JP5893362B2 - マスタ操作入力装置及びマスタスレーブマニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、スレーブマニピュレータを遠隔操作するためのマスタ操作入力装置及びそのようなマスタ操作入力装置を有するマスタスレーブマニピュレータに関する。

近年、医療施設の省人化を図るため、ロボットによる医療処置の研究が行われている。特に、外科分野では、多自由度（多関節）アームを有するマニピュレータによって患者の処置をするマニピュレータシステムについての各種の提案がなされている。このようなマニピュレータシステムにおいて、患者の体腔に直接接触するマニピュレータ（スレーブマニピュレータ）を、マスタ操作入力装置によって遠隔操作できるようにしたマニピュレータシステム（マスタスレーブマニピュレータ）が知られている。また、近年では、スレーブマニピュレータが有するスレーブアームの自由度を７自由度以上（位置の３自由度＋姿勢の３自由度＋冗長自由度）としたマスタスレーブマニピュレータも知られている。

一般に、７自由度以上を有するスレーブアームの場合、マスタ操作入力装置から入力可能な指令値が６個以下であると、スレーブアームの各関節の駆動量を計算するための逆運動学計算が複雑化する。このような複雑な計算を避けるための提案の１つとして例えば特許文献１の提案がなされている。特許文献１では、ハンドルの操作によって６自由度の指令値を入力可能としたマスタアーム（マスタ操作入力装置）において、スイッチやダイヤル等の操作部をさらに設けることで、７自由度に対応した指令値を片手で入力可能としている。

特開平５−２２８８５４号公報

特許文献１では、冗長自由度に対応した関節の駆動量を直接指令することも可能である。ここで、特許文献１では、冗長自由度に対応した関節の駆動量を指令するための操作部の構造が、スレーブアームの冗長自由度に対応した関節の構造と異なっている。したがって、特許文献１では、冗長自由度に対応した関節の駆動量を直接指令する場合において、操作者は、どの程度の量の操作を行えば良いのかが直感的には分からず、操作性が必ずしも良いとは言えない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、より直感的な操作を可能として操作性を向上したマスタ操作入力装置及びそのようなマスタ操作入力装置を有するマスタスレーブマニピュレータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様のマスタ操作入力装置は、複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータを操作するためのマスタ操作入力装置であって、操作者によって把持された状態で位置及び姿勢を変化自在であって、該位置及び姿勢の変化に応じて、前記スレーブマニピュレータを固定端から見た場合の最も遠い端部である前記スレーブマニピュレータの遠位端の位置及び姿勢の指令値を与えるように構成された把持部と、前記把持部が把持された状態で前記操作者の指先によって操作可能な位置に設けられ、前記把持部とは独立に操作可能な第１の操作部と、前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節に設けられた効果器を操作可能であり前記第１の操作部に取り付けられた第２の操作部と、を具備し、前記第１の操作部は、前記把持部を把持した手の指先による操作によって前記第２の操作部の向きを変化させる関節を含んでいることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するために、本発明の第２の態様のマスタスレーブマニピュレータは、複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータと、第１の態様に記載のマスタ操作入力装置と、前記位置及び姿勢の指令値、並びに前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節を駆動するための駆動量の指令値から、前記スレーブマニピュレータの各関節の駆動量を算出し、該駆動量の算出結果に従って前記スレーブマニピュレータの各関節を駆動する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、より直感的な操作を可能として操作性を向上したマスタ操作入力装置及びそのようなマスタ操作入力装置を有するマスタスレーブマニピュレータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの全体構成を示す図である。 本実施形態に係るマスタ操作入力装置の操作部の構成を示す図である。 図２で示した構成の操作部の模式図である。 マスタ操作入力装置の操作部が実際に操作される際の様子を示す図である。 スレーブアームの構造の一例を示す図である。 第１ロール関節を２重軸構造とした変形例の操作部の構成を示す図である。 図６で示した構成の操作部の模式図である。 把持部に設ける関節をヨー関節とする場合の変形例を示す図である。 把持部に設ける関節をピッチ関節とする場合の変形例を示す図である。 把持部に設ける関節を直動関節とする場合の変形例を示す図である。 把持部に設ける関節を複数とする場合の変形例を示す図である。 無線式の操作部の例を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、操作部の移動について説明する図である。 本発明の実施例１におけるスレーブアームの関節駆動の流れを示すフローチャートである。 先端効果器操作部の開き角度を示す図である。 本発明の実施例２におけるスレーブアームの関節駆動の流れを示すフローチャートである。 先端効果器操作部に作用する力を示す図である。 本発明の実施例３におけるスレーブアームの関節駆動の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例４におけるスレーブアームの関節駆動の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの一例の全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータは、マスタ操作入力装置１０と、制御装置２０と、スレーブマニピュレータ３０と、を有している。

