JP5855656B2 - 医療用マニピュレータおよびその作動方法 - Google Patents

医療用マニピュレータおよびその作動方法 Download PDF

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Description

本発明は、医療用マニピュレータ、より詳しくは、術者が把持する入力部に応じてエンドエフェクタの制御を切り替える医療用マニピュレータ、および医療用マニピュレータの作動方法に関する。
本願は、2011年8月4日に米国に出願された仮出願61/515,203に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、患者の体内で処置を行う処置具(エンドエフェクタ)を、操作部を介して操作する医療用のマニピュレータが知られている。
エンドエフェクタは、対象とする処置により、持針器型、鉗子型、剪刀型、メス型、高周波処置具等の様々な形状を有する複数種類が準備され、通常手術等の各工程において、これら複数のエンドエフェクタが適宜交換または組み合わせて用いられる。
エンドエフェクタが変わると、それに伴って操作部における操作内容も変化するため、単一の操作部ではある種類のエンドエフェクタの操作が困難となることがある。この問題を解決するために、特許文献1では、複数種類のエンドエフェクタのそれぞれに対応した複数のグリップ(入力部)を備え、これを交換可能に操作ユニットに取り付けることが提案されている。これにより、術者は、各エンドエフェクタに最も適したグリップを用いてエンドエフェクタの操作を行うことができる。
特開2001−087281号公報
しかしながら、特許文献1に記載の発明では、グリップの交換時に、グリップを介した操作入力に対する処理を変更することは充分考慮されていない。したがって、グリップの形状や状態、さらには対応するエンドエフェクタの形状や状態と、これらの組合せに適した処理が行われない結果、用いるグリップの種類によっては、術者が直感的に操作することが困難となる場合があるという問題が残されている。
上記事項を踏まえ、本発明は、複数の入力部を備えつつ、各入力部により直感的にエンドエフェクタを操作することができる医療用マニピュレータを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、術者が保持した入力部の種類によらず、常にエンドエフェクタの直感的な操作を可能とする医療用マニピュレータの制御方法を提供することである。
本発明の第一の態様は、交換可能な第一入力部および第二入力部を有する操作部と、前記第一入力部と前記第二入力部との少なくともいずれかの画像を撮影する撮影部と、前記撮影部が撮影した画像から前記第一入力部及び前記第二入力部を互いに区別して認識し前記撮影部の視野内における前記第一入力部及び前記第二入力部の座標を取得する画像認識部と、前記座標を座標情報として出力する出力部と、前記出力部からの前記座標情報が入力され、前記座標情報を使用した所定の処理条件にもとづいて処理して操作信号を生成する信号生成部と、前記操作信号により動作する動作部と、を備え、前記第一入力部に対応付けられた前記処理条件と、前記第二入力部に対応付けられた前記処理条件とが異なっており、前記信号生成部は、前記画像認識部で認識された入力部に対応付けられた処理条件にもとづいて前記操作信号を生成する医療用マニピュレータである。
前記第一入力部は、前記第一入力部に固有の視覚的特徴を有する第一のマーカーを有していてもよく、前記第二入力部は、前記第二入力部に固有で前記第一のマーカーと視覚上区別可能な第二のマーカーを有していてもよく、前記画像認識部は、前記撮影部が撮影した画像から前記第一のマーカー及び前記第二のマーカーを互いに区別して認識し前記撮影部の視野内における前記第一のマーカー及び前記第二のマーカーの座標を取得してもよい。
前記処理条件は、前記入力部における座標系の設定態様を含んでもよいし、前記入力部における座標系の原点位置を含んでもよい。
さらに、前記処理条件は、前記入力に含まれる自由度のうち、前記操作信号の生成に用いられる自由度を特定する情報を含んでもよい。
前記動作部は、所定の機能を発揮するエンドエフェクタを有し、前記第一入力部および前記第二入力部の少なくとも一方が、前記機能を発揮可能な公知の医療器具の形状に似せた形状を有してもよい。
このとき、前記処理条件は、前記入力部への入力と前記操作信号とのスケール比を含んでもよいし、前記入力部へ入力された入力のうちの所定の入力に基づく操作信号の生成を前記操作信号の生成時に抑制するために用いるフィルタについての情報を含んでもよい。また、前記操作信号の出力の限界値を含んでもよい。
前記第一入力部と前記第二入力部とは操作者による入力動作が互いに共通する入力機構を有し、前記処理条件は、前記入力機構への入力により前記動作部において発揮される機能の種類を含んでもよい。
