JP6037964B2 - マニピュレータシステム - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータシステムに関するものである。

一般に、被検体に挿入される細長い挿入部と、挿入部の基端側に接続される操作部とから構成される内視鏡やマニピュレータは、挿入部の先端部分に湾曲部を有しており、湾曲部の湾曲動作によって、先端の向きを変更可能になっている。湾曲部を湾曲させるための機構としては、湾曲部に接続されたワイヤの基端部分を、操作部に設けられたノブを手動で回すことによって引っ張る方式が採用されている。近年、この湾曲機構の電動化技術の研究が進んでおり、現行の手動によるノブ操作をモータ駆動に置き換える技術が盛んに研究されている（例えば、特許文献１および２参照。）。一般に、モータ駆動においては、操作部に入力された操作量に比例する量だけモータを回転させることによって、操作量に対応する湾曲量だけ湾曲部の湾曲角度を変更することができる。

しかし、実際には、ワイヤと周囲の部材との間の摩擦やワイヤの弛み等によって、ワイヤの基端部分に加えられた引っ張り量は、完全にはワイヤの先端まで伝達され難い。すなわち、ワイヤの引っ張り量と湾曲部の湾曲量とは、非線形の関係にある。さらに、この非線形性は、挿入部の湾曲形状に依存して変化する。したがって、モータの回転量を単に操作量に比例させていたのでは、操作者の操作に対して、湾曲部の湾曲動作の良好かつ同一の応答性を得ることができない。

そこで、特許文献１および２では、湾曲部の湾曲動作の応答性を低下させる要因である湾曲部または本体部の湾曲形状の指標としてワイヤの移動量または張力に着目し、該移動量または張力に基づき、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを補償するようにモータを制御することによって、上記応答性の改善を図っている。

特開２００２−２６４０４８号公報 特許第５０４８１５８号公報

しかしながら、湾曲部の湾曲動作の応答性を低下させる要因は、上記の湾曲部または本体部の湾曲形状以外にも存在する。したがって、特許文献１，２のように、ワイヤの移動量または張力のみを考慮していたのでは、湾曲部の湾曲動作の応答性の向上に限界があるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、湾曲部の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができるマニピュレータシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、細長い本体部および該本体部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部と、前記本体部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達するとともに、少なくとも一端が前記本体部に対して固定された筒状のシースに挿通された線材とを備えるマニピュレータと、前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、該操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、前記シースの張力を検出するシース張力検出部と、該シース張力検出部によって検出された前記シースの張力に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステムを提供する。

本発明によれば、操作者が操作入力部に操作指示を入力すると、制御部がこの操作指示から生成した湾曲制御信号を湾曲部駆動部に送信し、湾曲部制御信号を受けて湾曲部駆動部が発生した駆動力が線材を介して湾曲部に伝達されることにより、湾曲部が操作指示に対応する湾曲動作を行う。これにより、例えば、体内に配置された挿入部の湾曲部を、体外に配置された操作入力部を用いて遠隔操作することができる。

この場合に、制御部は、湾曲制御信号を補償値設定部によって設定された補償値を用いて補正した後に湾曲部駆動部に送信する。操作信号に対する湾曲部の湾曲動作の応答性は、挿入部の湾曲形状に応じて変化するシースの張力に強く依存する。補償値は、シース張力検出部によって検出されたシースの張力に基づいて設定されている。このように、湾曲部（挿入部が硬性部の場合）の湾曲形状または本体部の湾曲形状に強く依存するシースの張力を測定し、その測定値に基づいて補償値を設定することによって、湾曲部の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができる。

上記発明においては、前記シース張力検出部が、前記シースに発生する張力を測定する張力センサを備え、該張力センサが、前記線材の基端部分に設けられていてもよい。
このようにすることで、他の構成の設計に影響を与えない位置に張力センサを配置することができる。

また、上記発明においては、前記シース張力検出部は、前記シースの張力が一定となるように該シースに与える張力を調整するシース張力調整機構を備え、前記シース張力検出部が、前記シース張力調整機構による張力の調整量を測定し、前記補償値設定部が、前記シース張力調整機構によって測定された張力の調整量に基づいて前記補償値を設定してもよい。
このようにすることで、挿入部の湾曲形状が変化したとしてもシースの張力が一定に維持されるので、シースの張力の低下に起因する湾曲部の応答性の低下を防ぎ、さらに良好な湾曲部の応答性を得ることができる。さらに、シース張力調整機構によるシース張力の調整量は本体部の湾曲形状に強く依存し、このようなシース張力の調整量を補償値の設定に用いることによって、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを効率的に補償することができる。

