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

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４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５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６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６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９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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