本発明の第二の態様は、交換可能な第一入力部および第二入力部を有する操作部と、前記操作部に対する入力を所定の処理条件にもとづいて処理して操作信号を生成する信号生成部と、前記操作信号により動作する動作部と、使用されている入力部の種類を認識する検出部と、を備えた医療用マニピュレータの作動方法であって、前記第一入力部および前記第二入力部にそれぞれ異なる前記処理条件を前記信号生成部が対応付けるステップと、前記第一入力部と前記第二入力部とを区別して画像認識することにより現在使用されている入力部の種類を前記検出部が認識するステップと、認識された入力部に対応付けられた前記処理条件を前記信号生成部が前記信号生成部に設定するステップとを備える。
現在使用されている入力部の種類を前記検出部が認識するステップでは、前記第一入力部に設けられた第一のマーカーと前記第二入力部に設けられた第二のマーカーとを区別して前記検出部が画像認識してもよい。
本発明の医療用マニピュレータによれば、複数の入力部を備えつつ、各入力部により直感的にエンドエフェクタを操作することができる。
また、本発明の医療用マニピュレータの作動方法によれば、術者が保持した入力部の種類によらず、常にエンドエフェクタの直感的な操作が可能となる。
本発明の第一実施形態に係る医療用マニピュレータの全体構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る医療用マニピュレータの第一グリップおよび処置具のエンドエフェクタを示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る医療用マニピュレータの検出部を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る医療用マニピュレータの使用時の動作を示す図である。 従来の医療用マニピュレータの使用時において、術者の手が不自然となった例を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る医療用マニピュレータの第二グリップを示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る医療用マニピュレータにおける、入力部の持ち替えを伴うスレーブアームの変更時の動作の流れを示すフローチャートである。 (a)は、第一グリップの処理条件を示す図であり、(b)は、第二グリップの処理条件を示す図である。 (a)から(c)は、入力部における座標系の位置と、エンドエフェクタの動作との関係の例を示す図である。 本発明の第一実施形態の変形例における、入力部の持ち替えを伴うスレーブアームの変更時の動作の流れを示すフローチャートである。 (a)から(c)は、本発明の第二実施形態に係る医療用マニピュレータの入力部を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る医療用マニピュレータにおける第一グリップの動きと、操作されるエンドエフェクタの動きとを示す図である。 本発明の第三実施形態医療用に係るマニピュレータの第二グリップの動きと、操作されるエンドエフェクタとを示す図である。 (a)は、本発明の変形例におけるグリップを示す図、(b)は、同グリップが第一グリップと認識される保持状態、(c)は、同グリップが第二グリップと認識される保持状態をそれぞれ示す図である。
本発明の第一実施形態の医療用マニピュレータ及びその作動方法について、図1から図10を参照して説明する。
図1は、本実施形態の医療用マニピュレータ1の全体構成を示す概略図である。図1に示すように、本実施形態の医療用マニピュレータ1は、マスタマニピュレータ(操作部)2と、スレーブマニピュレータ(動作部)14とを備えている。すなわち、医療用マニピュレータ1は、術者(操作者)Opによるマスタマニピュレータ2の操作に追従させるようにしてスレーブマニピュレータ14およびスレーブマニピュレータ14に取り付けられた処置具(後述)を遠隔制御するマスタスレーブマニピュレータである。
マスタマニピュレータ2を介した操作指令は、制御部40のマスタ制御部(操作信号生成部)41に送信され、所定の処理条件にもとづいて変換処理(後述)が施されることにより操作信号が生成される。生成された操作信号はスレーブ制御部42に送られる。その後、スレーブ制御部42からスレーブマニピュレータ14へ操作信号にもとづいた駆動信号が送られ、スレーブマニピュレータ14および処置具が動作する。
マスタマニピュレータ2は、術者Opによって保持される第一グリップ(第一入力部)3と、第一グリップ3を検出する検出部10と、術野を表示する表示部20とを備えている。なお、医療用マニピュレータ1は、術者Opが保持するグリップを複数備えているが、詳細については後述する。
第一グリップ3は、図2に示すように、本体部4と、本体部4に対して移動可能に連結された一対の可動部6とを備えている。
本体部4の外面には、互いに離間する3箇所に第一マーカー5が設けられている。3つの第一マーカー5は、第一マーカー5を頂点とする三角形の三辺の長さが互いに異なるように配置されている。これにより、検出部10が取得した画像において各第一マーカー5の相対位置関係を特定することで本体部4の姿勢を算出することができる。
