JP6147459B2 - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents

Description

本発明は、医療用マニピュレータシステムに関する。
本願は、２０１５年５月２９日に、日本に出願された特願２０１５−１０９７５８号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、医療用に使用されるマニピュレータシステムが知られている。
たとえば特許文献１には、処置スレーブ装置と組み合わせて使用可能な挿入スレーブ装置と、処置スレーブ装置と相似形である挿入マスタとを備えた医療用システムが開示されている。
たとえば特許文献２には、体内で処置をするために開閉動作可能な開閉部と、開閉部に対して操作入力を行うために開閉操作可能なマスタグリップとを備えた医療用のマニピュレータシステムが開示されている。
たとえば特許文献３には、少なくとも一つの関節を有するマニピュレータの動作を制御する制御装置として、関節に与えられる入力値とこの入力値により生じる出力値とに基づいて、関節の制御系に加わる外乱を打ち消すように入力値を修正する装置が開示されている。

国際公開第２０１０／０５５７４５号 特開２０１３−０３４８５１号公報 特開平６−２９７３６８号公報

マスタスレーブ方式の医療用マニピュレータシステムにおいて、スレーブマニピュレータの一部に対して相似形をなす入力手段を備えたマスタマニピュレータは、マスタとスレーブとの相似関係を維持するように制御される。体内の処置対象部位に対して処置を行っている間に、マスタとスレーブとの相似関係が崩れた場合には、医療用マニピュレータシステムは、体内に配されたスレーブの姿勢がマスタの姿勢に倣うように、スレーブを動作させる制御を行う。このとき、マスタが事前にスレーブの姿勢に倣うように操作者がマスタを移動させることにより、体内でのスレーブの移動量を最小限に抑えつつマスタとスレーブとの相似関係を回復させることが考えられる。
しかしながら、スレーブの形状に対して相似となるようにマスタを移動させるためには、スレーブがどのような形状にあるかをたとえば内視鏡を用いて把握する必要があり、相似関係を回復するまでに長時間を要する。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、マスタスレーブ方式で動作するスレーブに対するマスタの相似関係を短時間で回復させることができる医療用マニピュレータシステムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、第一関節を有するマニピュレータと、前記第一関節の姿勢を検知する第一検知手段と、前記第一関節を動作させるために前記第一関節と対応付けされた第二関節を有する操作部と、前記第二関節の姿勢を検知する第二検知手段と、前記第二検知手段が検知した前記第二関節の姿勢に基づいて前記第一関節を動作させるための信号を出力する制御部と、前記制御部から出力される情報を表示する表示部と、を備え、前記表示部による前記情報の表示は、前記第一検知手段によって検知された前記第一関節の姿勢を基準として定められた所定の姿勢の範囲を示す第一の表示と、前記第二検知手段によって検知された前記第二関節の姿勢を示す第二の表示と、を含む医療用マニピュレータシステムである。
前記制御部は、前記第二関節の姿勢が前記第一の表示で示される姿勢の範囲内である場合に、前記第一関節の角度と前記第二関節の角度とを一致させるように前記第一関節を動作させる信号を出力してもよい。

前記制御部は、前記第一関節の角度に対する前記第二関節の角度を前記情報として前記表示部へ出力してもよい。

前記制御部は、前記第一関節の角度及び前記第二関節の角度に基づいて、前記第二関節の角度が前記第一関節の角度と一致するまでの前記第二関節の動作手順を算出し、算出された動作手順を前記情報として前記表示部へ出力してもよい。

