JP6053701B2 - マニピュレータシステムの制御方法およびマニピュレータシステム - Google Patents

マニピュレータシステムの制御方法およびマニピュレータシステム Download PDF

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Description

本発明は、マニピュレータシステムの制御方法およびマニピュレータシステムに関するものである。
従来、エンドエフェクタおよび関節部を有する処置具と、術者によって手動操作される操作入力装置とを備える医療用のマニピュレータシステムが知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。術者は、手元の操作入力装置を用いて関節部を操作することによって、体内のエンドエフェクタを遠隔操作することができる。特許文献１の操作入力装置は、関節部の関節構造と相似の関節構造を有するマスタアームを備えている。特許文献２，３の操作入力装置は、ジョイスティック式またはキー式の操作部材を備えている。
特許第５０１１０６０号公報 特開２００９−１０１０７７号公報 特開平１０−２６２９００号公報
しかしながら、基端側から順に、処置具の長手軸回りに回転可能な回転関節と、前記長手軸に交差する方向に屈曲可能な屈曲関節とを有する処置具において、回転関節の姿勢によっては、屈曲関節の作動のみではエンドエフェクタを所望の方向へ直接移動させることができない場合がある。
このような場合に、特許文献１の操作入力装置においては、回転関節と屈曲関節との両方を組み合わせて作動させる必要があり、術者が、これら関節の作動方向および作動量を計算しなければならない。このような作業は、非常に煩雑であり、熟練を要するという問題がある。また、処置具と相似構造を成した操作入力装置を用いて複数の関節を同時に作動させるとマスタアームの動作量が大きくなり、操作入力装置の小型化が難しいという問題がある。
一方、特許文献２，３の操作入力装置は、小型化には適している。しかしながら、回転関節の回転に伴って、ディスプレイ上に表示される処置具の屈曲関節の屈曲方向と、手元の操作部材の入力方向との対応関係が変化する。その結果、入出力の方向に関する整合性が失われ、操作者は操作部材の操作方向のフィードバックが得られなくなるため、エンドエフェクタを直感的に操作することができなくな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、基端側から順に回転関節と屈曲関節とを有するマニピュレータを備えるマニピュレータシステムにおいて、単純な操作のみでエンドエフェクタをどのような方向にも直感的に操作することができ、かつ、操作入力装置を小型化することができるマニピュレータシステムの制御方法および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、先端側から順にエンドエフェクタと関節部とを備えるマニピュレータと、前記エンドエフェクタの移動方向を入力可能な操作入力装置とを備え、前記関節部が、前記エンドエフェクタと前記関節部との配列方向に沿う第１の軸回りに揺動可能な第１の関節と、該第１の関節よりも先端側に位置し前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに揺動可能な第２の関節とを有し、前記操作入力装置が、操作者によって操作可能な操作部材を有し該操作部材が操作されることによって前記移動方向が入力されるマニピュレータシステムの制御方法であって、前記操作入力装置から前記移動方向を受信する受信ステップと、該受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第１の関節を作動させる回転ステップと、該回転ステップの後に、前記受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第２の関節を作動させる屈曲ステップと、前記操作部材になされた操作の物理量の大きさの変化に応じて、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行させる移行ステップとを含み、前記受信ステップは、前記操作部材が操作された２次元の位置または方向に対応する前記移動方向を受信し、前記移行ステップが、同一位置または同一方向の前記操作の前記物理量の変化に応じて、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行するマニピュレータシステムの制御方法を提供する。
本発明によれば、操作者によって操作部材が操作されると、受信ステップにおいて、その操作に応じた移動方向を受信し、回転ステップにおいて、第１の関節が作動することによって第２の関節の揺動方向が移動方向に合わせられ、次に屈曲ステップにおいて、第２の関節の作動によってエンドエフェクタが移動方向へ移動する。これにより、入力された移動方向がどのような方向であったとしても、エンドエフェクタを移動方向へ移動させることができる。
この場合に、移行ステップにおいて、操作部材になされる操作の物理量の大きさの変化に応じて、作動する関節が第１の関節から第２の関節へ切り替えられる。すなわち、操作者は、エンドエフェクタの移動方向に対応する操作を操作部材に与え、その後にその操作の物理量（例えば、時間、距離、圧力）を変更するだけの単純な操作で、エンドエフェクタを所望の方向に直感的に移動させることができる。また、操作入力装置は、少なくともエンドエフェクタの移動方向を入力可能であればよいので、簡易な構成とすることができ、小型化することができる。