マスタ操作入力装置１０は、本マスタスレーブマニピュレータにおけるマスタとして機能するものであって、操作部１１と、表示部１２と、を有している。
操作部１１は、例えばマスタ操作入力装置１０の表示部１２に固定されており、操作者１の操作を受けてスレーブマニピュレータ３０を操作するための操作信号を出力する。
図２は、本実施形態に係るマスタ操作入力装置１０の操作部１１の構成を示す図である。また、図３は、図２で示した構成の操作部１１の模式図である。ここで、図２は、右手用の操作部の構成を例示している。左手用の操作部の構成は、右手用の操作部に対して左右の関係が逆転するだけで実質的な構成は図２に示すものと同様である。

図２に示すように、操作部１１は、把持部１０１を有している。把持部１０１は、操作者１が手で把持する部分である。把持部１０１は、直交３軸（図２に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向及び各軸周りの回転方向に移動可能に支持されている。ここで、図２では、図１に示すようにして操作者１がマスタ操作入力装置１０を操作する場合において、地面と平行で、操作者１の顔から表示部１２に向かう方向を正方向としてＸ軸を設定している。また、地面と平行でＸ軸に対して垂直な方向に沿ってＹ軸を設定している。さらに、地面と垂直な方向に沿ってＺ軸を設定している。

把持部１０１には、第１の操作部の一例としての第１ロール関節１０２が軸止されている。このような構成において、第１ロール関節１０２は、その回転軸が図２に示すＸ軸と平行であり、操作者１が把持部１０１を手で持った際に指先で回転可能なように構成されている。第１ロール関節１０２の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１によって第１ロール関節１０２が回転操作された場合には、その駆動量（回転量）θ５が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第１ロール関節１０２の駆動量（回転量）θ５に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。後述するが、第１ロール関節１０２の操作信号は、スレーブマニピュレータ３０が有するスレーブアーム３１の遠位端の関節の駆動量を直接的に指令するための指令値を与える信号である。

また、第１ロール関節１０２と同一直線上には、第２の操作部の一例としての先端効果器（end effector）操作部１０３が取り付けられている。つまり、把持部１０１の位置・姿勢とは独立して、第１ロール関節１０２と先端効果器操作部１０３が操作可能に取り付けられている。先端効果器操作部１０３は、操作者１が把持部１０１を手で持った際に指先で開閉操作可能なように構成されている。先端効果器操作部１０３の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１によって先端効果器操作部１０３が開閉操作された場合には、その開閉量（例えば開閉角θ６）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、先端効果器操作部１０３の開閉量θ６に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。後述するが、先端効果器操作部１０３の操作信号は、スレーブマニピュレータ３０が有するスレーブアーム３１の遠位端の関節に取り付けられた先端効果器の開閉量を直接的に指令するための指令値を与える信号である。

また、把持部１０１は、第１ロール関節１０２のＸ軸方向長さと先端効果器操作部１０３のＸ軸方向長さの分だけＸ軸の正方向（図１において操作者１から離れる方向）に向かって延在されて第１リンクを構成している。この第１リンクは、さらに、Ｚ軸の正方向（図１における地面方向）に向かって延在されている。Ｚ軸の正方向に向かう第１リンクの延在部１０１ａは、第１ロール関節１０２の回転軸と同一直線上の位置で第２リンク１０４に回転自在に軸止されている。延在部１０１ａと第２リンク１０４とによって構成される第２ロール関節（図３では第２リンクと同じ符号を付している）の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴って第２ロール関節が駆動された場合には、その駆動量（回転量）θ４が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第２ロール関節の駆動量θ４に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、第２リンク１０４は、第１リンクの延在部１０１ａと平行となるようにＺ軸の負方向及びＸ軸の負方向に向かって延在されて第３リンク１０５に回転自在に軸止されている。第３リンク１０５にはカバー１０５ａが取り付けられている。カバー１０５ａにより、第２リンク１０４と第３リンク１０５とによって構成されるヨー関節（図３では第３リンクと同じ符号を付している）における回転軸の抜け落ちが防止される。また、第２リンク１０４と第３リンク１０５とによって構成されるヨー関節の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴ってヨー関節が駆動された場合には、その駆動量（回転量）θ３が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、ヨー関節の駆動量θ３に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、第３リンク１０５は、Ｙ軸の負方向（図１における右手方向）に向かって延在され、さらに、Ｚ軸の正方向に向かって延在されて第４リンク１０６に回転自在に軸止されている。第３リンク１０５と第４リンク１０６とによって構成されるピッチ関節（図３では第４リンクと同じ符号を付している）の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴ってピッチ関節が駆動された場合には、その駆動量（回転量）θ２が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、ピッチ関節の駆動量θ２に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、第４リンク１０６は、第１直動関節１０７に取り付けられている。第１直動関節１０７の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴って第１直動関節１０７が駆動された場合には、その駆動量（直動量）ｄ２が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第１直動関節１０７の駆動量ｄ２に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