一対の可動部6は、それぞれ第一の端部6Aが本体部4に対して回動可能に支持されている。可動部6は、リンク7および付勢部材8を介しても本体部4に支持されており、第二の端部6Bは、術者Opが力を加えない状態において本体部4から離間するように付勢されている。各可動部6の第二の端部6Bには、第二マーカー9が設けられている。
図2下部には、スレーブマニピュレータ14に取り付けられる処置具50の先端部を模式的に示している。処置具50の先端には、エンドエフェクタとして、開閉する一対の鉗子部材51が設けられている。術者Opは、可動部6の第二の端部6Bを本体部4に接近および離間させるように操作することで、鉗子部材51を開閉させるための操作入力を行うことができる。
図3は、検出部10の構成を示す模式図である。検出部10は、撮影部11と、画像認識部12と、出力部13とを備えている。
撮影部11は、所定の一方向から撮影をする第一の撮像部と、上記所定の一方向とは別の方向から撮影をする第二の撮像部とを備えており、視野Q1内に位置する第一グリップ3に対して、アングルが異なる2画像を同時に撮影することができる。撮影部11の取得した画像は、画像認識部12へ出力される。
画像認識部12は、撮影された画像から、公知の画像認識処理により第一マーカー5及び第二マーカー9を区別して認識し、第一マーカー5及び第二マーカー9の座標を取得する。さらに、マーカーを識別する等により、使用されている入力部の種類を判別し、認識する。
出力部13は、画像認識部12において取得された各マーカー5、9の座標を、マスタ制御部41へと座標情報として出力するとともに、認識された入力部の種類を出力する。本実施形態において出力部13から出力される座標情報は、第一グリップ3の本体部4の位置及び姿勢を特定するための情報(第一情報)、及び可動部6の操作入力状態を特定するための情報(第二情報)とを含んでいる。出力部13からは、第一グリップ3が視野Q1内で移動しているか否かに関わらず、所定の発信タイミングに従って座標情報が出力される。
以上の構成により、術者Opが検出部10の撮影部11の視野内で第一グリップ3を保持して操作することにより、処置具50のエンドエフェクタ、および処置具50が取り付けられたスレーブアーム14を操作するための操作入力を行うことができる。すなわち、本体部4の位置および姿勢によりエンドエフェクタの位置及び姿勢を、可動部6の操作により鉗子部材51の開閉状態を、それぞれ変化させることができる。なお、エンドエフェクタの位置及び姿勢は、本体部4に設定された所定の座標系に基づいて制御される。
図1に示すように、スレーブマニピュレータ14は、内視鏡装置15及び処置具50がそれぞれ取り付けられた複数のスレーブアーム19と、処置具50及びスレーブアーム19を動作させるアクチュエータ(不図示)とを備える。スレーブマニピュレータ14に設けられた各アクチュエータは、制御部40のスレーブ制御部42から出力される駆動信号に従って動作する。スレーブアーム19の一つに設けられた内視鏡装置15は、処置対象物や処置具50先端部が含まれる術野の画像を取得して表示部20へと出力する。
なお、内視鏡装置15は、スレーブアーム19に取り付けずに使用することで、表示部20に表示される術野を固定したり、手術室内の補助者等が手動により調節したりする構成としてもよい。
処置具50先端部に設けられたエンドエフェクタの位置及び姿勢は、エンドエフェクタ若しくはスレーブアーム19に設けられた不図示の位置姿勢検出手段によって検出される。当該位置姿勢検出手段によって検出されたエンドエフェクタの位置及び姿勢は、スレーブ制御部42へ出力されたり、スレーブ制御部42によって参照されたりすることも可能である。
位置姿勢検出手段としては、たとえば、スレーブアーム19の各関節軸に設けられたエンコーダなどが挙げられる。これらの関節変位量から、運動学を解くことで該位置姿勢を算出することができる。
図1に示すように、表示部20は、マスタマニピュレータ2の検出部10と同じ土台に取り付けられており、術者Opの前方に設置されている。表示部20は、内視鏡装置15によって取得された画像を表示する表示パネル21を有している。表示パネル21としては、液晶パネルや有機ELパネル等を適宜選択して採用することができる。また、表示パネルは、立体視可能な画像を表示する3Dパネルであってもよい。立体視可能な画像を表示する3Dパネルとしては、専用のメガネにより右目用と左目用の画像が分離可能な構成や、裸眼立体視が可能な構成等の各種の公知の構成を適宜選択して採用することができる。
上記のように構成された、本実施形態の医療用マニピュレータ1の使用時の動作について説明する。
術者Opが第一グリップ3を検出部10の視野Q1内で保持すると、検出部10の撮影部11により、第一グリップ3、およびその表面に設けられた第一マーカー5および第二マーカー9を含む画像が取得される。画像認識部12は、当該画像に基づいて、各第一マーカー5および各第二マーカー9の座標を特定する。
特定された座標情報は、出力部13からマスタ制御部41に送られる。