上記発明においては、前記受信ステップは、前記操作部材が操作された２次元の位置または方向に対応する前記移動方向を受信し、前記移行ステップが、同一位置または同一方向の前記操作の前記物理量の変化に応じて、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行する。
このようにすることで、操作者が、操作部材の同一位置を操作し、または、操作部材を同一方向へ操作するだけで、第１の関節および第２の関節が順番に作動する。すなわち、術者は、操作部材に配置した手をほとんど動かすことなく、エンドエフェクタを移動させることができる。
また、上記発明においては、前記物理量は、前記操作部材が操作されている時間、または、前記操作部材の移動量であってもよい。
このようにすることで、操作者が、操作部材に一度与えた操作をそのまま継続することによって、または、操作部材の移動量を変更することによって、第１の関節および第２の関節が順番に作動する。これにより、エンドエフェクタを移動させるために必要な術者の手の動きをさらに低減することができる。
また、上記発明においては、前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致しているか否かを判定する屈曲方向判定ステップを含み、前記移行ステップは、前記屈曲方向判定ステップにおいて前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致したと判定された場合に、前記屈曲ステップへ移行してもよい。
このようにすることで、エンドエフェクタを、入力された移動方向に正確に移動させることができる。
また、本発明は、先端側から順にエンドエフェクタと関節部とを有するマニピュレータと、前記エンドエフェクタの移動方向を入力可能な操作入力装置とを備え、前記関節部が、前記エンドエフェクタと前記関節部との配列方向に沿う第１の軸回りに揺動可能な第１の関節と、該第１の関節よりも先端側に位置し前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに揺動可能な第２の関節とを有し、前記操作入力装置が、操作者によって操作可能な操作部材を有し該操作部材が操作されることによって前記移動方向が入力されるマニピュレータシステムの制御方法であって、前記操作入力装置から前記移動方向を受信する受信ステップと、該受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第１の関節を作動させる回転ステップと、該回転ステップの後に、前記受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第２の関節を作動させる屈曲ステップと、前記回転ステップの間に、前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致しているか否かを判定する屈曲方向判定ステップと、該屈曲方向判定ステップにおいて前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致したと判定された場合に、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行させる移行ステップとを含むマニピュレータシステムの制御方法を提供する。
本発明によれば、回転ステップにおいて第１の関節が作動を開始すると、第２の関節の揺動方向が移動方向に一致したか否かが屈曲方向判定ステップにおいて判定され、第２の関節の揺動方向が移動方向に一致したときに、移行ステップによって屈曲ステップへ移行される。これにより、入力された移動方向がどのような方向であったとしても、エンドエフェクタを移動方向へ移動させることができる。
この場合に、操作者は、エンドエフェクタの移動方向に対応する操作を操作部材に与え続けるだけの単純な操作で、エンドエフェクタを所望の方向に直感的に移動させることができる。また、操作入力装置は、少なくともエンドエフェクタの移動方向を入力可能であればよいので、簡易な構成とすることができ、小型化することができる。
また、上記発明においては、前記第２の関節を、所定の初期位置に復帰する復帰ステップを含んでいてもよい。
このようにすることで、第２の関節を所定の初期位置、例えば、エンドエフェクタと第１の関節と第２の関節とが一直線上に配置される位置に復帰させることができる。
また、上記発明においては、前記復帰ステップが、前記第２の関節の前記初期位置への復帰を指令する復帰指令を受信する復帰指令受信ステップを含んでいてもよい。
このようにすることで、操作者は、復帰指令を入力することによって、任意のタイミングで第２の関節を所定の初期位置に復帰させることができる。
また、上記発明においては、前記回転ステップにおける前記第１の関節の作動速度が、前記屈曲ステップにおける前記第２の関節の作動速度よりも大きくてもよい。
このようにすることで、第２の関節の方向合わせは速やかに行われ、その後の第２の関節の屈曲動作はゆっくり行われる。これにより、第２の関節の屈曲動作によるエンドエフェクタの移動を利用して切開等の処置を行う場合に、使い勝手を向上することができる。