第１直動関節１０７からは第４リンク１０６と直交する方向に第５リンクが延在されている。この第５リンクは、第２直動関節１０８に取り付けられている。第２直動関節１０８の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴って第２直動関節１０８が駆動された場合には、その駆動量（直動量）ｄ１が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第２直動関節１０８の駆動量ｄ１に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

第２直動関節１０８には、ヨー方向に回転自在に構成された回転部材１０９が取り付けられている。回転部材１０９の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴って回転部材１０９が駆動された場合には、その駆動量（回転量）θ１が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、回転部材１０９の駆動量θ１に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

図４は、マスタ操作入力装置１０の操作部１１が実際に操作される際の様子を示している。図４に示すように、操作者１は、把持部１０１を手２００に把持した状態で、手首や肘、肩の動きにより把持部１０１の位置・姿勢を変化させる。把持部１０１の位置・姿勢の変化に伴って操作部１１の各関節が駆動される。各関節の駆動量は、各関節の近傍に配置された位置検出器によって検出され、各駆動量に応じた操作信号がマスタ制御部２１に入力される。

また、図４に示すように、本実施形態では、操作者１は、把持部１０１を把持しつつ指先で第１ロール関節１０２及び先端効果器操作部１０３を操作可能である。第１ロール関節１０２及び先端効果器操作部１０３の操作量は、各々の近傍に配置された位置検出器によって検出され、各操作量に応じた操作信号がマスタ制御部２１に入力される。

以上のような構成により、操作部１１は、把持部１０１の位置・姿勢の変化に対応した６個の操作信号と第１ロール関節１０２の操作量を示す操作信号との、７自由度に対応した操作信号（＋先端効果器の操作信号）を制御装置２０のマスタ制御部２１に入力する。

ここで、図１に戻って説明を続ける。図１に示す表示部１２は、例えば液晶ディスプレイから構成され、制御装置２０から入力された画像信号に基づいて画像を表示する。後述するが、制御装置２０から入力される画像信号は、スレーブアーム３１に取り付けられた電子カメラ（電子内視鏡）を介して得られた画像信号を、制御装置２０において処理したものである。このような画像信号に基づく画像を、表示部１２に表示させることにより、マスタ操作入力装置１０の操作者１は、マスタ操作入力装置１０から離れた場所に配置されたスレーブマニピュレータ３０の手先の画像を確認することが可能である。

制御装置２０は、マスタ制御部２１と、マニピュレータ制御部２２と、画像処理部２３と、を有している。
マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの操作信号に従って、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢の指令値を例えば運動学計算に従って算出し、この位置・姿勢の指令値をマニピュレータ制御部２２に出力する。また、マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの遠位端の関節の駆動量を指令するための操作信号及び先端効果器の駆動量を指令するための操作信号をマニピュレータ制御部２２に出力する。

マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１からの位置・姿勢の指令値を受けて、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢を指令値に一致させるために必要なスレーブアーム３１の各関節の駆動量を、例えば逆運動学計算によって算出する。そして、マニピュレータ制御部２２は、算出した駆動量に従ってスレーブアーム３１の各関節を駆動させる。また、マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１からの遠位端の関節の駆動量を指令するための操作信号及び先端効果器の駆動量を指令するための操作信号を受けてスレーブアーム３１の遠位端の関節を駆動させたり、先端効果器を駆動させたりする。

画像処理部２３は、スレーブアーム３１の先端に設けられた電子カメラ（電子内視鏡等）から得られた画像信号を処理し、表示部１２の表示用の画像信号を生成して表示部１２に出力する。
スレーブマニピュレータ３０は、スレーブアーム３１を有している。スレーブアーム３１は、マニピュレータ制御部２２からの制御信号に従って各関節が駆動される。図５にスレーブアーム３１の構造の一例を示す。図５に示すスレーブアーム３１は、７個の関節２０２〜２０８が連設して配置され、さらに遠位端の関節２０２に先端効果器２０１が取り付けられている。ここで、遠位端の関節とは、スレーブアーム３１が固定されている側から見て最も遠い位置に配置された関節のことを言う。また、図５で示した先端効果器２０１は、把持器（グリッパー）の例を示している。この他、先端部にカメラ（電子内視鏡）等を取り付けても良い。

図５に示す関節のうち、関節２０２、２０５はロール軸（図２に示すＸ軸に対応）周りに回転するロール関節であり、関節２０３、２０８はヨー軸（図２に示すＺ軸に対応）周りに回転するヨー関節であり、関節２０４、２０７はピッチ軸（図２に示すＹ軸に対応）周りに回転するピッチ関節である。また、関節２０６はロール軸に沿って直動する直動関節である。図５の例においては、７個の関節は全てが独立している。