また、上記発明においては、前記挿入部に、該挿入部内における前記線材の経路を前記シースを介して規定する通路が設けられていてもよい。
また、上記発明においては、前記シースを収容する外側シースを備えていてもよい。
このようにすることで、湾曲部の応答性のばらつきの主な要因であるシースの経路変化と外乱（例えば、シースと他の内容物との干渉）に起因する、シース張力の測定値の精度の低下およびばらつきを低減し、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。

また、上記発明においては、前記マニピュレータが、各々前記シースに挿通された複数の前記線材を備え、該複数の線材が、前記本体部内において前記シースを介して１つに束ねられていてもよい。
このようにすることで、各線材に発生する摩擦や弛みの線材間のばらつきが低減されるので、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。

また、上記発明においては、前記補償値設定部が、前記操作者によって指定されたタイミングで、前記補償値を設定してもよい。
このようにすることで、操作者が、湾曲部の良好な応答性を必要とするときに補償値が設定されるように、補償値の設定のタイミングを指定することによって、操作性を維持しつつ、補償値の設定に要する処理を減らすことができる。

また、上記発明においては、前記補償値設定部は、所定のイベントが検出されたときに前記補償値を再設定していてもよい。
このようにすることで、所定のイベントが発生する度に補償値を最適値に自動更新することができる。

本発明によれば、湾曲部の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係るマニピュレータシステムの基本構成を示す外観図である。 図１のマニピュレータシステムが備える挿入部の先端部分の構成を示す外観図である。 図１のマニピュレータシステムの全体構成を示すブロック部である。 図１のマニピュレータシステムが備える挿入部の全体構成を示す外観図である。 図４の湾曲部を湾曲させる機構を示す構成図である。 図４の挿入部が備えるワイヤおよびワイヤシースを示す構成図（上段）と、ワイヤシースに設けられた張力センサの構成を示す拡大図（下図）である。 シース張力が低い状態における、操作信号に対する湾曲部の応答特性を示すグラフである。 シース張力が高い状態における、操作信号に対する湾曲部の応答特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータシステムが備える挿入部の（ａ）部分的な縦断面図と、（ｂ）Ｉ−Ｉ線における横断面図である。 図９の挿入部の変形例を示す（ａ）部分的な縦断面図と、（ｂ）ＩＩ−ＩＩ線における横断面図である。 図９の挿入部のもう１つの変形例を示す（ａ）部分的な縦断面図と、（ｂ）ＩＩＩ−ＩＩＩ線における横断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るマニピュレータシステムによる、補償値の設定方法を示すフローチャートである。 図１２の補償値の設定方法の変形例を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態に係るマニピュレータシステムが備えるシース張力調整機構の構成図である。 図１４のマニピュレータシステムによる補償値の設定方法を示すフローチャートである。 図１４のマニピュレータシステムの変形例による補償値の設定方法を示すフローチャートである。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るマニピュレータシステム１００について図１から図８を参照して説明する。
まず、本実施形態に係るマニピュレータシステム１００の概要について説明する。本実施形態に係るマニピュレータシステム１００は、図１に示すように、スレーブマニピュレータ（マニピュレータ）１と、術者（操作者）Ｏｐによって操作されるマスタ入力部（操作入力部）２と、該マスタ入力部２になされた操作に基づいてスレーブマニピュレータ１を制御する制御部３とを主な構成として備えている。

スレーブマニピュレータ１は、患者Ｐが横たわる手術台８０の近傍に配置されるスレーブアーム４と、該スレーブアーム４の先端に保持された挿入部５と、該挿入部５内に挿入される処置具６とを備えている。挿入部５の先端には、図２に示されるように、観察部材７が設けられ、該観察部材７によって、挿入部５の先端前方の視野と、挿入部５の先端から突出した処置具６とが、撮影されるようになっている。観察部材７によって取得された映像は、マスタ入力部２に設けられた表示部８に表示される。観察部材７の視野は、挿入部５の先端部分に設けられた湾曲部１５の湾曲角度を、挿入部５の長手方向に直交する上下方向（ＵＤ方向）または左右方向（ＬＲ方向）に変更することによって、移動可能になっている。

術者Ｏｐは、表示部８に表示される体内および処置具６の映像を観察しながら、マスタ入力部２に設けられたマスタアーム９を操作することによって、患者Ｐの体内に挿入された挿入部５と、該挿入部５内を介して体内に導入された処置具６とを、遠隔操作することができる。