また、本発明は、先端側から順にエンドエフェクタと関節部とを備え、前記関節部が、前記エンドエフェクタと前記関節部との配列方向に沿う第１の軸回りに揺動可能な第１の関節と、該第１の関節よりも先端側に位置し前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに揺動可能な第２の関節とを有するマニピュレータと、操作者によって操作可能な操作部材を有し、該操作部材が操作されることによって前記エンドエフェクタの移動方向を入力可能な操作入力装置と、該操作入力装置に入力された前記移動方向に基づいて前記第１の関節および前記第２の関節を順番に作動させる制御装置とを備え、前記操作入力装置は、前記操作部材が操作された２次元の位置または方向に対応する前記移動方向を前記制御装置に送信し、該制御装置が、前記第１の関節を作動させ、その後に、前記操作部材になされた同一位置または同一方向の前記操作の物理量の変化に応じて前記第２の関節を作動させるマニピュレータシステムを提供する。
また、本発明は、先端側から順にエンドエフェクタと関節部とを備え、前記関節部が、前記エンドエフェクタと前記関節部との配列方向に沿う第１の軸回りに揺動可能な第１の関節と、該第１の関節よりも先端側に位置し前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに揺動可能な第２の関節とを有するマニピュレータと、操作者によって操作可能な操作部材を有し、該操作部材が操作されることによって前記エンドエフェクタの移動方向を入力可能な操作入力装置と、該操作入力装置に入力された前記移動方向に基づいて前記第１の関節および前記第２の関節を順番に作動させる制御装置とを備え、該制御装置が、前記操作入力装置から前記移動方向を受信する受信ステップと、該受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第１の関節を作動させる回転ステップと、該回転ステップの後に、前記受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第２の関節を作動させる屈曲ステップと、前記回転ステップの間に、前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致しているか否かを判定する屈曲方向判定ステップと、該屈曲方向判定ステップにおいて前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致したと判定された場合に、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行させる移行ステップとを実行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、単純な操作のみでエンドエフェクタをどのような方向にも直感的に操作することができ、かつ、操作入力装置を小型化することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムの全体構成図である。 図１のマニピュレータシステムが備える処置具のエンドエフェクタおよび関節部の構成を示す（ａ）先端側から見た正面図および（ｂ）側面図である。 図１のマニピュレータシステムが備える操作入力装置の構成を示す正面図である。 図２のエンドエフェクタおよび関節部の変形例を示す側面図である。 図３の操作入力装置の変形例を示す斜視図である。 図３の方向キーを用いたエンドエフェクタの操作方法を説明する図であり、（ａ）受信ステップ、（ｂ）回転ステップ、および（ｃ）屈曲ステップにおける関節部の動作を示している。 （ａ）内視鏡の挿入部と処置具、（ｂ）内視鏡映像および（ｃ）方向キーの座標系同士の関係を説明する図である。 本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムの制御方法を示すフローチャートである。 図８のマニピュレータシステムの制御方法の変形例を示すフローチャートである。 モード切替ボタンを備える操作入力装置の変形例の正面図である。 マニピュレータシステムの制御方法の変形例を説明する図であり、（ａ）受信ステップ、（ｂ）復帰ステップ、（ｃ）回転ステップおよび（ｄ）屈曲ステップにおける関節部の動作を示している。 マニピュレータシステムの制御方法のもう１つの変形例を説明する図であり、（ａ）受信ステップ、（ｂ）回転ステップおよび（ｃ）屈曲ステップにおける関節部の動作を示している。 復帰ボタンを備える操作入力装置の変形例の正面図である。 （ａ）〜（ｃ）ジョイスティックを備える操作入力装置の変形例を示し、ジョイスティックの動作を説明する図である。
以下に、本発明の一実施形態に係る医療用のマニピュレータシステム１００について図面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１００は、図１に示されるように、軟性の内視鏡１と、該内視鏡１が有するチャネル１２内に長手方向に沿って挿入可能な処置具（マニピュレータ）２と、該処置具２に対する操作指示が術者（操作者）によって入力される操作入力装置３と、処置具２が有する関節部２３を制御する制御装置４とを備えている。
内視鏡１は、可撓性を有する細長い挿入部１１と、該挿入部１１の内部に長手方向に貫通形成されたチャネル１２とを備えている。また、内視鏡１は、先端面に、チャネル１２の出口から突出した処置具２を上側から俯瞰撮影するカメラ１３を有し、該カメラ１３によって取得した内視鏡映像を表示部５に出力する。