図５に示した関節２０３〜２０８を協調させながら駆動させることによって、スレーブアーム３１における手先の位置の３自由度と姿勢の３自由度とが実現される。また、これらの関節に加えて図５では、先端効果器２０１をローリングさせるための関節２０２を冗長関節として設けている。このような構成により、例えば、スレーブアーム３１をローリングさせる場合において、先端効果器２０１の付近のみをローリングさせるような動作も可能である。上述したように、遠位端の関節２０２と先端効果器２０１は、マスタ操作入力装置１０によって駆動量を直接指令することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、マスタ操作入力装置１０の操作部１１における、操作者１が把持部１０１を把持した状態で指先によって操作可能な位置に、スレーブアーム３１の遠位端の関節２０２と同一の構造を有する操作部である第１ロール関節１０２を設けるようにしている。これにより、操作者１は、７自由度のスレーブアーム３１の操作を片手でかつ安定して行うことが可能である。

ここで、例えば、内視鏡下手術においては、術後の縫合の際に針かけ動作が必要となる。このような針かけ動作においては、スレーブアーム３１の手先に取り付けられた先端効果器２０１としてのグリッパーをローリングさせながら患者の必要な部位に針をかけることになる。このとき、先端効果器２０１から遠い関節であるロール関節２０５をローリングさせると、先端効果器２０１のローリングも行われる反面、その他の関節も大きく動作してしまってスレーブアーム３１の関節が周囲の臓器等に衝突してしまう場合があり得る。このため、針かけ動作のような、主にローリング動作が必要な場合には、他の関節が不必要に動作しないよう、スレーブアーム３１の遠位端の関節であるロール関節２０２をローリングさせることが望ましい。本実施形態では、第１ロール関節１０２の構造をスレーブアーム３１の遠位端の関節２０２と同一の構造としているので、操作者１は、第１ロール関節１０２の操作量とロール関節２０２の駆動量との関係を直感的に認識することが可能である。このため、操作者１は、スレーブアーム３１の遠位端の関節２０２の駆動量を細かく制御することが可能となる。つまり、手の平で握っている把持部１０１で先端効果器２０１の位置・姿勢を指示しながら、先端遠位端の関節２０２を、第１ロール関節１０２を動かすことにより操作でき、指の姿勢が先端効果器２０１の姿勢と対応し、直感的な操作が可能となる。当然、把持部１０１に対して相対的に第１ロール関節１０２が回転しなくても、指の姿勢が先端効果器２０１の位置・姿勢と対応する。

また、本実施形態では、第１ロール関節１０２と把持部１０１とを結ぶ同一直線上に先端効果器操作部１０３を取り付けるようにしているので、操作者１は、把持部１０１を把持したままで先端効果器操作部１０３を操作することが可能である。なお、第１ロール関節１０２と先端効果器操作部１０３は独立して駆動可能であり、先端効果器操作部１０３に指をかけて、先端効果器操作部１０３を開閉することによりθ６が取得でき、先端効果器操作部１０３をねじることにより、そのベースである第１ロール関節１０２が回転してθ５を取得することができる。
なお、本実施形態における第１ロール関節１０２は、他の関節とは独立して駆動される。したがって、本実施形態におけるマスタ操作入力装置１０は、６自由度以下の冗長な自由度を有しないスレーブマニピュレータ３０に対しても適用可能である。

［変形例］
以下、本実施形態の変形例について説明する。まず、図２に示した例では、第１ロール関節１０２は、把持部１０１のみで支持されているが、第１ロール関節１０２は、他の関節と独立してローリング可能に構成されていれば良く、例えば図６で示したように把持部１０１と第１リンクの延在部１０１ａの２点で第１ロール関節１０２（図６では先端効果器操作部１０３）を支持するようにしても良い。図６の構成の模式図を図７に示す。図７に示すように、図６に示した構成の場合には第１ロール関節１０２と第２ロール関節１０４とが実質的に隣接して配置されることになる。しかしながら、第１ロール関節１０２と第２ロール関節１０４とは回転軸が異なる２重軸構造とすることで、第１ロール関節１０２のローリングに伴って第２ロール関節１０４がローリングしないようにする。

また、図２に示した例では、把持部１０１にロール関節を設けた例を示している。これは、スレーブアーム３１の遠位端の関節がロール関節であるためである。スレーブアーム３１の遠位端の関節がロール関節でない場合には、把持部１０１に設ける関節も変更する。例えば、図８（ａ）に示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節がヨー関節である場合には、図８（ｂ）に示すように把持部１０１に設ける関節１０２１もヨー関節とする。同様に、図９（ａ）に示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節がピッチ関節である場合には、図９（ｂ）に示すように把持部１０１に設ける関節１０２２もピッチ関節とする。また、図１０（ａ）に示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節が直動関節である場合には、図１０（ｂ）に示すように把持部１０１に設ける関節１０２３も直動関節とする。

