより、新たに設定しようとするタスク座標系45の原点P1の位置が定義できる。
【0030】
ついで、このタスク座標系45のX軸を手術環境に適すると思う任意の方向を選定し、その仮に決めたX軸上で、+側の任意の点P2の位置に、TCPを合わせるべく、マニピュレータ40を動作させる。そして、点P2にTCPを合わせ、そのときのベース座標系41における点P2の位置データを読み取ってこれを記憶する。また、原点P1から点P2に向かう第1のベクトル(P1 P2 )を求めることにより、タスク座標系45のX軸が定義される。なお、ベクトルの表示として2点を示す2文字の上に記す矢印は省略する。以下、同じである。
【0031】
さらに、新たに設定しようとするタスク座標系45の空間で、例えば手術環境に適すると仮に想定されるXY軸の平面上で、Y成分が+である任意の点P3を決め、この仮に決めた点P3の位置に、TCPを合わせるようにマニピュレータ40を動作させる。そして、点P3のベース座標系41における位置データを読み取ってこれを記憶する。
【0032】
そして、点P1から点P3に向かう第2のベクトル(P1 P3 )を求め、さらに、前述した第1のベクトル(P1 P2 )との外積{ベクトル(P1 P2 )×ベクトル(P1 P3 )}のベクトルを求めると、このベクトルの方向がZ軸の方向になる。 さらに、{ベクトル(P1 P2 )×ベクトル(P1 P3 )×ベクトル(P1 P2 )}のベクトルを求めると、これの方向がY軸の方向となる。
【0033】
以上の方法により、マニピュレータ40のTCPの位置合わせにより、空間上の任意のタスク座標系45が定義される。
また、図4で示す式(1)〜(4)を用いてベース座標系41に対する設定したいタスク座標系45への座標マトリックスMを計算で求め、タスク座標系45におけるTCPの位置ベクトルQを求める際、既知のベース座標系41におけるTCPの位置ベクトルPに対し、『Q=M-1P』の式のように、座標マトリックスM-1を左から乗じて求めてもよい。図5は以上のタスク座標系を設定する手順を示したものである。
(第2の設定方法)
次に、第2の設定方法について、図6および図7を参照して説明する。この方法によりタスク座標系を設定するマニピュレータ40を図6で示すように想定する。
【0034】
このマニピュレータ40のベース座標系41と、手術環境に応じて空間上に新たに設定したいタスク座標系45との、変換座標マトリックスMは一般に下式のように表現される。
【0035】
【数1】
【0036】
ここで、p(px 、py 、pz )は、座標系の原点のベクトル
o(ox 、oy 、oz )は、座標系の原点の接近ベクトル
a(ax 、ay 、az )は、座標系の原点の方向ベクトル
n(nx 、ny 、nz )は、座標系の原点の法線ベクトル
である。
【0037】
これらの変数は、このマニピュレータ40を設置した位置、およびタスク座標系45の定義位置の関係を計測することにより、計算によって容易に求めることが可能である。つまり、マニピュレータ40の制御装置内のMPUのレジスタに設定することで、上式を計算し、タスク座標系45におけるTCPの位置ベクトルQを求める際に、既知のベース座標系41におけるTCPの位置ベクトルPに対し、『Q=M-1P』の式のように、座標マトリックスM-1を左から乗じて求めればよい。
(第3の設定方法)
最後に、第3の設定方法について、図8ないし図10を参照して説明する。この設定方法を説明するため、図8および図9で示すようなマニピュレータ40を想定する。
【0038】
マニピュレータ40に搭載するツール46に固有な座標系としてツール座標系47が次のように定義される。これは、TCPを常に原点とし、ツール46の系に固定された座標系であり、マニピュレータ40の動作を行う際に都合の良い方向で定義されている。例えば、図8および図9でのツール46として内視鏡を想定した場合、図8で示すように、その内視鏡の長手方向をX軸とし、内視鏡のオフセット方向にZ軸、これらに直交する方向にY軸を設けておけば、内視鏡を長手方向に移動したい場合には、ツール座標系47のX軸方向の移動を指令すれば良いことになる。
【0039】
数式で、このツール座標系47を表現する場合、図10で示すように、ベース座標系41に対する座標変換マトリックスにより、『H・T』の式で表現される。この式の文字は本来太い文字で表現されるが、ここでは通常の文字で表現する。以下においても同じである。
【0040】
ここで、Tは、マニピュレータのエンドエフェクタ取付面に固定されたメカニカルインターフェース座標系に対する座標変換マトリックスであり、これは、マニピュレータのアームの長さ、エンコーダにより検出される関節角度等により幾何学的に求められる。また、『H』は、メカニカルインターフェース座標系に対するツール座標系の座標変換マトリックスであり、前式(A)と同様の形式で表現され、各成分の変数はツールの形状と、選定したツール座標系の方向より求めれば良い。さらに、タスク座標系におけるTCPの位置ベクトルQを求める際には、既知のベース座標系41におけるTCPの位置ベクトルPに対し、 『Q=M-1P』の式のように、座標マトリックスM-1を左から乗じて求めればよい。
【0041】
以上の方法により、ツール座標系47が定義される。ここでは、ある瞬間のツール座標系47をタスク座標系として定義し、さらに、これを利用して、マスタスレーブ方式の動作指令に利用する。すなわち、まず、空間上の任意の点P1にマニピュレータ40のTCPがある場合において、そのツール座標系47をタスク座標系として定義する。それ以後、マニピュレータ40が動作し、ツール座標系が、図8中、P2に示される座標系(x´:y´:z´)に移っても、P1におけるツール座標系47はタスク座標系として記憶されている。
【0042】
次に、前者の後者に対する座標変換マトリックスKを求める。図8では、スレーブマニピュレータの座標変換マトリックスKを『Ks』、マスタマニピュレータの座標変更マトリックスKをKmとすると、KsがKmに一致するようにスレーブマニピュレータを動作されることにより、それぞれのマニピュレータにおいて、タスク座標系を定義した時点からの現在位置までの相対的な位置関係を対応させることができる。
【0043】
これには、次の効果がある。つまり、マスタスレーブ方式により手術用マニピュレータを遠隔的操作する場合に、両者の位置関係が常に一致することは難しい。例えば両者の電源がオフの状態で、機械的に両者の位置関係がズレてしまう場合がある。特に、マスタマニピュレータの関節にアクチュエータがなく、エンコーダのみ設けて、いわゆるユニラテラル方式のマスタスレーブ方式により遠隔操作する場合には、重力や操作者の力によりマスタマニピュレータの位置は簡単にズレてしまう。