なお、内視鏡１は、軟性に限定されるものではなく、用途に応じて硬性のものを使用してもよい。
処置具２は、可撓性を有する細長い胴部２１と、該胴部２１の先端側に位置し治療部位を処置するエンドエフェクタ２２と、胴部２１とエンドエフェクタ２２とを連結する関節部２３と、該関節部２３を駆動する駆動部２４とを備えている。図１において、駆動部２４は、制御装置４と一体に設けられているが、駆動部２４は制御装置４と別体であってもよい。
エンドエフェクタ２２は、例えば、鉗子やハサミ、持針器、電極、ステープラ等の一般的な手術用の処置具に使われる先端部材である。
関節部２３は、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、基端側から順に第１の関節２３ａと第２の関節２３ｂとを有している。第１の関節２３ａは、胴部２１の中心軸と同軸である第１の軸Ａ１回りに回転可能に設けられた回転関節である。第１の関節２３ａの回転によって、エンドエフェクタ２２は、これの周方向に回転することができる。第２の関節２３ｂは、第１の軸Ａ１に垂直な第２の軸Ａ２回りに揺動可能に設けられ、胴部２１の中心軸に交差する方向に屈曲可能な屈曲関節である。第２の関節２３ｂの屈曲によって、エンドエフェクタ２２は、胴部２１の中心軸に交差する方向に移動することができる。ここで、エンドエフェクタ２２は、左右（ＬＲ）方向が規定されており、第２の関節２３ｂおよびエンドエフェクタ２２は、そのＬＲ方向に移動可能に設けられている。
なお、本実施形態においては、説明を簡単にするために、２つの関節２３ａ，２３ｂのみを備える関節部２３について説明するが、関節部２３は、これら２つの関節２３ａ，２３ｂに加えてさらに関節を備えていてもよい。例えば、第２の関節２３ｂの先端側に、第１の軸Ａ１に垂直な第３の軸回りに揺動可能な第３の関節をさらに備えていてもよい。
駆動部２４は、制御装置４から後述する第１の制御信号または第２の制御信号を受信し、第１の制御信号に従って第１の関節２３ａを駆動し、第２の制御信号に従って第２の関節２３ｂを駆動する。
操作入力装置３は、図３に示されるように、術者（操作者）の片方の手に把持可能な形状および寸法を有する本体３１と、該本体３１に設けられた方向キー（操作部材）３２とを備えている。方向キー３２は、本体３１を把持している片方の手の親指Ｔによって操作可能な位置に設けられている。方向キー３２は、上下左右（ＵＤＬＲ）方向が規定されており、２次元の複数方向、好ましくは全方向を入力可能に構成されている。操作入力装置３は、方向キー３２の押下された方向を入力方向（移動方向）として、例えば無線通信によって制御装置４に送信する。
図４および図５は、エンドエフェクタ２２と操作入力装置３の変形例を示している。図４に示されるように、エンドエフェクタ２２である把持鉗子がその両側へ揺動するような構成であってもよい。この場合、把持鉗子を開閉するための開閉スイッチ３４が、本体３１の、例えば方向キー３２に対して背面側に設けられる。
制御装置４は、操作入力装置３から受信した入力方向に基づき第１の制御信号および第２の制御信号を順番に生成し、生成した制御信号を駆動部２４に送信することによって、関節部２３を２段階で制御する。具体的には、制御装置４は、入力方向の受信を開始すると、まず、内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向が入力方向に一致するように、第１の関節２３ａを回転させるための第１の制御信号を生成し、該第１の制御信号を駆動部２４に送信することによって、第１の関節２３ａを回転させる。内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向が入力方向に一致した後、制御装置４は、続いて、第２の関節２３ｂを入力方向へ屈曲させるための第２の制御信号を生成し、該第２の制御信号を駆動部２４に送信することによって、第２の関節２３ｂを屈曲させる。このように、方向キー３２の押下時間（物理量）の経過に伴って第１の関節２３ａと第２の関節２３ｂとが順番に作動することによって、方向キー３２に入力された方向にエンドエフェクタ２２が移動する。
例えば、図６（ａ）〜（ｃ）に示されるように、内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向が内視鏡映像のＬＲ方向（同図のＬＲ方向）に一致している状態で方向キー３２の左下が押下された場合には（図６（ａ）参照。）、制御装置４は、第１の関節２３ａを反時計方向に４５°回転させることによって、内視鏡映像において、エンドエフェクタ２２のＬＲ方向を内視鏡映像の右上と左下とを結ぶ斜め方向へ向ける（図６（ｂ）参照。）。次に、制御装置４は、第２の関節２３ｂをＬ方向へ屈曲させる（図６（ｃ）参照。）。これにより、エンドエフェクタ２２が、方向キー３２に入力された通りに左下へ移動する。
ここで、制御装置４は、操作入力装置３から入力方向を連続して受信している限り、前述した手順で第１の制御信号および第２の制御信号を順番に生成する。もし、操作入力装置３からの入力方向の送信が途切れた場合には、制御装置４は、制御信号の生成を中止することによって駆動部２４を停止させる。すなわち、術者は、方向キー３２の同一方向を押下し続けることによって、第１の関節２３ａと第２の関節２３ｂとを順番に作動させ、エンドエフェクタ２２を所望の方向へ移動させることができる。