次に、マニピュレータシステム１００の各部について詳細に説明する。
スレーブアーム４は、図３に示されるように、挿入部５が取り付けられる挿入部取付部１０と、処置具６が取り付けられる処置具取付部１１と、挿入部取付部１０に取り付けられた挿入部５の湾曲部１５を駆動する湾曲部駆動部１２と、処置具取付部１１に取り付けられた処置具６を駆動する処置具駆動部１３とを備えている。湾曲部駆動部１２および処置具駆動部１３は、制御部３から受信した制御信号に従って湾曲部１５または処置具６をそれぞれ駆動する。

図４は、挿入部５の外観を示している。図４に示されるように、挿入部５は、可撓性を有する細長い本体部１４と、該本体部１４の先端側に設けられた湾曲部１５とを備えている。また、本体部１４の基端側には、スレーブアーム４の挿入部取付部１０に取り付けられる取付ユニット１６が接続されている。湾曲部１５は、複数の節輪や湾曲コマ等が連結された公知の構造を有し、最も先端側の節輪等に接続されたＵＤ湾曲用のワイヤ（線材）１５ａおよびＬＲ湾曲用のワイヤ（線材）１５ｂの基端部分が取付ユニット１６内において長手方向に押し引きされることによって、ＵＤ方向およびＬＲ方向に湾曲するように構成されている。

具体的には、各ワイヤ１５ａ，１５ｂの基端部分は、図５に示されるように、本体部１４の基端から引き出され、取付ユニット１６内に設けられたプーリ１６ａに巻き付けられている。取付ユニット１６は、挿入部取付部１０に取り付けられたときに、各プーリ１６ａと、湾曲部駆動部１２が有する各モータ１２ａとが同軸に連結するように構成されている。制御部３からの回転制御信号に従ってモータ１２ａが回転することによってプーリ１６ａが正転または反転し、これによりワイヤ１５ａ，１５ｂが押し引きされて湾曲部１５の湾曲角度が変更されるようになっている。なお、図５においては、図面を簡略にするために、モータ１２ａは１つだけ図示されている。また、プーリ１６ａへの巻き付けは、ワイヤ１５ｂだけ図示されている。

各ワイヤ１５ａ，１５ｂの外側には、図６に示されるように、該ワイヤ１５ａ，１５ｂが挿通する筒状のワイヤシース（シース）１５ｃが設けられている。ワイヤシース１５ｃは、素線が螺旋状に巻かれてなるコイルシースであって、先端が本体部１４の先端またはその近傍に固定部２２によって固定され、基端が本体部１４の基端またはその近傍に固定部２２によって固定されている。本体部１４の湾曲形状が変化したときにワイヤシース１５ｃの経路長が変化することによって、ワイヤシース１５ｃは、本体部１４の湾曲形状に応じた張力を発生するようになっている。

また、挿入部５は、長手方向に貫通形成されたチャネル（図示略）を有している。このチャネルは、挿入部５の基端側に設けられた処置具用ポート１７と連通しており、該処置具用ポート１７からチャネルへ処置具６が挿入される。処置具６は、高周波ナイフやスネアループ、把持鉗子等である。処置具６の基端には、スレーブアーム４の処置具取付部１１に取り付けられる取付ユニット（図示略）が接続されている。処置具６は、取付ユニットおよび処置具取付部１１を介して処置具駆動部１３によって駆動されることによって、チャネル内において進退または回転可能に設けられている。なお、図２には、単一のチャネルを有する挿入部５が示されているが、２以上のチャネルが挿入部５に設けられていてもよい。

マスタ入力部２は、上述したように、観察部材７によって取得された映像を表示する表示部８と、術者Ｏｐによって操作される複数のマスタアーム９とを備えている。マスタアーム９は、少なくとも湾曲部１５および処置具６に対する操作指示が術者Ｏｐによって入力可能になっている。マスタ入力部２は、術者Ｏｐによってマスタアーム９に入力された操作指示に応じた操作信号を生成し、生成した操作信号を制御部３に送信する。

制御部３は、マスタ入力部２から湾曲部１５に対する操作信号を受信したときに、当該操作信号から湾曲部駆動部１２を駆動させるための湾曲制御信号を生成し、該湾曲制御信号を湾曲部駆動部１２に送信する。また、制御部３は、マスタ入力部２から処置具６に対する操作信号を受信したときに、当該操作信号から処置具駆動部１３を駆動させるための進退制御信号および回転制御信号を生成し、該進退制御信号および回転制御信号を処置具駆動部１３に送信する。各駆動部１２，１３のモータ１２ａには、その回転量を検出するエンコーダ（図示略）が取り付けられている。制御部３は、各モータ１２ａの回転量をエンコーダから受信することによって、湾曲部１５の湾曲量や、処置具６の進退量または回転量を認識し、認識したこれらの量に基づいて、各駆動部１２，１３のモータ１２ａをフィードバック（ＦＢ）制御するようになっている。