【0044】
しかし、両者の位置関係がズレた状態から、マスタスレーブ方式により一致させるように動作させると、予期せぬ方向へ動作する等、問題ある。
一方、図8に示す方法によると、位置がズレてもマスタスレーブによる動作を開始する時点で、マスタマニピュレータおよびスレーブマニピュレータの両者のツール座標系とタスク座標系として設定し、このタスク座標系から現在位置のツール座標系Km,Ksを一致させるようにスレーブマニピュレータを動作させることにより、前述のように予期せぬ方向へ動作することはない。
(第2の実施例)
この実施例は、手術用マニピュレータと、その操作手段であるセンサの動作方向に対応させる関係に座標を設定する制御システムの例である。
【0045】
図11は、手術用マニピュレータ51と、その操作手段である3次元位置センサ手段52とからなるシステムの概略的な構成を示している。手術用マニピュレータ51は、例えば前述した第1の実施例の場合のスレーブマニピュレータと同様の構成からなり、手術台の一方のサイドに設置されて、同様に使用される。また、前述した第1の実施例と同様の制御装置によって制御されるようになっている。
【0046】
一方、操作手段である3次元位置センサ手段52は、マニピュレータを遠隔的に操作する手段として用いる3次元位置センサであり、手術用マニピュレータ51、例えばスレーブマニピュレータの操作手段として作用するものである。
【0047】
3次元位置センサはソースコイル53およびセンスコイル54からなり、これらはいずれも互いに直交する3つの各軸を中心として巻回した3軸直交の3つの磁界発生または受信用コイル要素を含む略立方体状のものとして作られている。ソースコイル53の各コイル要素には、図示しないドライブ回路によって時間差をとり順次、パルス電流が印加され、これにより、図13で示すように、ソースコイル53を含むシステム空間内に、x,y,zの各軸方向の基準磁界を順次発生させる発信部を構成する。また、センスコイル54は、そのソースコイル53で発生する各基準磁界を検出してそれ自身の位置と向きを検出する受信部を構成する。
【0048】
この場合、ソースコイル53とセンスコイル54、少なくとも、センスコイル54は、図11に示すように手56で握り締めることができる程度の大きさを有する。また、身体の一部、例えば、頭部に取り付けることもできる程度の大きさであってもよい。なお、センスコイル54を操作者の頭部、あるいは頭部に取り付けたHMD(Head Mounted Display)に固定し、頭の動きによりスレーブマニピュレータを操作することも可能である。
【0049】
このように3次元位置センサ手段52は、磁界を発生させる発信部としてのソースコイル53と、このソースコイル53で発生する磁界を受信する受信部としてのセンスコイル54とを備える。この3次元位置センサ手段52は、図12で示すように、ソースコイル53に対するセンスコイル54の相対的な位置と向きを検知する相対位置検出回路58を備える。さらに、3次元位置センサ手段52のソースコイル53とセンスコイル54により検出された3次元的な相対位置情報により、マニピュレータ51を遠隔的に動作させるマニピュレータ制御部59を備える。そして、そのソースコイル53から得られた動作指令により、マニピュレータ51を動作させる遠隔操作システム55の構成を示すものである。
【0050】
しかして、図13で示すように、センスコイル54の各磁気受信用コイル要素にはその各軸方向に前記基準磁界により誘導電流が発生する。この誘導電流に基づいて相対位置検出回路58が磁場のベクトルを検出してそれを演算することにより、ソースコイル53とセンスコイル54の3次元的相対位置を求められるものである。
【0051】
求められた結果は、マニピュレータ制御部59に伝送される。マニピュレータ制御部59は、3次元位置センサ手段52により検出されたセンスコイル54の3次元的相対位置に応じて手術用マニピュレータ51を動作させる。
【0052】
この実施例の操作手段を前述した第1の実施例の例に適用する場合、図14で示すようになる。すなわち、発信部であるソースコイル53を手術台1における同じサイドにそれぞれ固定し、受信部としてのセンスコイル54を操作者が手にもってあるいは頭に取り付けて操作する。
【0053】
一方のスレーブマニピュレータ3は、これに対応して設けた第1の3次元位置センサ手段52aのソースコイル53とセンスコイル54の3次元的相対位置に対応して動作する。また、第1の3次元位置センサ手段52aのベース座標系61とは別にタスク座標系62を設定する。
【0054】
このタスク座標系62におけるセンスコイル54に設けたセンサ座標系63の3次元的位置関係を表すベクトルPが、一方のスレーブマニピュレータ3の、ベース座標系13に対するTCPの3次元的位置関係を表すベクトルPに一致するようにしてスレーブマニピュレータ3を動作させる。ここでのタスク座標系62の設定は任意に変更可能であり、例えば、センスコイル54に設けた直交座標系であるセンサ座標系63を利用して設定する。例えば、ある瞬間におけるセンサ座標系63をタスク座標系62として定義する。
【0055】
このようにタスク座標系62を所望の位置に設定することにより、図14に示すように、スレーブマニピュレータ3のベース座標系13におけるTCPの位置関係と、タスク座標系62に対するセンサ座標系63の位置関係が平行移動の関係となり、操作者は操作しやすい。
【0056】
一方、他のスレーブマニピュレータ4は、第2の3次元位置センサ手段52bのソースコイル53とセンスコイル54の3次元的相対位置に対応して動作する。この第2の3次元位置センサ手段52bのベース座標系61における、センサコイル54に設けたセンサ座標系63の3次元的位置関係を表すベクトルQが、そのスレーブマニピュレータ4の任意に設定可能なタスク座標系65に対するTCPの3次元的位置関係を表すベクトルqに一致するように、スレーブマニピュレータ4を設定し、対応関係で動作させる。すなわち、タスク座標系65は、前述した第1の実施例においての第1または第2の設定方法によって任意に設定可能であり、この設定を行うことにより、図14に示すようにベクトルQとベクトルqが平行移動の関係となり、操作者は操作しやすい。
(第3の実施例)
前述した第2の実施例では、操作手段としてのセンサとして磁気コイルを用いたセンサを使用した例を示したが、本発明は他の方式のセンサでも構わない。この第3の実施例では、視線を検知するセンサにより、手術用マニピュレータの操作を行うようにした例を示すものである。
【0057】
図15において、70は経皮的に腹腔内に挿入するマニピュレータであり、このマニピュレータ70の先端には、体腔内を立体観察可能とする立体視観察手段としての立体視スコープ71が付設されている。