さらに、図１１（ａ）に示すように、スレーブアーム３１の遠位端に２種以上の独立な関節２０２ａ、２０２ｂが設けられている場合には、把持部１０１に設ける関節も複数とする。例えば、図１１（ａ）は、６自由度に対応した関節２０３〜２０８に加えて、ロール関節２０２ｂと、直動関節２０２ａとを加えた８自由度のスレーブアーム３１を例示している。この場合には、把持部１０１においても、ロール関節１０２ｂと直動関節１０２ａとを有する独立して操作可能な２つの関節を設ける。このように構成することで、スレーブアーム３１の遠位端の関節と把持部１０１に設けた関節とを同一の構造とすることができる。これにより、操作者１は、スレーブアーム３１のロール関節２０２ｂと、直動関節２０２ａとを直感的に操作することが可能である。なお、図１１（ｂ）の例は、２つの関節を設けた例であるが、スレーブアーム３１の関節数が増加した場合にはそれに応じてマスタ操作入力装置１０の把持部１０１に設ける関節数も増加させる。

また、スレーブアーム３１の先端効果器２０１の構造が図５で示したものと異なるものとなる場合には、それに合わせて先端効果器操作部１０３の構造も変化させることが望ましい。
さらに、図２に示した操作部１１に設けた関節１０４〜１０９は、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢を指令するためのものであって、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢を指令できるのであれば、関節１０４〜１０９はなくとも良い。例えば、操作部１１に３軸の並進移動を検出するためのセンサ（例えば加速度センサ）を設けるようにすれば、図１２に示すようにして、操作部１１を構成することもできる。図１２の例において、操作者１が操作部１１の把持部１０１を把持し、当該操作部１１を３次元空間内で移動させたり、回転させたりすることで、位置の３自由度に対応した操作信号を与えることが可能である。姿勢の３自由度に対応した操作信号については、例えばカメラ１３によって得られた画像を解析することによって得る。なお、図１２は、操作部１１で得られた操作信号を、無線通信部１４を経由して無線通信可能とした例を示している。勿論、図１２の例において、操作部１１で得られた操作信号を有線通信するようにしても良い。また、操作部１１の姿勢を、角速度センサを用いて検出するようにしても良い。

以下では、第一実施形態のマスタスレーブマニピュレータを所定の制御態様と組み合わせた実施例のいくつかについて説明する。これらの実施例では、スレーブアーム３１において冗長関係にある２つの関節のうち１つを駆動関節として選択し、残りを固定関節とすることにより、各関節の駆動量を求めるための逆運動学計算を簡素にしてマニピュレータ制御部２２の負荷を軽減する。なお、本発明において「冗長関係にある」とは、関節の回転軸、直動軸等の動作軸が互いに平行である関係を指す。

［実施例１］
実施例１では、等価回転ベクトル（等価回転軸ベクトル等とも呼ばれる）を用いて、いずれの関節を駆動関節とするかの判定を行うため、まず、等価回転ベクトルについて説明する。
まず、操作部１１の把持部１０１の姿勢変化について次のように定義する。例えば、ある時刻ｔにおいて、図１３（ｃ）に示す把持部１０１の位置が、図１３（ａ）に示す位置Ｏｍ（ｔ）であるとする。また、時刻ｔにおける把持部１０１の姿勢が、マスタロール軸Ｘｍ、マスタピッチ軸Ｙｍ、マスタヨー軸Ｚｍがそれぞれ、図１３（ａ）および図１３（ｃ）に示すＸｍ（ｔ）、Ｙｍ（ｔ）、Ｚｍ（ｔ）の方向を向くような姿勢であるとする。この状態から、所定時間Δｔ経過後の時刻ｔ＋１において、把持部１０１の位置が、図１３（ａ）に示す位置Ｏｍ（ｔ＋１）に変化したとする。また、時刻ｔ＋１における把持部１０１の姿勢が、マスタロール軸Ｘｍ、マスタピッチ軸Ｙｍ、マスタヨー軸Ｚｍがそれぞれ、図１３（ａ）に示すＸｍ（ｔ＋１）、Ｙｍ（ｔ＋１）、Ｚｍ（ｔ＋１）の方向を向くような姿勢に変化したとする。このときの把持部１０１の姿勢変化は、マスタロール軸Ｘｍ（ｔ）周りの回転と、マスタピッチ軸Ｙｍ（ｔ）周りの回転と、マスタヨー軸Ｚｍ（ｔ）周りの回転とを合成したものである。さらに、数学的には、このような３つの軸周りの回転を、１つの軸周りの回転に置き換えることが可能である。即ち、図１３（ｂ）に示すように、ある回転軸Ｖｒ（ｔ）を設定すると、時刻ｔから時刻ｔ＋１の間の把持部１０１の姿勢変化は、把持部１０１を回転軸Ｖｒ（ｔ）周りにθ（ｔ）だけ回転させたものと等価となる。一般に、このような回転軸Ｖｒ（ｔ）を表わすベクトルを、等価回転ベクトルと言う。