上述したように入力方向に対してエンドエフェクタ２２の方向合わせを行うためには、制御装置４が、内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２の現在のＬＲ方向を認識しておく必要がある。図７（ａ）〜（ｃ）は、挿入部１１の座標系Σｅｎｄｏｓｃｏｐｅと、該挿入部１１内の処置具２の座標系Σｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔと、内視鏡映像の座標系Σｄｉｓｐｌａｙと、本体３１の座標系Σｍａｓｔｅｒとの関係を示している。
内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向の向きは、例えば、内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２の形状検出や、エンドエフェクタ２２に設けられたマーカの検出等の画像認識技術を用いて検出される。あるいは、処置具２をチャネル１２に挿入した後に、内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向が所定の初期方向を向くように初期動作を行い、この後の第１の関節２３ａの回転角度をエンコーダ等によって検出し、検出された回転角度を積算することによって、エンドエフェクタ２２の現在のＬＲ方向を算出してもよい。あるいは、初期動作を行うことに代えて、挿入部１１に対する胴部２１の周方向の相対位置が一定となるように、チャネル１２および胴部２１の横断面形状を非円形としたり、チャネル１２内での胴部２１の回転を阻止する構造を設けたりしてもよい。
次に、このように構成されたマニピュレータシステム１００の作用について図８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１００を用いて患部を処置するには、まず、挿入部１１を体内に挿入し、表示部５に表示される内視鏡映像で治療部位が観察される位置に挿入部１１の先端を配置する。次に、チャネル１２内に処置具２を挿入する。術者は、チャネル１２の出口から突出したエンドエフェクタ２２および関節部２３を内視鏡映像で観察することができる。この内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向の向きは、前述したように内視鏡１と処置具２との相対位置が一定となるような構造を設けるか、もしくは画像認識等によって検出され、検出された向きが制御装置４に記憶される（ステップＳ１）。
次に、術者は、内視鏡映像のＵＤＬＲ方向と方向キー３２のＵＤＬＲ方向とが略一致するように本体３１を把持し、方向キー３２を押下することによってエンドエフェクタ２２の移動を開始する。方向キー３２が押下され続けている間、入力方向が連続的に操作入力装置３から制御装置４へ送信される（受信ステップＳ２）。制御装置４は、受信した入力方向に従い、まず、第１の制御信号を生成することによって第１の関節２３ａを回転させ（回転ステップＳ３）、エンドエフェクタ２２のＬＲ方向を入力方向に合わせる（屈曲方向判定ステップＳ４）。エンドエフェクタ２２の方向合わせが完了した後（ステップＳ４のＹＥＳ）、なおも入力方向を受信し続けている場合には（移行ステップＳ５）、制御装置４は、続いて、第２の制御信号を生成することによって第２の関節２３ｂを入力方向へ屈曲させる（屈曲ステップＳ６）。これにより、エンドエフェクタ２２が入力方向へ移動する。
このように、本実施形態によれば、第２の関節２３ｂの屈曲のみでは入力方向へエンドエフェクタ２２を直接移動させることができない場合に、まず、第１の関節２３ａが回転することによって第２の関節２３ｂの屈曲可能な方向が入力方向に一致するように第２の関節２３ｂの方向合わせが行われ、この後に第２の関節２３ｂが入力方向へ屈曲する。このときに、術者は、各関節２３ａ，２３ｂの作動方向や作動量を計算したり、２つの関節２３ａ，２３ｂの各々を操作したりする必要が無く、方向キー３２の、エンドエフェクタ２２を移動させたい方向を押下し続けるだけでよい。
ここで、第１の関節２３ａの動作速度は、第２の関節２３ｂの動作速度よりも大きいことが好ましい。このようにすることで、入力方向への方向合わせは素早く行い、第２の関節２３ｂのスイング動作はゆっくりと行うことができる。このような構成は、第２の関節２３ｂの動作を利用して組織を切開する場合等に使い勝手が良くなり好適である。
このように、単一の単純な操作のみでエンドエフェクタ２２を直感的に任意の所望の方向へ移動させることができるという利点がある。また、術者は、手元の方向キー３２を頻繁に視認する必要が無いので、内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２を注視し続けることが可能となり、エンドエフェクタ２２の操作に意識を集中させることができるという利点がある。さらに、これら関節２３ａ，２３ｂの制御に必要な入力はエンドエフェクタ２２の移動方向のみでよく、簡易な構成の方向キー３２で足りるので、片手に把持可能な小型の操作入力装置３を実現することができる。