マスタ制御部41では、受信した座標情報に基づいて第一グリップ3の本体部4の位置及び姿勢と、可動部6に対する操作入力を算出し、これらをスレーブアーム19、および当該スレーブアーム19に取り付けられた処置具50や内視鏡装置15等(以下、単に「処置具等」と称する。)の座標系に対応させるための所定の変換処理を行いスレーブマニピュレータ14の操作信号を生成する。生成された操作信号は、スレーブ制御部42に送信され、スレーブ制御部42から駆動信号としてスレーブマニピュレータ19に送られて、スレーブアーム19および当該スレーブアームに取り付けられた処置具等が当該駆動信号に基づいて動作する。
スレーブアーム19が複数用いられる場合、術者Opが保持する第一グリップ3は、そのうちの一つのスレーブアームと対応付けられている。したがって、第一グリップ3を介した操作入力により、対応付けられたスレーブアームおよび当該スレーブアームに取り付けられた処置具等のみが動作する。
現在対応付けられているものと異なるスレーブアームをマスタマニピュレータ2で操作したいときは、術者Opは図4に示すフットスイッチ(入力切断部)22を踏んで、マスタマニピュレータ2とスレーブマニピュレータ14との接続を切断して、操作入力によりスレーブマニピュレータ14が動作しない状態にする。その後、操作したいスレーブアームを図示しないインターフェースからマスタマニピュレータ2に入力して指定してからフットスイッチ22を再度踏むと、マスタマニピュレータ2とスレーブマニピュレータ14とが再度接続されて、操作したいスレーブアームと術者が保持する入力部とが関連付けられる。
ここで、例えば図4の表示パネル21に示すように、現在対応付けられているスレーブアームおよび処置具50Aが表示パネル21の画面の下方から延びており、次に操作したいスレーブアームおよび処置具50Bが当該画面において反対側の上方から延びている場合、これら2つの処置具のエンドエフェクタの向きは反対となっている。そのため、従来の医療用マニピュレータにおいて、処置具50Bのエンドエフェクタを第一グリップ3を用いて直感的に操作しようとすると、図5に示すように、第一グリップ3を保持する術者Opの手を不自然な姿勢にしなければならない。すなわち、従来の医療用マニピュレータでは、第一グリップ3の向きを当該エンドエフェクタと同一にするために、操作が困難となる場合がある。
これを防ぐために、術者Opは、保持する入力部を、第一グリップ3から、図6に示す第二グリップ(第二入力部)31に持ち替える。第二グリップ31は表示部の画面の上方から延びるスレーブアームの操作用の入力部である。
図6は、第二グリップ31を示す模式図である。第二グリップ31の基本構造は、第一グリップ3と同様であり、本体部32および一対の可動部33を有するが、可動部33が回動可能に取り付けられる部位が、本体部32の先端側である点が第一グリップ3と大きく異なっている。したがって、術者Opが第二グリップ31を保持すると、可動部の向きが第一グリップ3と逆になる。
また、第二グリップ31は、第一グリップ同様、第一マーカー34および第二マーカー35を備えているが、これらマーカーは、形状や色彩等が第一グリップ3に設けられたマーカーとは異なっている。したがって、検出部10は、術者Opが保持している入力部が第一グリップ3および第二グリップ31のいずれであるかを判別して認識することができる。
医療用マニピュレータ1における、第一グリップ3から第二グリップ31への持ち替えを伴うスレーブアームの変更時の動作について説明する。図7は、当該変更時の動作の流れを示すフローチャートである。
まずステップS10において、術者Opはフットスイッチ22を踏んでマスタマニピュレータ2とスレーブマニピュレータ14との接続を切断する。
次にステップS20において、術者Opは変更後に操作するスレーブアームをマスタマニピュレータ2への入力により指定する。
ステップS30において、マスタ制御部41は、マスタマニピュレータ2と対応付けられるスレーブアームをステップS20で指定されたものに変更する。
ステップS40において、術者Opが保持している、すなわち現在使用されている入力部が、第一グリップ3および第二グリップ31のいずれであるかを判別する。ステップS40において、術者Opが切断前と同一の第一グリップ3を保持していると検出部10が認識したときは、処理はステップS50に進む。
ステップS40において、術者Opが切断前と異なる第二グリップ31を保持していると検出部10が認識したときは、処理はステップS41に進む。ステップS41において、マスタ制御部41は、第二グリップ31に対してあらかじめ設定された座標系および運動学計算方法等を、例えばメモリ等の記憶手段(不図示)から読み出す等により、以後のマスタ制御部41における操作信号生成時の処理条件として設定する。ステップS41が終了したら、処理はステップS50に進む。
ステップS50では、術者Opが所定の操作(例えばフットスイッチ22を一定時間踏む等)により、マスタマニピュレータ2とスレーブマニピュレータ14との再接続を指示したか否かをマスタ制御部41が判定する。当該判定がNOの場合は、処理はステップS40に戻る。
当該判定の結果がYESの場合、処理はステップS60に進み、マスタ制御部41は、マスタマニピュレータ2と対応付けられたスレーブアーム19とを接続する。その後は、設定された処理条件により、マスタマニピュレータ2への操作入力および設定された処理条件にもとづいて、マスタ制御部41がスレーブ制御部42に送信される操作信号を生成する。