【0058】
図16および図17(a)には、前記立体視スコープ71の撮像した左右画面の信号を処理する図示しない制御装置が処理した信号を左右画像それぞれに表示するHMD(Head Mounted Display)72を示しており、さらに、HMD72には、操作者の眼球73a,73bの視線方向をそれぞれ検出する視線検知センサ74a,74bが設けられている。
【0059】
この視線検知センサ74a,74bは、前述した第1の実施例の場合と同様に、制御装置(図示せず)の演算処理部(図示せず)に接続される。この演算処理部は、視線検知センサ74a,74bが検知した信号を基に眼球73a,73bの各視線を求め、対象物の位置を算出する対象物位置算出回路を備えて構成されている。なお、前記対象物位置算出回路は、求めた対象物の位置を基に、前記立体視スコープ71の前記可変焦点光学系を駆動制御する、いわゆるオートフォーカス制御も行う。
【0060】
前記視線検知センサ74a,74bの具体例としては、図18(a)に示すように、CCDカメラ78で眼球73a,73bを観察するものがあり、そして、これは画像処理によりその眼球73a、73bの位置と、瞳孔75a,75bの中心位置の相対関係から検出する視線を検出する方式である。
【0061】
また、別の構成としては、図18(b)に示すように、眼球73a,73bに向けて発光ダイオード79から赤外光を出射し、眼球73a,73bで反射した光をPSD(ポジション・センシング・デバイス)80で検出することにより、視線方向を検出する方式を採用することも考えられる。いずれの方式も、瞳孔と目の角膜で反射した赤外光による反射像との位置関係をマイクロコンピュータで高速演算して眼球の回転角を求め、どこを見ているかを算出する。
【0062】
そこで、図17(b)において、前記操作者が対象物を観察しているときに、図17(a)で示すように、左右の目の視線方向は対象物の虚像81上で交わるため、各々の視線方向を視線検知センサ74a,74bで求めれば、対象物の虚像81の3次元的な位置が求められる。さらに、前記HMD72と立体視スコープ71との光学系の関係が既知であるので、HMD72における対象物の虚像の3次元的な位置から、立体視スコープ71に対する対象物の実像の3次元的な位置が求められる。
【0063】
前記光学系の関係とは、例えば、HMD72における眼球73a,73bと表示部82a,82bとの位置関係、及び立体視スコープ71における対物光学系71a,71bとCCD84a,84bとの位置関係、さらに,各光学系の倍率等がある。理想的には、光学系の関係が相似関係であれば、図17(a)(b)中において示すθL、ψL、θR、ψRの間には、θL=ψL、θR=ψRの関係式が成立する。
【0064】
しかし、相似関係でなくても、前記光学系の関係が既知であるので、容易に実像の3次元的位置を求めることができる。なお、ψL、ψRは対物光学系71a,71bが対象物の虚像81に合焦した場合に、対物光学系71a,71b、及びCCD84a,84bの光軸に対する偏角である。また、θL、ψLは、図18(a)(b)で示すように、左右の眼球73a,73bの瞳孔75a,75bの中心軸A、B、つまり、左右の視線の方向と、表示部82a,82bとのなす角度である。
【0065】
この図17および図18では、その説明を容易にするため、平面における問題として扱っているが、立体空間においても同様の原理で観察対象の位置が検出できる。
【0066】
視線検出センサ74a,74bにより求めた対象物の虚像81の座標の3次元的位置に立体視スコープ71が向けられるように、手術用マニピュレータ70を動作させるためにHMD72の観察像の中心点及び立体スコープ71の先端にそれぞれアイ座標系85、スコープ座標系86を設ける。アイ座標系85における虚像の観察位置Pが、スコープ座標系86における実像の観察位置pに、常に一致するように座標系を設定し、マニピュレータ70を動作させる。座標系の設定変更は使用環境に応じて前述した実施例のような方法によって行うことができる。これにより、視線が向けられた観察対象の観察像を画面の中央に移動させることが可能である。
【0067】
なお、図15中、87は経皮的内視鏡下手術において使用される各種の処置具である。マニピュレータ70やこの処置具87は経皮的に腹腔88内に挿入される。
(第4の実施例)
この実施例はマニピュレータの操作手段として音声を使用した場合の例であり、これを図19を参照して説明する。
【0068】
すなわち、音声入力手段90と、音声認識装置91と、2つのスレーブマニピュレータ3,4、及びマニピュレータ制御装置(図示せず)を備えて構成される。操作者92は、そのスレーブマニピュレータ3,4の操作者側から見た状態での動作方向を示す「前へ」「後へ」「上へ」「下へ」「右へ」「左へ」等の言葉を、マイクロホン等の音声入力手段90に向けて発声すると、音声認識装置91がその言葉の意味を解読し、マニピュレータ制御装置への指令データを生成する。
【0069】
スレーブマニピュレータ3,4には手術台1に固定されており、その基部(基台)7,8に固定した上下、左右、前後を示すベース座標系93がそれぞれ設定されている。これらのベース座標系93は、マニピュレータ制御装置にて、操作者から見た方向と一致するように、その座標設定の変更が可能であり、これは前述したような方法で行うことができる。
【0070】
このようにベース座標系を任意の方向に変更可能である。ここで、例えば、操作者92側に設置される一方のスレーブマニピュレータ3においては操作者92から見た方向と、あらかじめ設定されたベース座標系93の方向とは通常一致しているため、そのベース座標系93の変更は不要である。しかし、反対側に設置された他方のスレーブマニピュレータ4は、前記スレーブマニピュレータ3とは逆向きに取り付けられるから、操作者92から見た方向と、あらかじめ設定されたスレーブマニピュレータ4のベース座標系93の方向が一致せず、逆向きになる。このため、操作者92の発声の意味に一致しない。
【0071】
そこで、他方のスレーブマニピュレータ4についてのタスク座標系を変換し、ベース座標系93の破線で示した方向に変更することにより、操作者92の発声の意味に一致させるのである。これにより、そのスレーブマニピュレータ4の操作がきわめて容易になる。
【0072】
なお、この第4の実施例では、音声入力によりマニピュレータ3,4のベース座標系93に設定された方向に従って、スレーブマニピュレータ3,4を動作させた例を示したが、その音声入力の代わりに、図20に示すように、上下、前後、左右のスイッチボタン94を有する操作盤95を利用したり、図21で示すように、ジョイスティック96を有する操作盤97を使用したものでも構わないものである。