本発明によれば、マスタスレーブ方式で動作するスレーブに対するマスタの相似関係を短時間で回復させることができる医療用マニピュレータシステムを提供することができる。

本発明の第１実施形態の医療用マニピュレータシステムを示す全体図である。 同医療用マニピュレータシステムの一部を示す斜視図である。 同医療用マニピュレータシステムの模式図である。 同医療用マニピュレータシステムのブロック図である。 同医療用マニピュレータシステムの動作を説明するためのフローチャートである。 同医療用マニピュレータシステムの動作を説明するためのフローチャートである。 同医療用マニピュレータシステムにおける表示部の画面表示の一例を示す模式図である。 同実施形態の変形例における表示部の画面表示の一例を示す模式図である。 同実施形態の他の変形例における表示部の画面表示の一例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の医療用マニピュレータシステムにおける表示部の画面表示の一例を示す模式図である。 本発明の第３実施形態の医療用マニピュレータシステムにおける表示部の画面表示の一例を示す模式図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の医療用マニピュレータシステムを示す全体図である。図２は、医療用マニピュレータシステムの一部を示す斜視図である。図３は、医療用マニピュレータシステムの模式図である。図４は、医療用マニピュレータシステムのブロック図である。

図１に示す本実施形態の医療用マニピュレータシステム１は、マスタマニピュレータ２と、スレーブマニピュレータ１０と、コントローラ３０（制御部）とを備えている。

マスタマニピュレータ２は、操作入力装置３と、表示部８とを有している。

操作入力装置３は、スレーブマニピュレータ１０に設けられた後述する処置具１５や内視鏡１００等の医療機器を体外から操作するために設けられている。図１及び図３に示すように、操作入力装置３は、操作者が操作入力装置３を動作させるために把持する操作部４と、操作者の肘を載せることができる直動機構５とを有している。

図３に示すように、操作部４は、操作者が把持するグリップ部４ａと、複数の関節６（第二関節）及びエンコーダ７（第二検知手段）を有する多関節アーム４ｂとを有する。操作者が操作入力装置３の操作部４を把持して多関節アーム４ｂを移動させる動作は、各エンコーダ７によって、処置具１５や内視鏡１００（図１及び図２参照）等を動作させるために必要な情報に変換される。
本実施形態の多関節アーム４ｂは、図３に示すように、処置具１５に設けられた関節部１８の構成に対応している。すなわち、多関節アーム４ｂは、処置具１５の関節部１８の形状と相似形状とすることが可能となるように、処置具１５の関節部１８と同一またはそれ以上の自由度を有している。

図１に示すように、直動機構５は、腕置き台５ａと、操作部４に固定されたスライダ５ｂとを備えている。直動機構５は、腕置き台５ａに乗せた腕によってスライダ５ｂを水平方向に移動させることにより、操作部４を把持した姿勢を維持したままで、操作部４の位置を移動させることができるようになっている。直動機構５を用いて操作部４を移動させることによって、スレーブ側の医療用オーバーチューブ１１からの長尺部１７の突出量を操作でき、処置具１５を移動することができる。

表示部８は、後述する内視鏡１００が撮像した画像や、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１の操作に必要な情報等を表示するために設けられている。表示部８は、コントローラ３０に接続されている。表示部８は、コントローラ３０が出力するビデオ信号に基づいた映像を表示する。表示部８の構成は特に限定されない。

図１に示すように、スレーブマニピュレータ１０は、医療用オーバーチューブ１１と、処置具１５と、モータユニット２４と、スレーブアーム２７とを有している。

図２に示すように、医療用オーバーチューブ１１は、処置具１５を取り付けるための第一ルーメン１２及び第二ルーメン１３と、内視鏡１００を取り付けるための第三ルーメン１４とを有している。医療用オーバーチューブ１１は、患者の口等の自然開口から消化管内等に挿入可能な筒状であればよい。また、必要に応じて、医療用オーバーチューブ１１は、体外における操作に応じて湾曲動作可能であってもよい。なお、医療用オーバーチューブ１１は、上記の構成には限られず、処置具１５が医療用オーバーチューブ１１の先端から突出した状態で処置具１５が医療用オーバーチューブ１１に固定される構成を有していてもよい。