図8は、第一グリップ3と第二グリップ31との処理条件の違いを示す図である。図8(a)に示す第一グリップ3の座標系Cs1に対し、第二グリップ31では、第一グリップを操作するのと同様の手の姿勢で直感的に操作できるように、図8(b)に示すように座標系Cs2の原点の位置を本体部32の先端側に設定されている。さらに、座標の向きは、術者Opが処置具50の先端をつまんで動かしていると感じられるように、入力部に設定された座標系の原点位置と処置具50の先端との姿勢が一致するように設定されている。
本実施形態の医療用マニピュレータ1によれば、操作するスレーブアームの切り替え時に、術者Opが保持する入力部を変更すると、検出部10が変更後の入力部を認識し、マスタ制御部が操作信号を生成する際の処理条件が認識された入力部に対応付けられた所定の内容に変更される。したがって、術者は、自ら座標系や運動学計算方法の変更をする必要がなく、保持する入力部を変更するだけで、スレーブアームの切り替え後も直感的な操作を継続することができる。
本実施形態において、第二グリップ31における座標系の原点は、適宜設定されてよい。例えば、図9(b)に示すように、本体部32の長手方向中間部に設定してもよいし、図9(c)に示すように、本体部32を保持した際に基端側となる端部に設定されてもよい。このとき、スレーブアーム19側における座標系および運動学の条件は固定されていると仮定すると、第二グリップ31に対する操作入力が同一であっても、図9(a)から図9(c)に示すように、スレーブアーム19およびエンドエフェクタの動作が、入力部である第二グリップ31における座標系の原点の設定によって変化する。座標系の原点をどのように設定するかは、術者の嗜好や操作のしやすさ等に鑑みて決定されてよい。また、スレーブアームの切り替え後に術者がインターフェースに入力する等により微調整可能としてもよい。
また、本実施形態では、術者が切り替え後に操作するスレーブアームを指定する例を説明したが、この指定を必要としない構成としてもよい。以下にそのような変形例を示す。
図10は、本実施形態の変形例におけるスレーブアームの変更時の動作の流れを示すフローチャートである。
ステップS10においてマスタ入力部とスレーブマニピュレータとを切断した後、例えば術者が、上述の例と同様に対応付けられるスレーブアームを変更する場合、術者は特にスレーブアームを指定せずに当該スレーブアームの操作に適した第二グリップ31を保持する。
処理はステップS10からステップS20およびS30を経ずにステップS40に進み、術者Opが保持している入力部の種類が判別される。
ステップS40において、術者Op保持する入力部が変更された、すなわち、術者Opが第二グリップ31を保持していると検出部10が認識すると、処理は、ステップS70に進む。ステップS70において、マスタ制御部41は、切断前に操作されていたスレーブアームに対する他のスレーブアームの位置関係等にもとづき、第二グリップ31で好適に操作されるスレーブアームがあるか否かを判定する。当該判定がNOの場合、処理はステップS61に進み、マスタ制御部41は、「このグリップで好適に操作できるスレーブアームがありませんので、第一グリップに持ち替えて下さい。」等の警告メッセージを表示部20に表示する。その後、処理はステップS40に戻る。
ステップS40における判定がYESの場合、処理はステップS62に進む。ステップS62において、マスタ制御部41は、該当するスレーブアームをハイライト表示したり、カーソルで示したりして他のスレーブアームと識別可能な状態で表示部20に表示するとともに、「このスレーブアームを操作しますか?」等の確認メッセージを表示して、術者Opによる確認の入力を待つ。該当するスレーブアームが複数存在する場合は、術者Opに選択を促すメッセージを表示部20に表示させてもよい。
術者Opにより確認の入力がされると、処理はステップS30に進んでスレーブアームの対応付けが変更される。さらに、処理はステップS41に進み、処理条件の変更が行われる。その後、処理がステップS50に進んだ後の流れは、第一実施形態と同様である。
このように、本実施形態の医療用マニピュレータは、検出部が認識した入力部の種類にもとづいて、マスタ制御部が、好適に操作されるスレーブアームまたはその候補を選択することにより、術者Opによる指定を必要とせずにスレーブアームの切り替えを行える構成としてもよい。
なお、上記変形例においては、例えばステップS60における判定で該当するスレーブアームが一つしかなかった場合に、確認メッセージの表示および術者による確認の入力を省略し、マスタ制御部が自動でスレーブアームの選択と、入力部に応じた処理条件の設定とを行うようにしてもよい。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。本実施形態の医療用マニピュレータと第一実施形態の医療用マニピュレータとの異なるところは、入力部の形状である。なお、以降の説明において、すでに説明したものと重複する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図11(a)から図11(c)は、それぞれ本実施形態の医療用マニピュレータにおける入力部である第一グリップ61、第二グリップ62、および第三グリップ63を示す図である。本実施形態における各グリップ61、62、63は、対応する処置具のエンドエフェクタと同等の機能を有する道具に似せた形状とされている。具体的には、第一グリップ61は鑷子型、第二グリップ62は剪刀型、第三グリップ63は注射器型とされている。