(第5の実施例)
図22および図23を参照して、この第5の実施例を説明する。図22(a)で示すように、マニピュレータ100は、体腔内に挿入する挿入部101の先端に、体腔内を観察するための観察手段102を設けている。この観察手段102には、例えば、図23(a)でに示すような、立体観察可能とする立体視スコープ103あるいは、同図(b)に示すような超音波トランスデューサ104を内蔵する超音波プローブ105等が利用できる。
【0073】
一方、マニピュレータ100の操作手段としてのジョイスティック106、前記観察手段102から得られた観察像を表示するための、TVモニタなどからなる表示手段107がある。観察手段102の先端には、これの先端に固定されたツール座標系108を設け、これは、制御装置の制御手段によって、ジョイスティック106の操作方向X,Y,Zに対応し動作する。制御手段に設定される前記ツール座標系108は、例えば前述した実施例のような方式によって、その座標設定の変換手段により設定・変更できるようになっている。
【0074】
そこで、表示手段107の上下、左右、前後方向の座標109と、ジョイスティック106の操作方向X,Y,Zとを、前述した座標変換方式により設定し直して、互いに対応させることにより、画面に対して所望の方向を見たいときに、ジョイスティック106の操作方向が直ちにわかり、その操作性を良くする。
(第6の実施例)
図24および図25を参照してこの第6の実施例を説明する。図24は磁気コイルによる操作手段を示しており、図25はマニピュレータを示している。この実施例でのマニピュレータ110は、前記第5の実施例と同様、体腔内に挿入する挿入部111の先端に体腔内を観察するための観察手段112を設けている。この観察手段112には、例えば、前述した図23(a)でに示すような、立体観察可能とする立体視スコープ103、あるいは図23(b)に示すような超音波トランスデューサ104を内蔵する超音波プローブ105などが利用できる。
【0075】
また、図24で示すように、体腔内を観察するための観察手段112から得られた観察像を表示する手段としてHMD115があり、これを操作者116が頭に装着する。このHMD115には、前述した第2の実施例で説明したようなセンスコイル117を取り付け、このセンスコイル117の、ソースコイル118に対する3次元的位置関係より、操作者116の頭部の3次元的位置を検出するように構成されている。この検出手段で求められた操作者116の頭部の動きに対応して、マニピュレータ110を追従した動きの動作を行わせるようになっている。また、前述した実施例と同様、その一方の座標系に対する他方の座標系の設定は変更が可能なようになっており、使用環境に応じて互いに一致するように設定を変更することが可能である。
【0076】
マニピュレータ110における観察手段112の先端には、固定されたツール座標系119が設定してある。また、センスコイル117およびソースコイル118にはそれぞれセンサ座標系121,122が設定してあり、この両者の3次元的位置関係は、そのセンサ座標系121からセンサ座標系122への座標変換マトリックスMとして計算される。
【0077】
ところで、マニピュレータは、操作者116の頭の動きに常に対応して動作すると、かえって不都合な場合がある。例えば、HMD115を着脱する場合や、マニピュレータ110を静止させておきたい場合がそれである。
【0078】
こうした場合に対応して、センサ手段から得られた3次元的な頭の位置にマニピュレータ110が追従する条件を無効/有効に切り替えることが可能とするスイッチ等の切替え手段を設ける。
【0079】
この条件を有効とした場合に、有効とした瞬間のHMD115のセンサ座標系121から頭が動いた後の現在のセンサ座標系121′への座標変換マトリックスPが、同様に有効とした瞬間の観察手段112のツール座標系119から移動後のツール座標系119′への座標変換マトリックスQに一致するように、マニピュレータ110を動作させる。これによると、無効/有効の切替え時にHMD115の移動方向と、頭の動きの方向に矛盾が生じない。
(第7の実施例)
図26で示す第7の実施例はその手術用マニピュレータ110が前述した第6の実施例で説明したものと同じ構成であり、また、体腔内を観察するための観察手段112から得られた観察像を表示する手段としてのHMD115が同じく設けられている。
【0080】
操作者116の頭に装着するHMD115は複数のアーム126を連節したマニピュレータ127に搭載されており、マニピュレータ127の各関節に設けたエンコーダ128の関節角度により、そのHMD115の3次元的位置が求められる。この位置に応じて手術用マニピュレータ110を対応した動作を行わせるようになっている。
【0081】
観察手段112の先端にはこれに固定されたツール座標系119がある。HMD115には、これに固定されたセンサ座標系121がある。
ところで、マニピュレータは、操作者116の頭の動きに常に対応して動作すると、かえって不都合な場合がある。例えば、HMD115を着脱する場合や、マニピュレータ110を静止させておきたい場合がそれである。
【0082】
こうした場合に対応して、センサ手段から得られた3次元的な頭の位置にマニピュレータ110が追従する条件を無効/有効に切り替えることが可能とする手段を設ける。
【0083】
この条件を有効とした場合に、有効とした瞬間のHMD115のセンサ座標系121から頭が動いた後の現在のセンサ座標系121′への座標変換マトリックスPが同様に有効とした瞬間の観察手段112のツール座標系119から移動後のツール座標系119′への座標変換マトリックスQに一致するように、マニピュレータ110を動作させる。これによると、無効/有効の切替え時にHMD115の移動方向と、頭の動きの方向に矛盾が生じない。
(第8の実施例)
図27および図28を参照して、この第8の実施例を説明する。この実施例は、モニターを見ながらの処置用マニピュレータの操作性を高める観察手段を提供するものである。図27中、130は体腔内に誘導されて使用される処置用マニピュレータを示しており、このマニピュレータ130の先端にはツール座標系131が設定されている。ツール座標系131のX軸が、マニピュレータ130の長軸に一致させるように、その使用環境に応じてツール座標系131を設定する。
【0084】
また、同図中133は観察用マニピュレータであり、この観察用マニピュレータ133の先端に設けた観察手段134により処置用マニピュレータ130を観察し、また、その表示手段であるTVモニター135の画面内に前記ツール座標系131をスーパインポーズさせる。