さらに、本実施形態に係るマニピュレータシステム１００は、ワイヤシース１５ｃの張力（以下、シース張力ともいう。）を検出するシース張力検出部１８と、記憶部１９とを備えている。
シース張力検出部１８は、ワイヤシース１５ｃに取り付けられた張力センサ１８ａを備え、該張力センサ１８ａによってシース張力を測定し、その測定値を制御部３に送信する。

具体的には、張力センサ１８ａは、図６の下段に示されるように、バネ１８ｂを介して固定部２２に連結されており、ワイヤシース１５ｃの、張力センサ１８ａと固定部２２との間の部分の変形に伴うシース張力の変化を、バネ１８ａから受ける力の変化として検出する。張力センサ１８ａの取り付け位置は、特に限定されないが、ワイヤシース１５ｃの基端部分であることが好ましい。ワイヤシース１５ｃの基端部分は、他の構成に影響を与えることなく、容易に張力センサ１８ａの取り付け空間を確保することができる。

記憶部１９は、シース張力と、湾曲制御信号に対する補償値とを対応付けたテーブルを保持している。補償値は、湾曲制御信号に乗算されるフィードフォワードゲインであり、後で詳述するように、シース張力と湾曲部１５の応答性との間の相関関係に基づいて、シース張力が弱い程、大きくなるように設定されている。記憶部１９は、制御部３からシース張力の測定値を受信したときに、当該測定値と対応する補償値を選択し、選択した補償値を制御部３に送信する。

ここで、制御部（補償値設定部）３は、湾曲部１５に対する操作信号をマスタ入力部２から受信したときに、湾曲部駆動部１２に湾曲制御信号を送信するのに先立ち、次の手順に従って湾曲制御信号に対する補償値を記憶部１９から取得する。すなわち、まず、制御部３は、シース張力検出部１８にデータ送信命令を送信する。このデータ送信命令を受けて、シース張力検出部１８はシース張力を測定し、測定値を制御部３に送信する。次に、制御部３は、シース張力検出部１８から受信した測定値を記憶部１９に送信し、該測定値に対応する補償値を記憶部１９から受信する。この後に、制御部３は、操作信号から生成した湾曲制御信号に補償値を乗算することによって湾曲制御信号を増幅し、増幅された湾曲制御信号を湾曲部駆動部１２に送信することによって、湾曲部駆動部１２をフィードフォワード制御する。

次に、このように構成されたマニピュレータシステム１００の作用について説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム１００を用いて体内を処置するには、図１に示されるように、術者Ｏｐは、まず挿入部５を患者Ｐの自然開口（図示する例では口）から体内に挿入する。術者Ｏｐは、観察部材７によって取得される映像を表示部８で観察しながら、挿入部５の先端を対象部位まで移動させる。

次に、術者Ｏｐは、挿入部５のチャネル内に挿入されている処置具６を挿入部５の先端開口から突出させる。そして、術者Ｏｐは、表示部８に表示される映像を観察しながら、湾曲部１５の湾曲角度や、処置具６の突出量および回転方向を変更することによって、処置部１９と体内の対象部位との位置関係を調整し、処置部１９によって対象部位を処置する。

このときに、術者Ｏｐが、湾曲部１５の湾曲角度を変更する操作をマスタアーム９に入力すると、この操作に応じた操作信号がマスタアーム９から制御部３に送信される。制御部３は、受信した操作信号に従い、湾曲部１５をＬＲ方向またはＵＤ方向に湾曲させるための湾曲制御信号を生成する。この一方で、制御部３は、シース張力検出部１８にその時点におけるシース張力を測定させ、得られたシース張力に対応する補償値を記憶部１９から取得する。制御部３は、補償値によって増幅した湾曲制御信号を湾曲部駆動部１２に送信することによって、湾曲部１５を作動させる。