処置具のエンドエフェクタが変わると、操作する際の基準位置をどの位置にすると好適に操作できるかも変化する。すなわち、各エンドエフェクタには、それぞれ一般的な術者が直感的に操作できる基準位置および座標系が存在する。基準位置の座標位置は、普段の手術の使用で使い慣れた位置であったり、形状に特有の操作者が意識しやすい座標位置であったりする。例えば、鑷子型であれば、図11(a)に示すように、保持した術者Opの親指Thと人差し指F1とが当たる部位、剪刀型であれば、図11(b)に示すように、刃を有する2つの部材の相対回転の中心となる回動軸62A、注射器型であれば、図11(c)に示すように、術者Opの人差し指F1および中指F2が掛けられるシリンダ64の基端部64Aに、それぞれ基準位置を設定した座標系を用いることで、直感的な操作が行いやすくなる。
本実施形態では、これを踏まえ、各グリップ61、62、63において、対応するエンドエフェクタに適した部位を基準位置Psとして座標系が設定されており、検出部10が認識したグリップの種類に応じて、設定された座標系および基準位置が、マスタ制御部における処理条件として設定される。
本実施形態の医療用マニピュレータによっても、第一実施形態同様、術者は入力部を交換するだけで直感的な操作を継続することができる。
また、入力部である各グリップ61、62、63が、対応するエンドエフェクタと同等の機能を備える道具の形状とされているため、より直感的な操作が可能になる。
本実施形態で示したように、医療用マニピュレータが備える入力部の種類は2種類に限られず、3種類以上備えられてもよい。3種類以上の入力部を備える場合、その中の少なくとも2つの入力部において、認識された入力部と対応付けられた所定の処理条件がマスタ制御部に設定されるものは本発明の技術的範囲に属する。
また、本実施形態においては、入力部のすべてが対応するエンドエフェクタと同等の機能を備える道具の形状とされていなくてもよい。したがって、少なくとも一つの入力部がそのような形状であればよい。
次に本発明の第三実施形態について、図12および図13を参照して説明する。本実施形態の医療用マニピュレータと上述の各実施形態との異なるところは、入力部ごとに設定される処理条件において、自由度が変化する点である。
図12は、本実施形態の医療用マニピュレータにおける第一グリップ71を示している。第一グリップ71は、細長い棒状であり、術者Opは第一グリップ71の第一の端部71Aを保持して操作を行う。本実施形態において、操作部の第一グリップ71は位置・姿勢の6自由度の入力ができるのに対して、スレーブ側は3自由度(ヨー、ピッチ、直動)しか有していない。このような場合に、操作部の6自由度の入力値に対して、3自由度のスレーブ側をどのように動かすかについては、複数の組合せが存在する。
棒状の第一グリップ71は、6自由度の動きの中でも、保持した第一の端部71Aを中心として第一グリップ71の軸線を通る第一の面内における揺動(図12における矢印A1)と、第一グリップ71を通り第一の面と直交する第二の面内における揺動(図12における矢印A2)と、第一グリップ71の軸線と平行な方向への進退(図12における矢印A3)との3つの自由度における動きが、術者にとって直感的に意識しやすい構造となっている。本実施形態の医療用マニピュレータでは、検出部10が第一グリップ71を認識したときは、この3自由度の入力値のみを利用してマスタ制御部41が操作信号を生成するように処理条件が設定される。その後は、第一グリップ71の第二の端部71Bを基準位置として、エンドエフェクタ75の先端75Aが対応して動くように操作される。
図13は、本実施形態の医療用マニピュレータにおける第二グリップ72を示している。第二グリップ72は、略球状に形成されており、術者Opは、手で包むようにして第二グリップ72全体を保持する。上述の第一グリップ71と同様に、操作部の6自由度の入力値に対して、3自由度のスレーブ側をどのように動かすかについては、複数の組合せが存在する。
ここで、手で包むようにして保持されるグリップは、例えばコンピュータのマウスのように、グリップ全体を所望の位置に移動させるような動きが術者にとって直感的に意識しやすい。そこで、検出部10が第二グリップ72を認識したときは、第二グリップ72の所定位置、例えば重心において互いに直交する3軸における移動量の入力値のみを利用してマスタ制御部41が操作信号を生成するように処理条件が設定される。その後は、上記3軸が互いに直交する所定位置を基準位置として、エンドエフェクタ75の先端75Aの位置が基準位置と対応して動くように操作される。
本実施形態の医療用マニピュレータによっても、上述の各実施形態同様、術者は入力部を交換するだけで直感的な操作を継続することができる。