処置具１５は、医療用オーバーチューブ１１の第一ルーメン１２又は第二ルーメン１３に取り付けることができるマニピュレータである。本実施形態では、処置具１５は、医療用オーバーチューブ１１の第一ルーメン１２に対して進退可能となるように第一ルーメン１２に挿入可能な第一処置具１５Ａと、医療用オーバーチューブ１１の第二ルーメン１３に対して進退可能となるように第二ルーメン１３に挿入可能な第二処置具１５Ｂとを有している。なお、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１は、処置具１５を２つ有していることには限らず、処置具１５を１つだけ有していてもよいし、処置具１５を３つ以上有していてもよい。
本実施形態では、第一処置具１５Ａと第二処置具１５Ｂとは、体内の処置対象部位に対して切開、把持、縫合等の処置をするための構成を有している。第一処置具１５Ａの構成と第二処置具１５Ｂの構成とは、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。以下では、２つの処置具１５のうちの第一処置具１５Ａの構成に関して説明し、第二処置具１５Ｂに関する説明は省略される。

図３に示すように、第一処置具１５Ａ（以下、単に「処置具１５」という。）は、エンドエフェクタ１６と、長尺部１７と、第一の基端部２３とを有している。

図２及び図３に示すエンドエフェクタ１６は、体内の処置対象部位に対して処置をするために、処置具１５の先端に設けられている。
エンドエフェクタ１６の構成は、処置対象部位に対して作用する処置部であればよく、特に限定されない。たとえば、エンドエフェクタ１６は、把持鉗子、切開ナイフ、電極など体内の組織に対して外科的処置をするものであってもよく、体内を観察するための光学的又は超音波的な観察装置であってもよい。たとえば、エンドエフェクタ１６は、図３に示すように、駆動ワイヤＷ２による牽引操作に応じて開閉動作可能な一対のジョーを有する把持鉗子や、高周波電流が通電されて組織を切開するナイフ等であってよい。

図３に示す長尺部１７は、エンドエフェクタ１６を体内の処置対象部位まで案内するために体内に挿入される長尺な可撓性部材である。本実施形態では、長尺部１７は、全体として可撓性を有しており、エンドエフェクタ１６を、口等の自然開口から消化管内等を通じ消化管等の走行に沿って処置対象部位まで案内することができる。なお、長尺部１７は、可撓性を有していてもよいし、実質的に直線状をなす硬質な部材であってもよい。以下では、可撓性を有する長尺部１７の構成の一例が示されている。

可撓性を有する長尺部１７は、関節部１８と、可撓管部２２とを有している。

関節部１８は、長尺部１７の中心線方向に並べられ互いに連結された複数の関節要素１９（第一関節）と、各関節要素１９を繋ぐ棒状部２０とを有している。各関節要素１９において関節部１８が屈曲変形することにより、関節部１８は全体として湾曲変形可能である。また、関節部１８に設けられた複数の関節要素１９は、長尺部１７の中心線を屈曲させるように変形可能なものや、長尺部１７の中心線を回転中心として基端側に対して先端側を回転させるように動作可能なものなどを含んでいてよい。関節部１８における最も先端側の関節要素１９は、関節部１８を湾曲変形させるための力量を第一の基端部２３側から伝達するアングルワイヤＷ１に接続されている。

可撓管部２２（図３参照）は、医療用オーバーチューブ１１（図２参照）が湾曲された状態にあるときの第一ルーメン１２又は第二ルーメン１３の湾曲形状に倣った湾曲形状となることができる程度に柔軟性を有する筒状部材である。可撓管部２２の内部には、関節部１８を湾曲変形させるためのアングルワイヤＷ１と、エンドエフェクタ１６を動作させるための駆動ワイヤＷ２と、が挿通されている。

第一の基端部２３は、後述するモータユニット２４に対して着脱可能である。第一の基端部２３は、エンドエフェクタ１６及び関節部１８を動作させるための動力をモータユニット２４から受けて、アングルワイヤＷ１及び駆動ワイヤＷ２に動力伝達を行う。

モータユニット２４は、第一の基端部２３に対して着脱可能な第二の基端部として、処置具１５の基端側に着脱可能である。モータユニット２４は、エンドエフェクタ１６及び関節部１８を動作させるための動力を発するアクチュエータ２５等と、各関節要素１９の角度を検知するエンコーダ２６（第一検知手段）とを有している。モータユニット２４は、スレーブ制御部３２（図４参照）による制御に従って動作する。