スレーブアーム３１においては、図５に示すように、関節２０２と関節２０５との２つのロール関節が冗長関係にある。実施例１では、マスタ制御部２１が上述の回転軸Ｖｒを用いた判定により、関節２０２および関節２０５の一方を駆動関節として選択し、他方を固定関節に設定する。すなわち、この時点では、スレーブアーム３１を、一時的に冗長自由度を有さないものとして取り扱えるため、各関節の駆動量を求めるための演算を容易にすることができるのである。

図１４は、実施例１におけるスレーブアーム３１の関節駆動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、マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの操作信号に従って、把持部の現時点における位置および姿勢と、直前の位置および姿勢とを求める。そしてこれらの値に基づいて、直前の把持部のマスタロール軸Ｘｍと、姿勢変化に伴う回転軸Ｖｒを示す等価回転ベクトルとをさらに算出する。

続くステップＳ２０において、マスタ制御部２１は、マスタロール軸Ｘｍと回転軸Ｖｒとがなす角度φが予め設定した規定値以下であるか否かを判定する。
当該判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ２１に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１に近い関節２０２を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０５を固定関節に設定する。一方、当該判定がＮｏの場合、処理はステップＳ２２に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１から遠い関節２０５を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０２を固定関節に設定する。

ステップＳ２０における判定は、以下のような考え方に基づいている。
即ち、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とが一致（φ（ｔ）＝０）していれば、時刻ｔから時刻ｔ＋１の間の把持部１０１の姿勢変化は、ローリングによる姿勢変化のみであると考えることができる。この場合には、操作部１１により、スレーブアーム３１の手先のローリングのみが必要な動作が指令されたと考えることができる。実際には、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とが完全に一致する場合だけでなく、他の動作も入るが主に手先のローリング操作である場合も含まれるように、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とのなす角φ（ｔ）にある規定値を設定し、φ（ｔ）がこの規定値以下の場合には、先端のロール軸関節がもっぱら動作する、針かけ操作等のような「細かい動き」であるとみなすのである。したがって、判定の基準となる規定値は、どの程度の操作を「細かい動き」であると判定するかによって適宜設定することができ、例えば１５度とすることができる。
ステップＳ２１またはステップＳ２２において、駆動関節および固定関節が決定されたら、マスタ制御部２１は、選択結果を示す関節選択信号を、位置・姿勢の指令値とともにマニピュレータ制御部２２に出力する。ステップＳ２１またはステップＳ２２の終了後、処理はステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０において、マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１から受け取った位置・姿勢の指令値と関節選択信号とにもとづいて、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢を指令値に一致させるために必要なスレーブアーム３１の各関節の駆動量を、逆運動学計算によって算出し、各関節に対する指令値を決定する。
ここで、スレーブアーム３１は、本来７自由度に対応した関節であるが、冗長関係にある関節２０２および２０５の一方が固定関節とされる（すなわち、駆動量がゼロとなる。）ため、７自由度の全ての駆動量が未知の場合よりも逆運動学計算で算出する関節数を低減でき，逆運動学計算が簡略化されてマニピュレータ制御部２２に対する演算による負荷が軽減される。
なお、逆運動学計算については、例えば解析的な手法等の従来周知の各種の手法を用いることができる。ここでは、その詳細についての説明は省略する。

続くステップＳ４０において、マニピュレータ制御部２２は、マスタ側冗長関節である第１ロール関節１０２の駆動量Ｍｒをマスタ制御部２１から受け取った情報に基づき算出する。
さらに、ステップＳ５０において、マニピュレータ制御部２２は、ステップＳ３０で算出された関節２０２の駆動量に、ステップＳ４０で算出された駆動量Ｍｒを加え、関節２０２の指令値を確定する。これによりスレーブアーム３１のすべての関節の指令値が定まる。

ステップＳ６０において、マニピュレータ制御部は、ステップＳ５０で求められた各関節の指令値に従ってスレーブアーム３１の各関節を駆動し、一連の処理が終了する。このフローは、所定間隔、例えば１０〜数十ミリ秒ごとに繰り返し行われ、駆動関節の選択が繰り返し行われる。

例えば、内視鏡下手術においては、術後の縫合の際に針かけ動作が必要となる。このような針かけ動作においては、スレーブアームの手先に取り付けられたグリッパー等の先端効果器をローリングさせながら患者の必要な部位に針をかける動作が行われ、対象部位で先端効果器が細かく動かされる。上述したように、スレーブアーム３１は、７つの関節を協調動作させながら、先端効果器の位置・姿勢を制御するものであるが、針かけ動作等において先端効果器から遠い関節（例えば、関節２０５）をローリングさせると、先端効果器のローリングも行われる反面、その他の関節も大きく動作してしまってスレーブアーム３１の関節が周囲の臓器等に衝突してしまう場合があり得る。