ここで、術者Ｏｐがマスタアーム９に入力した操作に対する湾曲部１５の湾曲動作の応答性と、シース張力との関係について説明する。
図７および図８は、操作信号に対する湾曲部１５の応答特性を示しており、図７は、シース張力が比較的弱いとき、図８は、シース張力が比較的強いときのものである。図７および図８において、破線は、制御部３に入力される操作信号が指定する湾曲角度を示し、実線は、湾曲部駆動部１２に設けられているエンコーダの出力から算出されるモータ１２ａの駆動量を示し、一点鎖線は、湾曲部１５の湾曲による処置具６先端の駆動量を示している。

図７から分かるように、シース張力が比較的弱い場合には、操作信号およびモータ１２ａの駆動量に対して、処置具６先端の駆動量は小さくなる。図７の例においては、ワイヤ１５ａまたは１５ｂの基端部分に加えられた引っ張り力のうち、約３０％のみが湾曲部１５の湾曲動作として消費され、残りの約７０％は、湾曲部１５の湾曲動作以外の要因によって消費されている。

一方、図８から分かるように、シース張力が比較的強い場合には、操作信号およびモータ１２ａの駆動量に対する湾曲部１５の湾曲動作の応答性が向上する。図８の例においては、ワイヤ１５ａまたは１５ｂの基端部分に加えられた引っ張り力のうち、約７５％は、湾曲部１５の湾曲動作として消費され、残りの約２５％が、湾曲部１５の湾曲動作以外の要因によって消費されている。

このように、操作信号に対する湾曲部１５の応答性とシース張力との間には強い相関関係が存在し、シース張力が強い程、湾曲部１５の応答性が高くなる。記憶部１９に記録されている補償値は、このシース張力の強弱に依存する湾曲部１５の応答性のばらつきを補償するように、設定されている。
なお、シース張力が強い程、湾曲部１５の応答性が高くなる理由は、シース張力が高い方が、ワイヤシース１５ｃとワイヤ１５ａ，１５ｂとの間に発生する摩擦が小さくなるためであると考えられる。

本実施形態によれば、本体部１４の湾曲形状の変化に伴うシース張力の変化が、湾曲部１５の応答性の低下およびばらつきの大きな要因となっていることに着目し、シース張力に基づき、湾曲部駆動部１２をフィードフォワード制御している。これにより、湾曲部１５の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきを精度良く補償し、常に良好かつ同一の湾曲部１５の応答性を得ることができるという利点がある。

なお、本体部１４が湾曲したときに、湾曲形状の内周側と外周側とでワイヤシース１５ｃの経路長が異なることに起因し、シース張力がワイヤシース１５ｃ毎に異なる。
そこで、張力センサ１８ａが、個々のワイヤシース１５ｃに取り付けられ、制御部３が、個々のモータ１２ａに対して別々に補償値を設定することが好ましい。このようにすることで、湾曲部１５の湾曲動作の応答性のばらつきをさらに精度良く補償することができる。

また、本実施形態においては、補償値が、フィードフォワードゲインであることとしたが、これに代えて、他の補償値であってもよい。

例えば、補償値は、制御部３が湾曲部駆動部１２のフィードバック制御に用いるフィードバックゲインであってもよい。
上述したように、制御部３は、エンコーダによって検出されたモータ１２ａの回転量に基づいてモータ１２ａをフィードバック制御している。そこで、制御部３が、フィードバックゲインを、シース張力に基づいて設定してもよい。このようにしても、本体部１４の湾曲形状およびシース張力の違いに依存する湾曲部１５の応答性の低下およびばらつきを精度良く補償することができる。

あるいは、補償値は、湾曲制御信号にオフセットを与えるために制御部３が湾曲制御信号に加算する摩擦補償係数（オフセット信号）であってもよい。摩擦補償係数は、湾曲部１５の湾曲動作の方向が逆方向に切り替わる折り返し部分において、符号が反転するように設定される。これにより、特に、湾曲動作の方向を逆方向へ切り替えたとき（例えば、Ｌ方向からＲ方向へ切り替えたとき）に発生するバックラッシを低減することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図９から図１１を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、挿入部５の構成が、第１の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、挿入部５の構成について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態において、図９（ａ），（ｂ）に示されるように、本体部１４および湾曲部１５に、ワイヤ１５ａ，１５ｂの位置を規定する通路２１が形成されている。この通路２１は、湾曲部１５においては、節輪の内周面に固定された環状の部材からなる。本体部１４においては、通路２１は、本体部１４の長手方向に貫通形成され、ワイヤ１５ａ，１５ｂ以外の部材が設置されている空間とは隔離された空間である。