図１に示すように、スレーブアーム２７は、モータユニット２４（第二の基端部）が取り付けられた多関節ロボットであり、マスタマニピュレータ２に対する操作者による操作に基づいてスレーブ制御部３２（図４参照）が与える指令に従って動作する。

図４に示すように、コントローラ３０は、マスタ制御部３１と、スレーブ制御部３２と、モード制御部３３と、関節角度計算部３４と、表示制御部３５とを有している。

マスタ制御部３１は、図１に示すマスタマニピュレータ２の操作入力装置３に対する操作に従って各エンコーダ７（図４参照）が出力する情報に基づいて、操作入力装置３に対して操作者が行う操作を受け付け、スレーブ制御部３２を動作させるための所定の指令を生成してスレーブ制御部３２へと出力する。マスタ制御部３１の構成は特に限定されず、公知の動作フローが適宜適用されてもよい。

スレーブ制御部３２は、マスタ制御部３１が生成してスレーブ制御部３２へと出力した上記の所定の指令に基づいて、スレーブアーム２７及び処置具１５を動作させる。すなわち、スレーブ制御部３２は、スレーブアーム２７及び処置具１５に対して指令を与える。

モード制御部３３は、マスタマニピュレータ２（図１参照）に対する操作に従ってスレーブマニピュレータ１０を動作させるモードである第一モードと、スレーブマニピュレータ１０に設けられた処置具１５とマスタマニピュレータ２の操作入力装置３とが相似関係を有するように処置具１５及び操作入力装置３を動作させるモードである第二モードと、スレーブマニピュレータ１０がマスタマニピュレータ２の操作に従わずにスレーブマニピュレータ１０の位置と姿勢が保持される第三モードとの切り替えを行う。

関節角度計算部３４は、上記の３つのモードにおいて関節部１８（図３参照）の姿勢及び操作入力装置３（図３参照）の姿勢を検知するために、コントローラ３０に設けられている。関節角度計算部３４は、多関節アーム４ｂを構成する各関節６に設けられたエンコーダ７から各関節６の角度を示す情報を取得する。また、関節角度計算部３４は、モータユニット２４に設けられたエンコーダ２６から各関節要素１９の角度を示す情報を取得する。エンコーダ２６はモータユニットのアクチュエータ２５の角度情報を取得しているので、関節角度計算部３４は、アクチュエータから処置具１５の各関節要素１９までの間の機械的要素を考慮して、各関節要素１９の角度を算出する。
エンコーダ２６が各関節要素１９に設けられた構成でもよい。

関節角度計算部３４は、処置具１５の関節部１８に設けられた各関節要素１９の可動範囲として処置具１５ごとに予め定められた範囲を特定する情報を有している。さらに関節角度計算部３４は、処置具１５の関節部１８に設けられた各関節要素１９の可動範囲のうち、体内で関節部１８を動作させる際にエンドエフェクタ１６や関節部１８が体内の組織に接触しない程度の移動範囲として、現在の関節部１８の位置を基準としてあらかじめ定められた一定の角度範囲を、形状同期可能範囲として規定する。

関節角度計算部３４は、多関節アーム４ｂの各関節６及び処置具１５の関節部１８の角度を示す情報，処置具１５の関節部１８に設けられた各関節要素１９の可動範囲を示す情報，及び上記の形状同期可能範囲を示す情報を、表示制御部３５へと出力する。

表示制御部３５は、多関節アーム４ｂの各関節６及び処置具１５の関節部１８の角度を示す情報，処置具１５の関節部１８に設けられた各関節要素１９の可動範囲を示す情報，及び上記の形状同期可能範囲を示す情報に基づいて、処置具１５の関節部１８を構成する各関節要素１９の角度に対する多関節アーム４ｂの各関節６の角度を視覚的にユーザに伝達するための画像情報を生成する。