なお、第１の関節２３ａは、時計方向および反時計方向に回転可能であるが、回転ステップＳ３における第１の関節２３ａの回転方向は、予め規定された方向であってもよく、状況に応じて選択されてもよい。例えば、時計方向と反時計方向とのうち、回転量が小さくて済む方を制御装置４が選択してもよい。あるいは、内視鏡映像のＬＲ方向と該内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向とが一致しているときの第１の関節２３ａの角度を０°としたときに、第１の関節２３ａの回転角度が９０°を超えると、内視鏡映像のＬＲ方向と、該内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向とが逆になり、内視鏡映像を観察しながらのエンドエフェクタ２２の直感的な操作が困難になる。このような状況を未然に回避するために、第１の関節２３ａの回転角度が−９０°〜＋９０°の範囲内となるように、第１の関節２３ａの回転方向を制御してもよい。また、回転角度が動作限界に近付いた場合には、１８０°回転させてから、回転量が小さくて済む方の方向に回転させてもよい。
また、本実施形態においては、方向キー３２を長押しすることによって、第１の関節２３ａと第２の関節２３ｂとを順番に作動させることとしたが、これに代えて、方向キー３２の押し込み量（物理量、移動量）を変更することによって第１の関節２３ａと第２の関節２３ｂと順番に作動させてもよい。
例えば、方向キー３２が、半押しと全押しとの２段階で押し込み量を変更可能に構成されている場合について図９を参照して説明すると、術者は、まず、方向キー３２を半押しする（受信ステップＳ２）。方向キー３２が半押しされている状態においては（移行ステップＳ７のＮＯ）、制御装置４が第１の制御信号を生成して第１の関節２３ａを回転させ（回転ステップＳ３）、第２の関節２３ｂの方向合わせが行われる（屈曲方向判定ステップＳ４）。第１の関節２３ａの回転が止まってから（ステップＳ４のＹＥＳ）、術者は、方向キー３２を全押しする（受信ステップＳ２）。方向キー３２が全押しされている状態においては（移行ステップＳ７のＹＥＳ）、制御装置４が第２の制御信号を生成して第２の関節２３ｂを屈曲させることによって（屈曲ステップＳ６）、エンドエフェクタ２２が入力方向へ移動する。
このように、方向キー３２の押し込み量の変更によっても、親指Ｔを方向キー３２の同一位置に置いたまま、第１の関節２３ａと第２の関節２３ｂとを順番に連続して作動させることができる。また、上述した長押しを採用した構成と異なり、第２の関節２３ｂの屈曲開始のタイミングを術者が決定することができ、使い勝手をより向上することができる。
もし、第２の関節２３ｂの方向合わせが完了する前に方向キー３２が全押しされてしまった場合には、下記の第１から第３の方法のうちいずれかによって対処することができる。下記の第１から第３の方法のうち１つを術者が選択可能に構成されていてもよい。
第１の方法として、第２の関節２３ｂの方向合わせが完了するまでは第１の関節２３ａの回転を続け、方向合わせが完了した後に第２の関節２３ｂを屈曲させる。
第２の方法として、方向キー３２が全押しされた時点で、第１の関節２３ａの回転を停止し、第２の関節２３ｂの屈曲を開始する。
第３の方法として、両関節２３ａ，２３ｂの作動を強制停止し、第２の関節２３ｂの方向合わせが未完了である旨を示す報知信号を出力する。強制停止は、例えば、方向キー３２の任意の方向が半押しされることによって解除することができる。
また、本実施形態においては、図１０（ａ），（ｂ）に示されるように、第１の関節２３ａを回転させる回転モードおよび第２の関節２３ｂを屈曲させる屈曲モードを択一的に選択するモード切替スイッチ７が本体３１に設けられていてもよい。このモード切替スイッチ７は、親指Ｔとは異なる指で操作可能な位置に設けられており、術者は、親指Ｔを方向キー３２に置いたままモードを切り替え可能になっている。
図１０（ａ），（ｂ）に示されるモード切替スイッチ７は押しボタン式であり、図１０（ａ）に示されるように、モード切替スイッチ７が非押下状態であるときには、制御装置４は、回転モードを選択し、方向キー３２が押下されたときに第１の関節２３ａを回転させる。一方、図１０（ｂ）に示されるように、モード切替スイッチ７が押下状態にあるときには、制御装置４は、屈曲モードを選択し、方向キー３２が押下されたときに第２の関節２３ｂを屈曲させる。ただし、屈曲モードにおいて、制御装置４は、内視鏡映像のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向が入力方向とが一致しているか否かを判定し、一致している場合にのみ第２の関節２３ｂの作動させるようになっている。
このように、モード切替スイッチ７を設けることによっても、エンドエフェクタ２２を直感的に、かつ、親指Ｔを方向キー３２の同一位置に置いたままで操作することができる。
また、本実施形態においては、第２の関節２３ｂが屈曲している状態で方向キー３２に別の方向が入力されたときに、図１１（ａ）〜（ｄ）に示されるように、第２の関節２３ｂを、エンドエフェクタ２２と胴部２１とが一直線上に配置される初期位置に（すなわち、０°に）復帰させる復帰ステップ（図１１（ｂ）参照。）を実行してから、回転ステップＳ３以降（図１１（ｃ），（ｄ）参照。）を実行してもよい。
第２の関節２３ｂが屈曲した状態で第１の関節２３ａを回転させた場合、エンドエフェクタ２２の移動範囲が広くなる。そこで、第１の関節２３ａを回転させる前に、復帰ステップを実行して第２の関節２３ｂを初期位置に復帰させることによって、狭い空間においてもエンドエフェクタ２２を円滑に移動させることができる。
または、図１２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、第２の関節２３ｂが屈曲した状態のまま、回転ステップＳ３以降を実行してもよい。