もし、本体部１４および湾曲部１５の内部においてワイヤ１５ａ，１５ｂが径方向に移動自在であった場合、本体部１４の湾曲形状が同一であったとしても、最適な補償値が異なる可能性がある。これは、ワイヤ１５ａ，１５ｂの経路にばらつきが生じることによって、ワイヤ１５ａ，１５ｂに発生する摩擦や弛みが異なる可能性があるためである。そこで、本体部１４および湾曲部１５の内部におけるワイヤ１５ａ，１５ｂの経路を通路２１によって規定し、さらに、ワイヤ１５ａ，１５ｂが他の部材と不規則に接触することを防ぐことによって、湾曲部１５の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきをさらに精度良く補償することができる。その他の効果は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

なお、本実施形態においては、本体部１４にワイヤ１５ａ，１５ｂ用の通路２１を設けることとしたが、これに代えて、図１０（ａ），（ｂ）に示されるように、ワイヤシース１５ｃを収容する外側シース１５ｄをさらに備えていてもよい。
このようにしても、ワイヤシース１５ｃが周囲の様々な部材と不規則に接触することを防止し、湾曲部１５の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきをさらに精度良く補償することができる。

また、本実施形態においては、複数のワイヤ１５ａ，１５ｂが、図１１（ａ），（ｂ）に示されるように、本体部１４内においてワイヤシース１５ｃを介して１つに束ねられていていてもよい。このようにすることで、各ワイヤシース１５ｃに発生する張力の、ワイヤシース１５ｃ間のばらつきが低減される。したがって、各モータ１２ａに対して同一の補償値を適用したとしても、湾曲部１５の応答性のばらつきを十分に精度良く補償することができ、複数のモータ１２ａの制御を容易にすることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図１２および図１３を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、制御部３の、補償値の設定に係る制御内容が、第１および第２の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、制御部３の制御内容について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、シース張力の測定と補償値の設定とを、術者Ｏｐによって指定された任意および所定のタイミングで行う点において、第１の実施形態と異なっている。図１２は、本実施形態に係るマニピュレータシステムの、補償値の設定に係る動作を示している。

制御部３は、マスタ入力部２に最適化指令が入力されたときに（ステップＳ１のＹＥＳ）、シース張力検出部１８にシース張力を測定させ（ステップＳ３）、補償値を設定する（ステップＳ４）。これにより、術者Ｏｐは、湾曲部１５の湾曲動作の良好な応答性を必要とする任意のタイミングで、補償値を最適化することができる。前記最適化指令は、例えば、マスタ入力部２に設けられたボタンが操作者に押下されることによって、マスタ入力部２に入力される。

また、制御部３は、所定のイベントが検出されたときに（ステップＳ２のＹＥＳ）、シース張力検出部１８にシース張力を測定させ（ステップＳ３）、補償値を設定する（ステップＳ４）。所定のイベントとは、シース張力の変化を生じ得るイベントであり、例えば、手術台８０上での患者Ｐの体位の変更や、臓器の体動等である。これにより、シース張力が変化し得る所定のイベントが発生したときに補償値の最適化を自動的に実行することができる。患者Ｐの体位の変更は、例えば、手術台８０の重量分布に基づいて検出することができる。臓器の体動は、例えば、画像認識を利用し、観察部材７によって撮影される映像内の像の急激な変化に基づいて検出することができる。また、イベントは、術者Ｏｐによる図示しないボタンの押下等の、外部からの入力であってもよい。

このように、本実施形態によれば、湾曲部１５の湾曲動作の良好な応答性が特に必要とされる場面や、湾曲部１５の応答性の変化が発生し得る場面において、シース張力の測定および補償値の最適化を実行することによって、補償値の設定に要する処理を必要十分な量に減らすことができるという利点がある。その他の効果は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

なお、本実施形態においては、シース張力を任意または所定のタイミングで測定することとしたが、これに代えて、シース張力を常時測定し、シース張力の変化量に基づいて補償値の再設定を断続的に実行してもよい。

例えば、図１３に示されるように、挿入部５の操作開始後（ステップＳ１１）、シース張力の変化量に対する閾値を設定し（ステップＳ１２）、シース張力を常時測定する（ステップＳ１３）。そして、シース張力の変化量が閾値を越えた場合に（ステップＳ１４のＹＥＳ）、マスタ入力部２とスレーブアーム４との通信を切断し（ステップＳ１６）、最新のシース張力の測定値に基づいて補償値を設定する（ステップＳ１７）。すなわち、シース張力の変化量が閾値を越えたことをイベントとして検出する。