表示制御部３５が生成する画像情報は、多関節アーム４ｂの各関節６及び処置具１５の関節部１８の角度を示す情報，処置具１５の関節部１８に設けられた各関節要素１９の可動範囲を示す情報，及び上記の形状同期可能範囲を示す情報に基づいた数値を示すものでもよいし、処置具１５の姿勢に対する操作入力装置３の姿勢をユーザに直感的に理解させるための図形を示すものでもよい。

以下では、処置具１５の姿勢に対する操作入力装置３の姿勢をユーザに直感的に理解させるために表示制御部３５が図形を示す場合について例示する。
表示制御部３５による制御に従って表示部８に表示される図形は、たとえば図７に示すように、第一の枠表示４１と、第二の枠表示４２と、線状表示４３とからなる。

図７に示す第一の枠表示４１は、処置具１５の関節部１８における各関節要素１９の可動範囲を示す。
図７に示す第二の枠表示４２は、第一の枠表示４１内において上記の形状同期可能範囲を示す。
図７に示す線状表示４３は、第一の枠表示４１内において、処置具１５の関節部１８の各関節要素１９に対応する操作入力装置３の関節６の角度を示す。
これらの表示は、処置具１５の関節部１８に設けられた関節要素１９ごとに、並べて表示部８に表示される。
第一の枠表示４１に対する線状表示４３の位置は、処置具１５の関節部１８に対する操作入力装置３の多関節アーム４ｂの相対移動に応じて変化する。

本実施形態の医療用マニピュレータシステム１の作用について説明する。図５は、医療用マニピュレータシステムの動作を説明するためのフローチャートである。図６は、医療用マニピュレータシステムの動作を説明するためのフローチャートである。図７は、医療用マニピュレータシステムにおける表示部の画面表示の一例を示す模式図である。

図１に示す本実施形態の医療用マニピュレータシステム１では、スレーブマニピュレータ１０に設けられた処置具１５は、マスタマニピュレータ２に設けられた操作入力装置３をユーザが操作することによって、動作する。

また、処置具１５の関節部１８は、操作入力装置３の多関節アーム４ｂに対して相似な関係を有するように維持される。すなわち、体内におけるエンドエフェクタ１６及び関節部１８の位置及び姿勢は、操作部４及び多関節アーム４ｂの位置及び姿勢と連動するようにコントローラ３０により制御される。

ところで、処置具１５はモータユニット２４によって動作させることができるが、操作入力装置３には操作入力装置３を動作させるアクチュエータなどの手段がない。そのため、操作入力装置３に従って処置具１５を動作させるようになっていない第三モードでは、処置具１５においては第三モードに移行した直前の位置と姿勢が保持されるが、操作入力装置３においては操作者が自由に姿勢を変えることができる。この場合、操作入力装置３の多関節アーム４ｂの位置や姿勢と処置具１５の関節部１８の位置や姿勢とが、互いに相似関係にないという事態となる。

ここで、上記の事態になったときに、コントローラ３０は、処置具１５の関節部１８と操作入力装置３の多関節アーム４ｂとの相似関係を回復するための以下のフローを実行することができる。

まず、マスタマニピュレータ２に対するユーザによる入力等に基づいて、コントローラ３０は、処置具１５の関節部１８と操作入力装置３の多関節アーム４ｂとの相似関係を回復するための上記の第二モードへと、第一モード（又は第三モード）から移行する。

第二モードでは、まず、マスタマニピュレータ２とスレーブマニピュレータ１０との電気的接続をモード制御部３３が切断する（図５に示すステップＳ１）。ステップＳ１では、たとえば、マスタマニピュレータ２とスレーブマニピュレータ１０との間の電気的接続の一部をモード制御部３３が切断する。ステップＳ１によって、たとえば、操作入力装置３を操作しても処置具１５が動作しないように、スレーブ制御部３２に対するマスタ制御部３１からの指令がモード制御部３３により無効化される。
これでステップＳ１は終了し、ステップＳ２へ進む。