【0085】
処置用マニピュレータ130の操作手段には、ツール座標系131の座標軸に対応して移動させる機能を設ける。これによりTVモニター135の画面内に表示される前記ツール座標系131を見ながらの種々の操作手段によりそれの操作を容易に行うことができる。
(第9の実施例)
図29を参照してこの第9の実施例を説明する。この実施例は例えば前述した第1の実施例において示したように、スレーブマニピュレータ3,4と、マスタマニピュレータ16,17とをそれぞれ2台ずつ設けたマニピュレータシステムに係るが、特に、そのスレーブマニピュレータ3,4についてのタスク座標系を共有し、これを共有座標系141とする。また、マスタマニピュレータ16,17についてのタスク座標系も共有し、これを共有座標系142とする。もちろん、共有座標系141,142は座標設定が変更可能なものである。
【0086】
そして、各々、共有座標系141,142における位置関係が対応するよう、マスタマニピュレータ16,17の操作によってスレーブマニピュレータ3,4に対応した動作を行わせるように、その各座標系を設定させている。その他の点では前述した第1の実施例の説明の通りである。
【0087】
このように共有座標系141,142を共有するから、それぞれ共有する座標系で、マスタマニピュレータ16,17の動きに追従して、スレーブマニピュレータ3,4を操作できる。したがって、2台のマニピュレータシステムで協調作業を行うときの操作が容易である。なお、対のマニピュレータは2組に限らず、それを越えて設けてもよい。
(第10の実施例)
図30に基づいて、第10の実施例を説明する。このマニピュレータシステムにおいて、スレーブマニピュレータ151は、その先端を体内に挿入する挿入部152を有した器具153と、この器具153を支持するための直動及び回転の自由度を有する複数の軸を有するロボット154とからなる。挿入部152の先端部には、3次元(立体)スコープ155と、一対の処置具156,157を備えている。挿入部152の先端部および一対の処置具156,157は、それぞれ多自由度にて湾曲動作可能となっている。また、このスレーブマニピュレータ151は、直動及び回転の自由度を有する。
【0088】
一方、操作手段としては、多関節構造を有するマスタマニピュレータ161があり、そのマスタマニピュレータ161の先端には、HMD162と、一対の処置具操作用操作アーム163,164とが設けられている。処置具操作用操作アーム163,164の一方と他方は前述した一対の処置具156,157の一方と他方にそれぞれ個別的に対応して、そのマスタとスレーブとしての個別的に対応した動きをするように制御されるように座標系が設定されている。
【0089】
すなわち、図30に示すように各々の位置には座標系が設けられている。つまり、マスタマニピュレータ161のツール座標系165についての動作が、スレーブマニピュレータ151の挿入部152の座標系166に対応し、さらに、ツール座標系165に対するHMD162のセンサ座標系167が、挿入部152の座標系166に対するスコープ座標系170に対応するよう、スレーブマニピュレータ151が動作する。ツール座標系165に対する、操作アーム163,164の操作部座標系168,169がそれぞれ挿入部座標系166に対する処置部座標系171,172に対応するように設定されている。
【0090】
したがって、複数の処置具と、観察手段を独立して制御する場合においても、その動作方向の矛盾なく操作が可能である。
(第11の実施例)
この実施例は前述した第1の実施例の変形例を示すものであり、これを図31に示す。すなわち、この実施例は、内視鏡および処置具を搭載した複数の手術用マニュピレータたる第1のスレーブマニピュレータ3と第2のスレーブマニピュレータ4を設け、これを遠隔的に操作手段によって遠隔的に操作を行う。また、複数のスレーブマニピュレータ3と第2のスレーブマニピュレータ4は手術台1のサイドに固定されるが、そのベットサイドのスペースの都合により、左右に分けてその手術台1の両側に設置されている。
【0091】
一方、操作手段としては、前記スレーブマニピュレータ3,4にそれぞれ個別的に対応するマスタマニピュレータ16,17が設けられるが、この複数のマスタマニピュレータ16,17を1人の操作者で操作する関係で、その操作者のいる同じ側において手術台1の一方のサイドに固定的に設置している。つまり、スレーブマニピュレータ3,4とこれに個別的に対応するマスタマニピュレータ16,17の各組には、同じサイドに設置できなくなる組が生じる。この実施例ではスレーブマニピュレータ4とこれに対応するマスタマニピュレータ17がその関係にある。
【0092】
そして、このスレーブマニピュレータ4とマスタマニピュレータ17の組の場合には、両者のベース座標系は、最初、一致せず、そのベース座標系を基に位置の対応を行わせると、操作者が意図しない方向にスレーブマニピュレータ4が動いてしまう問題がある。このことは前述した通りである。
【0093】
この対策として、この実施例では、そのスレーブマニピュレータ3,4とマスタマニピュレータ16,17の各タスク座標系を設定するにあたり、その複数のスレーブマニピュレータ3,4のタスク座標系173を共有化し、また、マスタマニピュレータ16,17のタスク座標系174も共有化するものとする。このようにタスク座標系をそれぞれ共有化することにより、複数のマニピュレータを設けるシステムにおいても、それらの間の位置関係の対応がとれ、操作性の改善が図れる。
【0094】
このように、スレーブマニピュレータ3,4は患者およびベットとのレイアウトから設置され、ベース座標系の整合がとれないことが多く、また、マスタマニピュレータ16,17は操作者の操作上の都合により設置する位置が決められることがある。このため、それらのタスク座標系の対応が一致しないことがあるが、この実施例では、共有化したタスク座標系173,174としてそれぞれ設定し直して、その座標系を一致させることで、その問題を解決できるのである。
【0095】
なお、複数のスレーブマニピュレータの数に応じて操作手段も同じ数を設ける場合に限らず、操作手段、例えば、あるマスタマニピュレータを複数のスレーブマニピュレータに共用するようにしてもよい。例えばこの第11の実施例では例えばマスタマニピュレータ16のみとし、図示しない切替え手段を設けて使用するに有効なスレーブマニピュレータ3,4を選択するようにしてもよい。
(第12の実施例)
図32で示すように、この実施例は、例えば前述した第1の実施例の場合のように経皮的手術で行う場合において、複数の処置用スレーブマニピュレータ181,182を設け、この術野を経皮的に挿入した内視鏡183で観察するようにしたものである。複数の処置用スレーブマニピュレータ181,182、およびこれのための操作手段については例えば前述した第1の実施例と同じである。