ただし、ステップＳ１４においてシース張力の変化量が閾値を越えていたとしても、モータ１２ａによってワイヤ１５ａ，１５ｂを駆動している最中である場合には（ステップＳ１５のＹＥＳ）、ワイヤ１５ａ，１５ｂの駆動が終了するまで補償値の再設定を待つ。ワイヤ１５ａ，１５ｂの駆動中は挿入部５の形状に依らずにシース張力が変動するため、仮にワイヤ１５ａ，１５ｂの駆動中に閾値を越えるシース張力の変化が検出されたとしても、これを考慮しない。また、補償値を設定した後は、術者Ｏｐの指令に従って（ステップＳ１８）マスタ入力部２とスレーブアーム４との通信を再接続する（ステップＳ１９）。

このようにすることで、本体部１４の湾曲形状の変化に伴ってシース張力が時間変化したときに、このシース張力の時間変化に追従して補償値が最適化される。これにより、湾曲部１５の湾曲動作の良好な応答性を維持しつつ、補償値の設定に要する処理を減らすことができる。また、補償値を再設定する際にマスタ入力部２とスレーブアーム４との通信を切断することによって、補償値の再設定を確実に行うことができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図１４から図１６を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、シース張力検出部１８が、ワイヤシース１５ｃに発生する張力を調整するシース張力調整機構２０を備えている点において、第１から第３の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、シース張力調整機構２０について主に説明し、第１から第３の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

シース張力調整機構２０は、図１４に示されるように、２つの固定プーリ２０ａと、１つの可動プーリ２０ｂとを備えている。固定プーリ２０ａは、ワイヤシース１５ｃの長手方向に間隔を空けた位置に、ワイヤシース１５ｃの外周面と接触して配置され、ワイヤ１５ａ，１５ｂの径方向の位置を固定している。可動プーリ２０ｂは、２つの固定プーリ２０ａの間に配置され、その外周面にワイヤシース１５ｃが掛けられている。

可動プーリ２０ｂは、ワイヤシース１５ｃを径方向に引っ張るように、付勢部材２０ｃによってワイヤシース１５ｃの径方向（図１５において上向き）に付勢されている。これにより、シース張力が低下すると、図１５の下段に示されるように、可動プーリ２０ｂによるワイヤシース１５ｃの引っ張り量が増加することによって、シース張力の低下が相殺される。一方、シース張力が増加すると、可動プーリ２０ｂによるワイヤスースの引っ張り量が減少することによって、シース張力の増加が相殺される。このように、シース張力調整機構２０は、ワイヤシース１５ｃに与える張力を調整することによって、シース張力を一定に維持する。

このときに、本体部１４の湾曲形状に起因するシース張力の増減は、シース張力調整機構２０によるシース張力の調整量、すなわち、可動プーリ２０ｂの、ワイヤシース１５ｃの径方向の移動量に対応している。したがって、制御部３は、張力センサ１８ａによって測定されたシース張力の実測値に代えて、シース張力調整機構２０によるシース張力の調整量（具体的には、可動プーリ２０ｂの、ワイヤシース１５ｃの径方向の位置）を用いて補償値を設定することができる。具体的には、記憶部１９は、可動プーリ２０ｂの位置と補償値とを対応付けたテーブルを保持している。シース張力調整機構２０は、可動プーリ２０ｂの位置を制御部３に送信し、制御部３は、シース張力調整機構２０から受信した位置に対応する補償値を記憶部１９から取得する。

この場合に、本実施形態によれば、シース張力調整機構２０によってシース張力が一定に維持されるので、シース張力の低下に起因する湾曲部１５の湾曲動作の応答性の低下を効果的に改善することができるという利点がある。さらに、湾曲形状に強く依存するシース張力の調整量を用いて補償値を決定することで、効率良く応答性を良好な状態に維持することができるという利点がある。その他の効果は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

なお、本実施形態においては、ワイヤ１５ａ，１５ｂの移動量を検出するワイヤ移動量検出部（図示略）をさらに備え、制御部３が、シース張力調整機構２０によるシース張力の調整量と、ワイヤ移動量検出部によって検出されたワイヤ１５ａ，１５ｂの移動量とに基づいて、補償値を設定してもよい。ワイヤ移動量検出部としては、例えば、特開２００２−２６４０４８号公報において符号２８，３０で示されているセンサを採用することができる。

この場合、制御部３は、図１５に示されるように、シース張力調整機構２０によるシース張力の調整量に基づいて補償値を設定した後（ステップＳ２１，Ｓ２２）、本体部１４および湾曲部１５の湾曲形状の変化に伴うワイヤ１５ａ，１５ｂの移動量に応じて（ステップＳ２３）補償値をさらに微調整する（ステップＳ２４）。
このようにすることで、湾曲部１５の湾曲動作の応答特性をさらに向上することができる。