実施例１においては、ステップＳ２０の判定により、角度φが規定値以下の場合、先端効果器２０１に近い関節２０２が駆動関節として選択され、先端効果器２０１から遠い方の関節２０５は、固定される。したがって、針かけ動作等のように、もっぱら先端効果器のみがローリング動作されるような「細かい動き」のときに、スレーブアームの他の関節が大きく動作することがなく、細かい動きを伴う手技や操作を患者に対してより安全に行うことができる。

また、冗長関係にある関節２０２および２０５の一方を固定関節に設定するため、ステップＳ３０における逆運動学計算を簡略化することが可能となる。その結果、演算によるマニピュレータ制御部の負荷を軽減するとともに、演算に要する時間も短縮され、スレーブアームの各関節をスムーズに駆動させることができる。

［実施例２］
実施例２は、駆動関節を選択するための判定基準のみ異なっているため、判定基準を中心に説明し、共通する部分については重複する説明を省略する。
実施例２においては、先端効果器操作部１０３が閉じられているときは、先端効果器２０１で何かが把持されている、すなわち前述の「細かい動き」が行われるときであるとの考えに基づき、図１５に示す先端効果器操作部１０３の開き角度θｇの値に基づいて、駆動関節を選択する判定を行う。

図１６は、実施例２におけるスレーブアーム３１の関節駆動の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０Ａにおいて、先端効果器操作部１０３の開き角度θｇが計測され、マスタ操作入力装置１０からマスタ制御部２１に送られる。そして、ステップＳ２０Ａにおいて、マスタ制御部２１は、開き角度θｇが規定値、例えば１度以下であるか否かを判定する。

ステップＳ２０Ａにおける判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ２１に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１に近い関節２０２を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０５を固定関節に設定する。一方、当該判定がＮｏの場合、処理はステップＳ２２に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１から遠い関節２０５を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０２を固定関節に設定する。
その後の流れは、実施例１と同様である。

実施例２においては、例えば先端効果器２０１で針等が把持されている際には、開き角度θｇの値が規定値以下となり、関節２０２が駆動関節として選択される。したがって、実施例１と同様に、「細かい動き」のときに、スレーブアームの他の関節が大きく動作することがなく、細かい動きを伴う手技や操作を患者に対してより安全に行うことができる。

本実施例においては、開き角度θｇの値をマスタ操作入力装置１０から取得する例を説明したが、これに代えて、先端効果器２０１に角度センサ等を設け、先端効果器２０１の開き角度を取得してステップＳ２０Ａの判定に用いてもよい。さらに、先端効果器２０１の開き角度を判定に用いる場合は、表示部に表示された先端効果器の画像を処理することにより先端効果器２０１の開き角度を取得してもよい。

［実施例３］
実施例３も、実施例１に対して駆動関節を選択するための判定基準のみ異なっているため、判定基準を中心に説明し、共通する部分については重複する説明を省略する。
実施例３においては、先端効果器操作部１０３に規定値以上の力が作用しているときは、先端効果器で何かが把持されている、すなわち前述の「細かい動き」が行われるときであるとの考えに基づき、図１７に示す先端効果器操作部１０３に作用する力Ｆｇの値に基づいて、駆動関節を選択する判定を行う。なお、実施例３においては、力Ｆｇを検出できるよう、先端効果器操作部１０３に公知の力センサ等を取り付け、その検出値がマスタ制御部２１に送られるようにしておく。

図１８は、実施例３におけるスレーブアーム３１の関節駆動の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０Ｂにおいて、先端効果器操作部１０３に作用する力Ｆｇが計測され、マスタ操作入力装置１０からマスタ制御部２１に送られる。そして、ステップＳ２０Ｂにおいて、マスタ制御部２１は、力Ｆｇが規定値、例えば１Ｎ以上であるか否かを判定する。

ステップＳ２０Ｂにおける判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ２１に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１に近い関節２０２を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０５を固定関節に設定する。一方、当該判定がＮｏの場合、処理はステップＳ２２に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１から遠い関節２０５を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０２を固定関節に設定する。
その後の流れは、実施例１と同様である。

実施例３においては、例えば先端効果器２０１で針等が把持されている際には、力Ｆｇの値が規定値以上となり、関節２０２が駆動関節として選択される。したがって、実施例１と同様に、「細かい動き」のときに、スレーブアームの他の関節が大きく動作することがなく、細かい動きを伴う手技や操作を患者に対してより安全に行うことができる。

本実施例においては、力Ｆｇの値をマスタ操作入力装置１０から取得する例を説明したが、これに代えて、先端効果器２０１に力センサ等を設け、針等の把持により先端効果器２０１が受ける反力の値を取得してステップＳ２０Ｂの判定に用いてもよい。