さらに、復帰ステップを実行してから回転ステップＳ３以降を実行する第１のモードと、復帰ステップを省略して第２の関節２３ｂが屈曲したまま回転ステップＳ３以降を実行する第２のモードとを、状況に応じて切り替え可能に構成されていてもよい。例えば、エンドエフェクタ２２が組織に接触するなどしてエンドエフェクタ２２に所定値以上の外力が作用している場合には、第１のモードを選択し、外力の大きさが所定値未満である場合には第２のモードを選択してもよい。
このモードの切り替えは、制御装置４が、自動で行ってもよく、例えば、エンドエフェクタ２２に所定値以上の外力が作用しているときに、術者に対して第１のモードへの切り替えを促すアラートを出力してもよい。また、第２のモードにおいては、回転ステップＳ３のみ実行し、屈曲ステップＳ６は禁止してもよい。あるいは、第１のモードおよび第２のモードを択一的に選択する手段（例えば、図１０のモード切替スイッチ７と類似のスイッチ）を本体３１に設け、術者が、第１のモードおよび第２のモードのうち一方を選択可能に構成してもよい。
また、本実施形態においては、図１３に示されるように、復帰ボタン８が本体３１に設けられていてもよい。この復帰ボタン８も、本体３１の、親指Ｔとは異なる指で操作可能な位置に設けられていることが好ましい。この場合、制御装置４は、復帰ボタン８が押下されたときに操作入力装置３から復帰指令を受信し（復帰指令受信ステップ）、該復帰指令に基づいて少なくとも第２の関節２３ｂを初期位置に強制的に復帰させる。
このようにすることで、術者が、任意のタイミングで第２の関節２３ｂを初期位置に復帰させることができる。この場合に、第２の関節２３ｂのみならず、第１の関節２３ａも所定の初期位置（例えば、内視鏡映像のＬＲ方向と、該内視鏡映像内のエンドエフェクタ２２のＬＲ方向とが一致する位置）に復帰させるように構成されていてもよい。
また、本実施形態においては、操作部材として、方向キー３２について説明したが、これに代えて、図１４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、２次元の複数方向、好ましくは全方向に傾斜可能なジョイスティック３３を採用してもよい。
この場合、方向キー３２の半押しおよび全押しに対応し、制御装置４は、ジョイスティック３３の傾斜角度（物理量、移動量）の変化に応じて回転ステップＳ３から屈曲ステップＳ６へ移行させる。例えば、ジョイスティック３３が、浅い第１の角度（図１４（ｂ）参照。）と、深い第２の角度（図１４（ｃ）参照。）との間で傾斜角度を変更可能に構成され、制御装置４が、第１の角度のときに回転ステップＳ３を実行し、第２の角度のときに屈曲ステップＳ６を実行するように構成されていてもよい。
このようにしても、術者は、ジョイスティック３３を一の方向へ傾斜させ、その後に傾斜角度を変更するだけの単純な操作で、エンドエフェクタ２２を任意の所望の方向へ直感的に移動させることができる。
１ 内視鏡
１１ 挿入部
１２ チャネル
１３ カメラ
１００ マニピュレータシステム
２ 処置具（マニピュレータ）
２１ 胴部
２２ エンドエフェクタ
２３ 関節部
２３ａ 第１の関節
２３ｂ 第２の関節
２４ 駆動部
３ 操作入力装置
３１ 本体
３２ 方向キー（操作部材）
３３ ジョイスティック（操作部材）
４ 制御装置
５ 表示部
７ モード切替スイッチ
８ 復帰ボタン
Ａ１ 第１の軸
Ａ２ 第２の軸
Ｔ 親指
Ｓ２，Ｓ５ 受信ステップ
Ｓ３ 回転ステップ
Ｓ４ 屈曲方向判定ステップ
Ｓ５，Ｓ７ 移行ステップ
Ｓ６ 屈曲ステップ

Claims (9)

  1. 先端側から順にエンドエフェクタと関節部とを有するマニピュレータと、前記エンドエフェクタの移動方向を入力可能な操作入力装置とを備え、前記関節部が、前記エンドエフェクタと前記関節部との配列方向に沿う第１の軸回りに揺動可能な第１の関節と、該第１の関節よりも先端側に位置し前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに揺動可能な第２の関節とを有し、前記操作入力装置が、操作者によって操作可能な操作部材を有し該操作部材が操作されることによって前記移動方向が入力されるマニピュレータシステムの制御方法であって、
    前記操作入力装置から前記移動方向を受信する受信ステップと、
    該受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第１の関節を作動させる回転ステップと、
    該回転ステップの後に、前記受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第２の関節を作動させる屈曲ステップと、
    前記操作部材になされた操作の物理量の大きさの変化に応じて、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行させる移行ステップとを含み、
    前記受信ステップは、前記操作部材が操作された２次元の位置または方向に対応する前記移動方向を受信し、
    前記移行ステップが、同一位置または同一方向の前記操作の前記物理量の変化に応じて、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行するマニピュレータシステムの制御方法。
  2. 前記物理量は、前記操作部材が操作されている時間、または、前記操作部材の移動量である請求項１に記載のマニピュレータシステムの制御方法。