(追記)
(1) 術者が操作できる領域内に設置された操作手段と、
術野にアクセスするように設置され前記操作手段の操作に追従した動きを行うマニピュレータと、
固有の座標系を基準として前記操作手段の操作位置及び/又はオリエンテーションを決定する第1の制御手段と、
固有の座標系を基準として前記第1の制御手段からの情報により、前記マニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションを決定して前記マニピュレータを動かす第2の制御手段と、
前記操作手段の固有の座標系及び前記マニピュレータの固有の座標系の少なくとも一方の座標系の設定を変換して前記操作手段とマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる座標系の変換手段とを具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【0096】
(2) 術者が操作できる領域内に設置されたマスタマニピュレータと、
術野にアクセスするように設置され前記マスタマニピュレータの操作に追従した動きを行うスレーブマニピュレータと、
固有の座標系を基準として前記マスタマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションを決定する第1の制御手段と、
固有の座標系を基準として前記第1の制御手段から情報により前記スレーブマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションを決定してそのスレーブマニピュレータを動かす第2の制御手段と、
前記マスタマニピュレータの固有の座標系、及び前記スレーブマニピュレータの固有の座標系の少なくとも一方の座標系の設定を変換して各マニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる座標系の変換手段とを具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【0097】
(3) 術者が操作できる領域内において固有の座標系を基準として位置及び/又はオリエンテーションを決定する状態に操作手段を設置するとともに、この操作手段の操作情報により、固有の座標系を基準として位置及び/又はオリエンテーションを決定して前記操作手段の動きに追従した動きを行うマニピュレータを術野にアクセス可能な位置に設置する第1のステップと、
前記操作手段及びマニピュレータの少なくとも一方の固有の座標系についての座標設定を変換して前記操作手段及びマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる第2のステップとを具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステムにおける座標変換方法。
【0098】
(4) 前記操作手段及びマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる第2のステップは、
新たに設定したいタスク座標の原点を決め、その定めた原点の位置に、操作手段及び/またはマニピュレータの先端を合わせる第1のステップと、
操作手段及び/またはマニピュレータにおいてそのベース座標系における原点の位置データを読み取ってこれにより、新たに設定しようとするタスク座標系の原点の位置を定義する第2のステップと、
新たに設定したタスク座標系の原点から手術環境に適する任意の方向にX軸を仮に選定する第3のステップと、
この仮に選定したX軸上で、+側の任意の第2の点の位置に、操作手段及び/またはマニピュレータの先端を合わせ、その第2の点のベース座標系における位置データを読み取って、前記原点から第2の点に向かう第1のベクトルを求めることにより設定しようとするタスク座標系のX軸を定義する第4のステップと、適すると想定されるXY軸の予想平面上で、Y成分が+である任意の第3の点を決め、この第3の点の位置に操作手段及び/またはマニピュレータの先端を合わせ、その第3の点のベース座標系における位置データを読み取って原点から第3の点に向かう第2のベクトルを求め、この第2のベクトルと前述した第1のベクトルからZ軸を求める第5のステップと、
第1のベクトルと第2のベクトルと第1のベクトルとからY軸を求める第6のステップとを経て、
空間上に新たなタスク座標系のX,Y,Z軸を設定することを特徴とする前記3に記載の手術用マニピュレータシステムにおける座標変換方法。
【0099】
(5) 前記操作手段及びマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる第2のステップは、
新たに設定されたタスク座標系の、ベース座標系に対する座標変換マトリックスを求め、前記操作手段及びマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応をとることを特徴とする前記3に記載の手術用マニピュレータシステムにおける座標変換方法。
【0100】
(6) 前記操作手段及びマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる第2のステップは、
前記マニピュレータに搭載するツールに固有な座標系としてツール座標系を求め、このツール座標系を新たに設定したいタスク座標系に合わせて設定することを特徴とする前記3に記載の手術用マニピュレータシステムにおける座標変換方法。
【0101】
(7) 前記操作手段がマスタスレーブ方式におけるマスタマニピュレータであり、観察または処置の少なくとも一方を行うマニピュレータがスレーブマニピュレータである前記1に記載される手術用マニピュレータシステム。
【0102】
(8) 操作手段が空間の位置またはオリエンテーションの少なくとも一部を検出するセンサであり、前記センサにより操作者の身体の動きを検出することを特徴とする前記1に記載される手術用マニピュレータシステム。
【0103】
(9) 前記操作手段が音声入力装置であり、音声で指令した方向に動作することを特徴とする前記1に記載される手術用マニピュレータシステム。
(10) 前記操作手段がスイッチであり、スイッチにより指定した方向に動作することを特徴とする前記1に記載される手術用マニピュレータシステム。
【0104】
(11) 複数の操作手段を有し、その操作手段の固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を共有することを特徴とする前記1、2又は3に記載される手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。