［実施例４］
実施例４も、実施例１に対して駆動関節を選択するための判定基準のみ異なっているため、判定基準を中心に説明し、共通する部分については重複する説明を省略する。
実施例４においては、マスタ操作入力装置１０の把持部１０１が比較的高速で移動しているときは、先端効果器２０１を処置対象部位に向かって移動させている、すなわち前述の「細かい動き」が行われていないときであるとの考えに基づき、把持部１０１の移動量に基づいて駆動関節を選択する判定を行う。

図１９は、実施例４におけるスレーブアーム３１の関節駆動の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０Ｃにおいて、マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの操作信号に従って、把持部１０１の現時点における位置と、直前の位置とを求める。そしてこれらの値に基づいて、把持部１０１の位置変化の絶対値ｅｍ（（ΔＸｍ^２＋ΔＹｍ^２＋ΔＺｍ^２）の平方根）を取得する。

続くステップＳ２０Ｃにおいて、マスタ制御部２１は、上述の絶対値ｅｍが規定値以下であるか否かを判定する。判定結果がＹｅｓの場合、所定間隔における把持部１０１の移動量が小さい、すなわち把持部１０１が比較的低速で移動していることになり、処理はステップＳ２１に進んで先端効果器２０１に近い関節２０２が駆動関節として選択され、もう一方の関節２０５が固定関節に設定される。一方、当該判定がＮｏの場合、処理はステップＳ２２に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１から遠い関節２０５を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０２を固定関節に設定する。
その後の流れは、実施例１と同様である。

実施例４においても、実施例１と同様に、「細かい動き」のときに、スレーブアームの他の関節が大きく動作することがなく、細かい動きを伴う手技や操作を患者に対してより安全に行うことができる。

本実施例においては、把持部の移動量をマスタ操作入力装置から取得する例を説明したが、これに代えて、スレーブアーム先端に設けられた先端効果器の移動量が取得されてステップＳ２０Ｃの判定に用いられてもよい。

以上、実施形態および実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

例えば、上述の各実施例においては、スレーブアームにおいて、ロール関節２０２および２０５が冗長関係にある例について説明したが、上述の各制御態様は、冗長関係にある関節がロール関節でない場合も適用可能である。したがって、冗長関係にある関節は、図８（ａ）に示すようなヨー関節２０２および２０８であってもよいし、図９（ａ）に示すようなピッチ関節２０２および２０４であってもよい。さらには、図１０（ａ）に示すような直動関節２０２および２０６であってもよい。

１０…マスタ操作入力装置、１１…操作部、１２…表示部、１３…カメラ、１４…無線通信部、２０…制御装置、２１…マスタ制御部、２２…マニピュレータ制御部、２３…画像処理部、３０…スレーブマニピュレータ、３１…スレーブアーム、１０１…把持部、１０２…第１ロール関節、１０３…先端効果器操作部、１０４…第２リンク、１０５…第３リンク、１０６…第４リンク、１０７…第１直動関節、１０８…第２直動関節、１０９…回転部材

Claims (8)

1. 複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータを操作するためのマスタ操作入力装置であって、
   操作者によって把持された状態で位置及び姿勢を変化自在であって、該位置及び姿勢の変化に応じて、前記スレーブマニピュレータを固定端から見た場合の最も遠い端部である前記スレーブマニピュレータの遠位端の位置及び姿勢の指令値を与えるように構成された把持部と、
   前記把持部が把持された状態で前記操作者の指先によって操作可能な位置に設けられ、前記把持部とは独立に操作可能な第１の操作部と、
   前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節に設けられた効果器を操作可能であり前記第１の操作部に取り付けられた第２の操作部と、
   を具備し、
   前記第１の操作部は、前記把持部を把持した手の指先による操作によって前記第２の操作部の向きを変化させる関節を含んでいることを特徴とするマスタ操作入力装置。
2. 前記第１の操作部が前記把持部に対して、前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節と同一の構造を有し、手動操作を受けて前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節を駆動するための駆動量の指令値を与えるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のマスタ操作入力装置。
3. 前記把持部と、前記第１の操作部と、前記第２の操作部とは、同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマスタ操作入力装置。
4. 前記第１の操作部は、前記把持部によって支持されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマスタ操作入力装置。
5. 前記把持部は、該把持部の位置及び姿勢の変化に従って駆動されるアーム部に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のマスタ操作入力装置。
6. 前記第１の操作部は、さらに、前記アーム部によって支持されていることを特徴とする請求項５に記載のマスタ操作入力装置。
7. 前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節は、複数の自由度に対応した複数の関節を有し、
   前記第１の操作部は、前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節が有する各関節の駆動量の指令値を各々与えるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のマスタ操作入力装置。
8. 複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータと、
   請求項１乃至７の何れか１項に記載のマスタ操作入力装置と、
   前記位置及び姿勢の指令値、並びに前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節を駆動するための駆動量の指令値から、前記スレーブマニピュレータの各関節の駆動量を算出し、該駆動量の算出結果に従って前記スレーブマニピュレータの各関節を駆動する制御部と、
   を有することを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。

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