また、術者が保持した入力部に応じて、操作部から入力される、例えば6自由度の指令値のうち、スレーブアーム及び処置具の操作信号を生成するために用いられる自由度(マスタスレーブの変換計算式)が、あらかじめ対応付けられた所定のものに特定されるように処理条件が設定されるため、直感的な操作を好適に行うことができる。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。
まず、本発明において、検出部が認識した入力部の種類に基づいて操作信号生成部に設定される処理条件の内容は上述に限られない。
例えば、処理条件には、モーションスケール比、信号生成時に用いるフィルタの種類や強さ、動作速度、スレーブマニピュレータの電流リミット値(操作信号の出力の限界値)等の各種の制御パラメータが含まれてもよい。以下に具体例をいくつか挙げる。
エンドエフェクタが細かい操作を多く行う持針器等の場合は、対応する入力部が認識されたときに設定されるモーションスケール比を大きく設定し、操作を縮小してスレーブに伝える。一方、エンドエフェクタが大きな操作を多く行う組織牽引器等の場合は、対応する入力部が認識されたときに設定されるモーションスケール比を小さく設定し、操作を拡大してスレーブに伝える。これにより、直感的かつ容易な操作が可能となる。
エンドエフェクタが持針器等の場合は、対応する入力部が認識されたときに、操作入力に所定のフィルタを強くかけるよう処理条件を設定することで、エンドエフェクタの手ブレを抑制でき、好適な操作が可能となる。
エンドエフェクタが剪刀等の場合、対応する入力部が認識されたときに設定される動作速度をより早く設定することで、切開をスムーズに行うことが可能となる。
エンドエフェクタが臓器を把持する把持鉗子等の場合、対応する入力部が認識されたときにエンドエフェクタを駆動するモータ等の電流リミット値をより大きく設定する。このようにすると、エンドエフェクタにより大きな力が発生するため、好適に組織等を把持することができる。
また、上述の各実施形態では、第一入力部と第二入力部とが別体である例を説明したが、第一入力部と第二入力部とが一つのグリップで共用されてもよい。
図14(a)は、このような変形例におけるグリップ81を示す図である。本体部82には、第一マーカーとして、4つのマーカー83Aないし83Dが設けられている。なお、第二マーカーは図示を省略している。
術者Opが図14(b)に示すようにグリップ81の本体部82を保持すると、4つの第一マーカーのうち、マーカー83Aが術者Opの手に覆われて検出部10で検出されなくなる。その結果、第一マーカーとして、マーカー83Bないし83Dの3つだけが認識され、検出部10は、第一入力部が保持されていると認識する。
一方、術者Opが図14(c)に示すように本体部を保持すると、4つの第一マーカーのうち、マーカー83Dが術者Opの手に覆われて検出部10で検出されなくなる。その結果、第一マーカーとして、マーカー83Aないし83Cの3つだけが認識され、検出部10は、第二入力部が保持されていると認識する。
この変形例では、一つのグリップ81のみ備えていても、グリップ81の保持の仕方によって、検出部10が第一入力部として認識する状態と第二入力部として認識する状態との2種類の状態を作り出せるため、本発明の効果を奏することが可能となる。
また、第一入力部および第二入力部に共通の入力機構が備えられ、当該入力機構に対する入力により発揮される機能が、検出部が認識した入力部の種類によって変化するように処理条件が設定されてもよい。
例えば、複数の入力部がいずれもボタンを備えている例では、以下のような機能の切り替えが可能である。
エンドエフェクタが持針器の場合は、ボタンへの操作入力によりジョーが閉じた状態が維持されて曲針等の持続保持が可能となる。エンドエフェクタが高周波処置具の場合は、ボタンへの操作入力により処置部への通電のオンオフが可能となる。エンドエフェクタがステイプラやクリップ等の縫合装置の場合は、ボタンへの操作入力により縫合を行うことができる。エンドエフェクタが内視鏡の場合は、ボタンへの操作入力によりズームを行ったり、スチル画像を取得させたりすることが可能である。
上記はあくまでも一例であるから、これ以外にも各種エンドエフェクタに対して各種の機能割り当てが可能であることは当然である。
なお、共通の入力機構はボタンには限られず、スライド式や回転式等のアナログ方式のツマミ等であってもよいし、上述の可動部であってもよい。例えば、エンドエフェクタが鉗子でない処置具のための入力部が可動部6を備え、可動部6に対する入力によって鉗子の開閉でない機能が発揮されるように処理条件が設定されてもよい。
さらに、上述の各実施形態では、入力部が操作部と物理的に接続されていない例を説明したが、操作部の構成はこれには限定されない。したがって、入力部が、操作部対して物理的に着脱および交換可能な構成とされてもよい。この場合、術者が保持する入力部は、必ずしも画像処理等により判別されなくてもよい。例えば、入力部が、種別等の情報を有して着脱時に操作部に挿入されるピン等の識別部を有し、入力部の装着時に、検出部が識別部から入力部の種別等の情報を取得する構成としてもよい。