図５に示すステップＳ２は、表示部８に、多関節アーム４ｂ及び関節部１８の姿勢を示す情報を表示するステップである。
ステップＳ２では、関節角度計算部３４が、多関節アーム４ｂの各関節６及び処置具１５の関節部１８の角度を示す情報，処置具１５の関節部１８に設けられた各関節要素１９の可動範囲を示す情報，及び上記の形状同期可能範囲を示す情報を、表示制御部３５へと出力する。表示制御部３５は、たとえば図７に示すように表示部８に上記の情報に対応する図形を表示する。これにより、ユーザは、処置具１５の関節部１８に対する多関節アーム４ｂの相対位置及び姿勢のずれの有無及びその大きさを知ることができる。

ステップＳ２における第一の枠表示４１，第二の枠表示４２，及び線状表示４３の生成フローの一例について詳述する。
まず、関節角度計算部３４が、処置具１５の関節部１８に設けられた各エンコーダ２６から、各関節要素１９の関節角度を取得する（図６に示すステップＳ２１）。

ステップＳ２１の後、関節角度計算部３４が、操作入力装置３の多関節アーム４ｂに設けられた各エンコーダ７から、各関節６の関節角度を取得する（図６に示すステップＳ２２）。

ステップＳ２２の後、関節角度計算部３４は、上記のステップＳ２１において関節角度計算部３４が取得した関節角度を、表示制御部３５へと出力する。表示制御部３５は、ステップＳ２１において取得された関節角度（処置具１５の各関節要素１９の角度）を中心とし、各関節要素１９の可動範囲の上限及び下限を両端に有する矩形状の第一の枠表示４１を表示部８に表示させる（図６に示すステップＳ２３）。

ステップＳ２３の後、関節角度計算部３４は、各関節要素１９の可動範囲における上限側での形状同期可能上限値を計算して表示制御部３５へと出力する。表示制御部３５は、第一の枠表示４１内で、第一の枠表示４１の中央から上記の形状同期可能上限値までの範囲を強調表示する（図６に示すステップＳ２４）。すなわち、ステップＳ２４では、表示制御部３５は、形状同期可能範囲の上側領域を表示部８に表示させる。ステップＳ２４における強調表示とは、形状同期可能上限値に境界線を示したり、第一の枠表示４１の中央から上記の形状同期可能上限値までの範囲を所定の強調色で矩形状に示したりすることにより、第一の枠表示４１内で形状同期可能範囲を区別可能とする表示手段である。

ステップＳ２４の後、関節角度計算部３４は、各関節要素１９の可動範囲における下限側での形状同期可能下限値を計算して表示制御部３５へと出力する。表示制御部３５は、第一の枠表示４１内で、第一の枠表示４１の中央から上記の形状同期可能下限値までの範囲を強調表示する（図６に示すステップＳ２５）。すなわち、ステップＳ２５において、表示制御部３５は、形状同期可能範囲の下側領域を表示部８に表示させる。ステップＳ２５における強調表示とは、形状同期可能下限値に境界線を示したり、第一の枠表示４１の中央から上記の形状同期可能下限値までの範囲を所定の強調色で矩形状に示したりすることにより、第一の枠表示４１内で形状同期可能範囲を区別可能とする表示手段である。

上記のステップＳ２４，及びステップＳ２５により、各関節要素１９の可動範囲を示す第一の枠表示４１内に、例えば第二の枠表示４２として表示させることにより、形状同期可能範囲が区画される。

ステップＳ２５の後、表示制御部３５は、ステップＳ２２において取得された関節角度（多関節アーム４ｂの各関節６の角度）に基づいて、上記のステップＳ２３において生成した第一の枠表示４１内に重ねて表示する線状表示４３を表示部８に表示させる動作を開始する。
ステップＳ２５は、第二モードが終了して第一モードへ移行するまで繰り返し実行される。これにより、第一の枠表示４１内で、現在の各関節６の角度を示すように線状表示４３が所定間隔で更新される。