  3. 前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致しているか否かを判定する屈曲方向判定ステップを含み、
    前記移行ステップは、前記屈曲方向判定ステップにおいて前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致したと判定された場合に、前記屈曲ステップへ移行する請求項１または請求項２に記載のマニピュレータシステムの制御方法。
  4. 先端側から順にエンドエフェクタと関節部とを有するマニピュレータと、前記エンドエフェクタの移動方向を入力可能な操作入力装置とを備え、前記関節部が、前記エンドエフェクタと前記関節部との配列方向に沿う第１の軸回りに揺動可能な第１の関節と、該第１の関節よりも先端側に位置し前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに揺動可能な第２の関節とを有し、前記操作入力装置が、操作者によって操作可能な操作部材を有し該操作部材が操作されることによって前記移動方向が入力されるマニピュレータシステムの制御方法であって、
    前記操作入力装置から前記移動方向を受信する受信ステップと、
    該受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第１の関節を作動させる回転ステップと、
    該回転ステップの後に、前記受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第２の関節を作動させる屈曲ステップと、
    前記回転ステップの間に、前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致しているか否かを判定する屈曲方向判定ステップと、
    該屈曲方向判定ステップにおいて前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致したと判定された場合に、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行させる移行ステップとを含むマニピュレータシステムの制御方法。
  5. 前記第２の関節を、所定の初期位置に復帰する復帰ステップを含む請求項１から請求項４のいずれかに記載のマニピュレータシステムの制御方法。
  6. 前記復帰ステップが、前記第２の関節の前記初期位置への復帰を指令する復帰指令を受信する復帰指令受信ステップを含む請求項５に記載のマニピュレータの制御方法。
  7. 前記回転ステップにおける前記第１の関節の作動速度が、前記屈曲ステップにおける前記第２の関節の作動速度よりも大きい請求項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の制御方法。
  8. 先端側から順にエンドエフェクタと関節部とを備え、前記関節部が、前記エンドエフェクタと前記関節部との配列方向に沿う第１の軸回りに揺動可能な第１の関節と、該第１の関節よりも先端側に位置し前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに揺動可能な第２の関節とを有するマニピュレータと、
    操作者によって操作可能な操作部材を有し、該操作部材が操作されることによって前記エンドエフェクタの移動方向を入力可能な操作入力装置と、
    該操作入力装置に入力された前記移動方向に基づいて前記第１の関節および前記第２の関節を順番に作動させる制御装置とを備え、
    前記操作入力装置は、前記操作部材が操作された２次元の位置または方向に対応する前記移動方向を前記制御装置に送信し、
    該制御装置が、前記第１の関節を作動させ、その後に、前記操作部材になされた同一位置または同一方向の前記操作の物理量の変化に応じて前記第２の関節を作動させるマニピュレータシステム。
  9. 先端側から順にエンドエフェクタと関節部とを備え、前記関節部が、前記エンドエフェクタと前記関節部との配列方向に沿う第１の軸回りに揺動可能な第１の関節と、該第１の関節よりも先端側に位置し前記第１の軸に垂直な第２の軸回りに揺動可能な第２の関節とを有するマニピュレータと、
    操作者によって操作可能な操作部材を有し、該操作部材が操作されることによって前記エンドエフェクタの移動方向を入力可能な操作入力装置と、
    該操作入力装置に入力された前記移動方向に基づいて前記第１の関節および前記第２の関節を順番に作動させる制御装置とを備え、
    該制御装置が、
    前記操作入力装置から前記移動方向を受信する受信ステップと、
    該受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第１の関節を作動させる回転ステップと、
    該回転ステップの後に、前記受信ステップにおいて受信された前記移動方向に基づいて前記第２の関節を作動させる屈曲ステップと、
    前記回転ステップの間に、前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致しているか否かを判定する屈曲方向判定ステップと、
    該屈曲方向判定ステップにおいて前記第２の関節の揺動可能な方向が前記移動方向と一致したと判定された場合に、前記回転ステップから前記屈曲ステップへ移行させる移行ステップとを実行するマニピュレータシステム。
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