さらに、本発明の医療用マニピュレータは、動作部が遠隔操作されるものに限られない。したがって、操作部と動作部とが物理的に接続された医療用マニピュレータにおいても、本発明を問題なく適用して上述の効果を得ることができる。
さらに、本発明の医療用マニピュレータにおいては、複数の入力部が同時に操作されて、それぞれの入力部に対応する複数の動作部が同時に動作するように構成されてもよい。
本発明は、入力部を介した操作入力により動作部を操作する医療用マニピュレータに広く適用することができる。
1 医療用マニピュレータ
2 マスタマニピュレータ(操作部)
3、61、71 第一グリップ(第一入力部)
10 検出部
14 スレーブマニピュレータ(動作部)
31、62、72 第二グリップ(第二入力部)
41 マスタ制御部(信号生成部)
75 エンドエフェクタ

Claims (12)

  1. 交換可能な第一入力部および第二入力部を有する操作部と、
    前記第一入力部と前記第二入力部との少なくともいずれかの画像を撮影する撮影部と、
    前記撮影部が撮影した画像から前記第一入力部及び前記第二入力部を互いに区別して認識し前記撮影部の視野内における前記第一入力部及び前記第二入力部の座標を取得する画像認識部と、
    前記座標を座標情報として出力する出力部と、
    前記出力部からの前記座標情報が入力され、前記座標情報を使用した所定の処理条件にもとづいて処理して操作信号を生成する信号生成部と、
    前記操作信号により動作する動作部と、
    を備え、
    前記第一入力部に対応付けられた前記処理条件と、前記第二入力部に対応付けられた前記処理条件とが異なっており、
    前記信号生成部は、前記画像認識部で認識された入力部に対応付けられた処理条件にもとづいて前記操作信号を生成する、医療用マニピュレータ。
  2. 前記第一入力部は、前記第一入力部に固有の視覚的特徴を有する第一のマーカーを有し、
    前記第二入力部は、前記第二入力部に固有で前記第一のマーカーと視覚上区別可能な第二のマーカーを有し、
    前記画像認識部は、前記撮影部が撮影した画像から前記第一のマーカー及び前記第二のマーカーを互いに区別して認識し前記撮影部の視野内における前記第一のマーカー及び前記第二のマーカーの座標を取得する、請求項1に記載の医療用マニピュレータ。
  3. 前記処理条件は、前記入力部における座標系の設定態様を含む、請求項1に記載の医療用マニピュレータ。
  4. 前記処理条件は、前記入力部における座標系の原点位置を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の医療用マニピュレータ。
  5. 前記処理条件は、前記入力に含まれる自由度のうち、前記操作信号の生成に用いられる自由度を特定する情報を含む、請求項1からのいずれか一項に記載の医療用マニピュレータ。
  6. 前記動作部は、所定の機能を発揮するエンドエフェクタを有し、
    前記第一入力部および前記第二入力部の少なくとも一方が、前記機能を発揮可能な公知の医療器具の形状に似せた形状を有する、請求項1からのいずれか一項に記載の医療用マニピュレータ。
  7. 前記処理条件は、前記入力部への入力と前記操作信号とのスケール比を含む、請求項に記載の医療用マニピュレータ。
  8. 前記処理条件は、前記入力部へ入力された入力のうちの所定の入力に基づく操作信号の生成を前記操作信号の生成時に抑制するために用いるフィルタについての情報を含む、請求項5に記載の医療用マニピュレータ。
  9. 前記処理条件は、前記操作信号の出力の限界値を含む、請求項に記載の医療用マニピュレータ。
  10. 前記第一入力部と前記第二入力部とは、操作者による入力動作が互いに共通する入力機構を有し、前記処理条件は、前記入力機構への入力により前記動作部において発揮される機能の種類を含む、請求項1からのいずれか一項に記載の医療用マニピュレータ。
  11. 交換可能な第一入力部および第二入力部を有する操作部と、前記操作部に対する入力を所定の処理条件にもとづいて処理して操作信号を生成する信号生成部と、前記操作信号により動作する動作部と、使用されている入力部の種類を認識する検出部と、を備えた医療用マニピュレータの作動方法であって、
    前記第一入力部および前記第二入力部にそれぞれ異なる前記処理条件を前記信号生成部が対応付けるステップと、
    前記第一入力部と前記第二入力部とを区別して画像認識することにより現在使用されている入力部の種類を前記検出部が認識するステップと、
    認識された入力部に対応付けられた前記処理条件を前記信号生成部が前記信号生成部に設定するステップと、
    を備える医療用マニピュレータの作動方法。
  12. 現在使用されている入力部の種類を前記検出部が認識するステップでは、前記第一入力部に設けられた第一のマーカーと前記第二入力部に設けられた第二のマーカーとを区別して前記検出部が画像認識する、請求項11に記載の医療用マニピュレータの作動方法。
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