あるいは、ワイヤ移動量検出部に代えて、ワイヤ１５ａ，１５ｂの張力を検出するワイヤ張力検出部（図示略）を備え、制御部３が、シース張力調整機構２０によるシース張力の調整量と、ワイヤ張力検出部によって検出されたワイヤ１５ａ，１５ｂの張力とに基づいて、補償値を設定してもよい。ワイヤ張力検出部としては、例えば、特開２００２−２６４０４８号公報において符号６８，７０で示されている張力センサを採用することができる。

具体的には、図１６に示されるように、制御部３は、シース張力調整機構２０によるシース張力の調整量に基づいて補償値を設定した後（ステップＳ３１，Ｓ３２）、本体部１４および湾曲部１５の湾曲形状の変化に伴うワイヤ１５ａ，１５ｂの張力の変化に応じて（ステップＳ３３）補償値をさらに微調整する（ステップＳ３４）。
このようにしても、湾曲部１５の湾曲動作の応答特性をさらに向上することができる。

なお、上記各実施形態とその変形例においては、マニピュレータ１と操作入力部２とが別体であり、マニピュレータ１から離れた位置に配置された操作入力部２によってマニピュレータ１を遠隔操作する構成を例に挙げて説明したが、マニピュレータ１と操作入力部２の形態はこれに限定されるものではなく、例えば、マニピュレータ１の後端側に一体的に操作入力部２を配設してもよい。

また、上記各実施形態とその変形例においては、軟性の本体部１４を有するマニピュレータ１について説明したが、本体部１４は、硬性であってもよい。硬性型のマニピュレータにおいても、シース張力が湾曲部１５の湾曲形状に強く依存し、湾曲部１５の応答性とシース張力との間に強い相関関係が成立する。したがって、本実施形態を好適に適用することができる。

１ スレーブマニピュレータ（マニピュレータ）
２ マスタ入力部（操作入力部）
３ 制御部（補償値設定部）
４ スレーブアーム
５ 挿入部
６ 処置具
７ 観察部材
８ 表示部
９ マスタアーム
１０ 挿入部取付部
１１ 処置具取付部
１２ 湾曲部駆動部
１３ 処置具駆動部
１４ 本体部
１５ 湾曲部
１５ａ，１５ｂ ワイヤ（線材）
１５ｃ ワイヤシース（シース）
１５ｄ 外側シース
１６ 取付ユニット
１７ 処置具用ポート
１８ シース張力検出部
１８ａ 張力センサ
１９ 記憶部
２０ シース張力調整機構
２０ａ 固定プーリ
２０ｂ 可動プーリ
２０ｃ 付勢部材
２１ 通路
２２ 固定部
８０ 手術台
１００ マニピュレータシステム
Ｏｐ 術者（操作者）

Claims (8)

1. 細長い本体部および該本体部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部と、前記本体部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達するとともに、少なくとも一端が前記本体部に対して固定された筒状のシースに挿通された線材とを備えるマニピュレータと、
   前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、
   該操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、
   前記シースの張力を検出するシース張力検出部と、
   該シース張力検出部によって検出された前記シースの張力に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、
   前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステム。
2. 前記シース張力検出部が、前記シースに発生する張力を測定する張力センサを備え、
   該張力センサが、前記線材の基端部分に設けられている請求項１に記載のマニピュレータシステム。
3. 前記シース張力検出部は、前記シースの張力が一定となるように該シースに与える張力を調整するシース張力調整機構を備え、
   前記シース張力検出部が、前記シース張力調整機構による張力の調整量を測定し、
   前記補償値設定部が、前記シース張力調整機構によって測定された張力の調整量に基づいて前記補償値を設定する請求項１に記載のマニピュレータシステム。
4. 前記挿入部に、該挿入部内における前記線材の経路を前記シースを介して規定する通路が設けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
5. 前記シースを収容する外側シースを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
6. 前記マニピュレータが、各々前記シースに挿通された複数の前記線材を備え、
   該複数の線材が、前記本体部内において前記シースを介して１つに束ねられている請求項１から請求項５のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
7. 前記補償値設定部が、前記操作者によって指定されたタイミングで、前記補償値を設定する請求項１から請求項６のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
8. 前記補償値設定部は、所定のイベントが検出されたときに前記補償値を再設定する請求項１から請求項６のいずれかに記載のマニピュレータシステム。

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