【0105】
(12) 前記操作手段がマスタスレーブ方式におけるマスタマニピュレータであることを特徴とする手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。
(13) 複数のマニピュレータを有し、そのマニピュレータの固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を共有することを特徴とする前記1、2又は3に記載される手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。
【0106】
(14) 操作手段とマニピュレータの各固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を共有して座標系を対応させることを特徴とする前記1、2又は3に記載される手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。
【0107】
(15) 操作手段として、マスタスレーブ方式におけるマスタマニピュレータと、空間の位置またはオリエンテーションの少なくとも一部を検出するセンサを有し、マスタマニピュレータとセンサの座標系を対応させる手段を有する前記14に記載される手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。
【0108】
(16) 少なくとも2以上の操作手段を共通とし、個々のマニピュレータに対応する操作手段の切換え手段を有し、操作手段の切り換えを行って選択的に使用することを特徴とする前記11に記載される手術用マニピュレータシステム。
【0109】
(17) 術者が操作できる領域内に設置された操作手段と、
術野にアクセスするように設置され前記操作手段の操作に追従した動きを行う術野の観察手段を有するマニピュレータと、
前記観察手段から得られた画像を表示する表示手段と、
前記操作手段及び前記マニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションを座標系を基準として定める制御手段と、
前記座標系の設定を変換して前記操作手段の位置及び/又はオリエンテーションと前記マニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応関係を設定する座標変換手段と、
前記マニピュレータの座標系と、このマニピュレータの有する観察手段から得られた画像を表示する表示手段の画面の方向とを対応させる手段と
を具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【0110】
(18) マニピュレータの有する観察手段に固定された座標系を有する前記17に記載される手術用マニピュレータシステム。
(19) 前記表示手段に空間の位置またはオリエンテーションの少なくとも一部を検出するセンサを設け、表示手段の動きに対応して、観察手段を有するマニピュレータを動作させる制御手段を有する前記17に記載される手術用マニピュレータシステム。
【0111】
(20) 前記表示手段を移動可能なアームにとり付け、アームの移動部にエンコーダを設け、表示手段の動きに対応して、観察手段を有するマニピュレータを動作させる制御手段を有する前記17に記載される手術用マニピュレータシステム。
【0112】
(21) 前記マニピュレータの有する処置手段に固定された座標系の示す方向を表示手段に表示する画像処理手段を有する前記17に記載される手術用マニピュレータシステム。
【0113】
(22) 術野(作業範囲)に種々の異なる方向からアクセスすることができるように設置された複数のスレーブマニピュレータと、
術者が操作できる領域内に対応する前記スレーブマニピュレータとは異なる方向からアクセスするように設置されたマスタマニピュレータと、
前記スレーブマニピュレータとは異なる方向からアクセスするように設置されたマスタマニピュレータと、
前記スレーブマニピュレータと前記マスタマニピュレータとの座標系を変換してそのマスタマニピュレータと前記スレーブマニピュレータとの位置及びオリエンテーションの関係を決定する座標変換手段とを具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【0114】
(23) 前記マスタマニピュレータは前記スレーブマニピュレータの数より少なく少なくとも一部のマスタマニピュレータは複数のスレーブマニピュレータに兼用し、その共用するマスタマニピュレータを使用するスレーブマニピュレータに対応させる状態に切り換える手段を具備したことを特徴とする前記22に記載の手術用マニピュレータシステム。
【0115】
(24) 追記の(2)と(17)をまとめ、(2)のスレーブマニピュレータと、(17)のスレーブマニピュレータとの関係を決定する座標変換手段を加えた内容として、
術者が操作できる領域内に設置されたマスタマニピュレータと、
術野にアクセスするように設置され前記操作手段の操作に追従した動きを行う術野の観察手段を有するスレーブマニピュレータと、
前記観察手段から得られた画像を表示する表示手段と、
固有の座標系を基準として前記マスタマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションをその座標系を基準として定める第1の制御手段と、
固有の座標系を基準として前記第1の制御手段から情報により前記スレーブマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションを決定してそのスレーブマニピュレータを動かす第2の制御手段と、
前記座標系の少なくとも一方の設定を変換して前記マスタマニピュレータ操作手段の位置及び/又はオリエンテーションと前記スレーブマニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの対応関係を設定する座標変換手段と、
前記マニピュレータの座標系と、このマニピュレータの有する観察手段から得られた画像を表示する表示手段の画面の方向とを対応させる手段と
を具備したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【0116】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、手術用マニピュレータの座標系と、操作手段の座標系との関係に応じてその座標系の設定及び変更により、操作者から見た手術用マニピュレータと操作手段との動作方向を一致させることが可能となり、両者の設置の際の相対的位置関係による操作性の制約が回避される。つまり、手術用マニピュレータと操作手段の相対的位置関係によって動作方向に関する操作性が損なわれることなく、操作者の意図するような操作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータシステムの説明図。