上記のステップＳ２１からステップＳ２５までのフローの次に、図５に示すステップＳ３が開始される。

ステップＳ３は、多関節アーム４ｂの姿勢を示す線状表示４３に基づいてユーザが操作入力装置３を移動させるステップである。
ステップＳ３では、ユーザが手作業で操作入力装置３を移動させる動作に追従して、多関節アーム４ｂの角度を示す線状表示４３が更新されている。すなわち、表示部８に表示される線状表示４３は第一の枠表示４１の範囲内で、ユーザによる操作入力装置３の操作に応じて移動する。ユーザは、形状同期可能範囲の内側に線状表示４３が位置するように操作入力装置３を移動させる。
ステップＳ３における操作入力装置３の移動は、処置具１５の関節部１８に対する多関節アーム４ｂの厳密な位置合わせではなく、形状同期可能範囲として定められた許容範囲に多関節アーム４ｂの各関節６の角度があればよい。このため、ユーザの手作業による操作入力装置３の移動操作が簡単である。
これでステップＳ３は終了し、ステップＳ４へ進む。

図５に示すステップＳ４は、多関節アーム４ｂの各関節６が形状同期可能範囲内にあるか否かを判定するステップである。
ステップＳ４において多関節アーム４ｂの各関節６が形状同期可能範囲内にあると判定されるまでステップＳ４は繰り返され、多関節アーム４ｂの各関節６が形状同期可能範囲内にあると判定されたらステップＳ５へと進む。

ステップＳ５は、ステップＳ４において多関節アーム４ｂの各関節６が形状同期可能範囲内にあるという条件が満たされた後に開始される。ステップＳ５は、多関節アーム４ｂと相似形状をなすように関節部１８を動作させるステップである。
ステップＳ５では、操作入力装置３の多関節アーム４ｂの位置及び姿勢に対応して処置具１５の関節部１８が相似関係を満たすように、スレーブ制御部３２が関節部１８を動作させる。たとえば、ステップＳ５では、関節角度計算部３４が、多関節アーム４ｂに設けられた各関節６の角度と、これらの各関節６に対応付けられた処置具１５の関節部１８の各関節要素１９の角度とが一致するように、処置具１５の関節部１８を動作させる。上記のステップＳ３において形状同期可能範囲内で大まかに手作業で位置合わせされた多関節アーム４ｂ及び関節部１８は、ステップＳ５において精度よく相似関係を有して位置決めされる。ステップＳ５における関節部１８の移動領域の大きさは、ステップＳ３において形状同期可能範囲に多関節アーム４ｂがあることにより、エンドエフェクタ１６及び関節部１８が体内の組織等に接触しない程度に狭い。
これでステップＳ５は終了し、第二モードから第一モードへ移行して、処置具１５を用いた処置を開始することができる。

以上に説明したように、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１によれば、ユーザの手作業による位置合わせは大まかに形状同期可能範囲内に合せるだけでよい。このため、処置具１５の関節部１８の位置及び姿勢と操作入力装置３の多関節アーム４ｂの位置及び姿勢が精度よく相似関係となるまで手作業で操作入力装置３を操作する場合と比較して、処置具１５に対する操作入力装置３の相似関係を短時間かつ少ない移動量で回復させることができる。

また、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１の表示制御部３５は、処置具１５の関節部１８の各関節要素１９の角度に対する多関節アーム４ｂの各関節６の角度を対応付けて表示部８へと出力する。すなわち、本実施形態のコントローラ３０は、処置具１５の各関節要素１９の角度に対する多関節アーム４ｂの各関節６の角度を表示部８へと出力する。その結果、処置具１５に対して操作入力装置３がどの程度ずれた状態にあるのかをユーザに認識させやすく、さらに、どのように操作入力装置３を移動させればよいのかをユーザに直感的に理解させることができる。

（変形例１）
上記実施形態の変形例について説明する。図８は、本変形例における表示部の画面表示の一例を示す模式図である。
本変形例では、表示制御部３５による表示部８への表示態様が上記実施形態と異なっている。
本変形例における表示制御部３５は、上記第１実施形態におけるステップＳ２３及びステップＳ２４において、処置具１５の関節部１８に設けられた関節要素１９の現在の角度に対する多関節アーム４ｂの対応する関節６の角度の違いを、図８に示すように百分率で示すグラフとして表示部８へと出力する。