【図2】本発明の第1の実施例のマニピュレータシステムにおける制御システムの説明図。
【図3】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータの座標系の設定を変更するための説明図。
【図4】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータの座標系の設定を変更する手順を示す図。
【図5】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータの座標系の設定を変更する手順を示す図。
【図6】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。
【図7】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータの座標系の設定を変更する他の手順を示す図。
【図8】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。
【図9】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。
【図10】本発明の第1の実施例においてのマニピュレータの座標系の設定を変更する他の手順を示す図。
【図11】本発明の第2の実施例においてのマニピュレータシステムの説明図。
【図12】本発明の第2の実施例のマニピュレータシステムにおける制御装置の説明図。
【図13】本発明の第2の実施例のマニピュレータシステムにおける操作手段の説明図。
【図14】本発明の第2の実施例のマニピュレータシステムの使用状態の説明図。
【図15】本発明の第3の実施例においてのマニピュレータの術野における使用状態の説明図。
【図16】本発明の第3の実施例においてのHMDの使用状態の説明図。
【図17】本発明の第3の実施例においてのHMD及び立体視スコープの作用の説明図。
【図18】本発明の第3の実施例においてのHMDの視線を検出する方式の説明図。
【図19】本発明の第4の実施例においての音声入力手段を用いたマニピュレータシステムの説明図。
【図20】操作手段の入力手段としてのスイッチ式操作盤の例を示す平面図。
【図21】操作手段の入力手段としてのジョイスティック式操作盤の例を示す平面図。
【図22】本発明の第5の実施例においてのマニピュレータシステムの説明図。
【図23】本発明の第5の実施例においてのマニピュレータの斜視図。
【図24】本発明の第6の実施例においての操作手段の斜視図。
【図25】本発明の第6の実施例においてのマニピュレータの斜視図。
【図26】本発明の第7の実施例においてのマニピュレータシステムの説明図。
【図27】本発明の第8の実施例においてのマニピュレータの斜視図。
【図28】本発明の第8の実施例においてのTVモニターの正面図。
【図29】本発明の第9の実施例においてのマニピュレータシステムの説明図。
【図30】本発明の第10の実施例においてのマニピュレータシステムの説明図。
【図31】本発明の第11の実施例においてのマニピュレータシステムの説明図。
【図32】本発明の第12の実施例においてのマニピュレータの使用状態の斜視図。
【符号の説明】
1…手術台(ベット)、2…患者、3…第1のスレーブマニピュレータ、4…第2のスレーブマニピュレータ、9,10…処置具、13,14…ベース座標系、15,16…タスク座標系、16…第1のマスタマニピュレータ、17…第2のマスタマニピュレータ、18…操作台、23,24…ベース座標系、27…タスク座標系、31,32…制御装置、33,34…MPU、35,36…アクチュエータ駆動回路、37,38…インターフェース回路。
Claims (2)
- 操作者が指示を与えるためのマスターマニピュレータと、前記マスターマニピュレータの移動に対応した動作を行うためのスレーブマニピュレ一タと、を有する手術用マニピュレータの制御システムにおいて、
第1の基準位置を基準にして前記マスターマニピュレータの第1の所定の部位の第1の座標を示す第1の座標情報を算出する第1の座標算出手段と、
前記スレーブマニピュレータの第2の所定の部位が前記第1の座標と等しい座標となるような第2の基準位置を設定する基準位置設定手段と、
前記基準位置設定手段で設定された第2の基準位置を基準にして前記スレーブマニピュレータの第2の所定の部位の第2の座標を示す第2の座標情報を算出する第2の座標算出手段と、
前記マスターマニピュレータの前記第1の所定の部位の前記第1の座標情報と前記スレーブマニピュレータの前記第2の所定の部位の前記第2の座標情報とに基づいて、前記第1の座標と前記第2の座標との偏差を示す偏差情報を算出する偏差算出手段と、
前記偏差算出手段で算出された前記第1の座標と前記第2の座標との偏差を少なくするように、前記偏差情報に基づいて前記スレーブマニピュレータを移動させる移動手段と、
を有することを特徴とする手術用マニピュレータの制御システム。 - 操作者が指示を与えるためのマスターマニピュレータと、前記マスターマニピュレータの移動に対応した動作を行うためのスレーブマニピュレ一タと、を有する手術用マニピュレータの制御方法において、
第1の基準位置を基準にして前記マスターマニピュレータの第1の所定の部位の第1の座標を示す第1の座標情報を算出する第1の座標算出工程と、
前記スレーブマニピュレータの第2の所定の部位が前記第1の座標と等しい座標となるような第2の基準位置を設定する基準位置設定工程と、
前記基準位置設定工程で設定された第2の基準位置を基準にして前記スレーブマニピュレータの第2の所定の部位の第2の座標を示す第2の座標情報を算出する第2の座標算出工程と、
前記マスターマニピュレータの前記第1の所定の部位の前記第1の座標情報と前記スレーブマニピュレータの前記第2の所定の部位の前記第2の座標情報とに基づいて、前記第1の座標と前記第2の座標との偏差を示す偏差情報を算出する偏差算出工程と、
前記偏差算出工程で算出された前記第1の座標と前記第2の座標との偏差を少なくするように、前記偏差情報に基づいて前記スレーブマニピュレータを移動させる移動工程と、
を有することを特徴とする手術用マニピュレータの制御方法。
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