一例を挙げると、本変形例では、処置具１５の関節要素１９の現在の角度を１００％として第一の枠表示４１の中央に設定し、関節要素１９の可動範囲の限界点を、＋０％，−０％として第一の枠表示４１の両端に設定する。ここで、＋０％とは、多関節アーム４ｂの対応する関節６の角度が、関節要素１９の可動範囲におけるプラス方向（上限側）において関節要素１９の可動範囲の限界点となる角度となっていることを示す。また、−０％とは、多関節アーム４ｂの対応する関節６の角度が、関節要素１９の可動範囲におけるマイナス方向（下限側）において関節要素１９の可動範囲の限界点となる角度となっていることを示す。

本変形例では、第一の枠表示４１に示されている百分率の数値の絶対値が大きいほうが、処置具１５の関節要素１９の現在の角度に多関節アーム４ｂの対応する関節６の角度が近い。
このような表示の仕方でも上記実施形態と同様の効果を奏する。
また、本実施形態では、各関節要素１９の可動範囲を角度でなく百分率で示すことにより、各関節要素１９の絶対的な可動範囲の角度が要素ごとに異なっていても、同じ大きさの第一の枠表示４１を用いて違和感なく表示できる。その結果、本変形例では、表示部８の画面表示領域を上記実施形態よりも効率よく利用できる。

（変形例２）
次に、上記実施形態の他の変形例について説明する。図９は、本変形例における表示部の画面表示の一例を示す模式図である。
本変形例では、多関節アーム４ｂをどのように動作させれば多関節アーム４ｂの各関節６が形状同期可能範囲内の角度となるのかが表示制御部３５から表示部８に出力されて表示部８に表示される。

たとえば、関節角度計算部３４は、操作入力装置３に設けられた多関節アーム４ｂの各関節６の現在の個々の角度の情報から、多関節アーム４ｂの最も基端にある関節６から操作部４に至るまでの各関節６の向きを順運動学計算により取得する。

さらに、表示制御部３５は、関節角度計算部３４が取得した各関節６の向きと、関節角度計算部３４が上記第１実施形態と同様に取得した関節部１８の各関節要素１９の角度及び形状同期可能範囲と、を用いて、操作部４をどのように移動させればよいかを示すメッセージ４４（図９参照）を生成する。たとえば、表示制御部３５は、表示部８に対して、上記第１実施形態におけるステップＳ２５で各関節要素１９の角度を示す線状表示４３が更新されるたびにメッセージ４４を更新表示する。

本変形例では、ユーザが操作部４を把持して多関節アーム４ｂを動作させることにより、多関節アーム４ｂを構成する関節６の屈曲状態が変化する。表示制御部３５から表示部８へと出力されて表示部８に表示されるメッセージ４４に従ってユーザが操作部４を動作させることにより、操作入力装置３の多関節アーム４ｂの姿勢は、処置具１５の関節部１８と相似関係を回復可能な形状同期可能範囲内に収まる。表示部８に表示されるメッセージ４４は、多関節アーム４ｂをどのように動かすと多関節アーム４ｂの各関節６の角度が関節部１８の各関節要素１９の角度と一致するのかをユーザに提示している。表示制御部３５がメッセージ４４を表示部８に出力することは、多関節アーム４ｂの各関節６の角度が関節部１８の各関節要素１９の角度と一致するまでの動作手順を算出して表示部８へと出力することとなっている。
このように本実施形態では、コントローラ３０が多関節アーム４ｂの動作手順を算出して表示部８へと出力するので、ユーザは動作手順に従って操作をするだけでよく、処置具１５に対する操作入力装置３の相似関係を短時間で回復させることができる。

なお、本変形例において、ユーザは、操作部４を把持するのでなく、多関節アーム４ｂを構成する各関節６の近傍を把持して多関節アーム４ｂを動かしてもよい。この場合、多関節アーム４ｂの基端側に位置する関節６から操作部４側へ向かって各関節６をメッセージ４４に従って順番に移動させることにより、全ての関節６を容易に形状同期可能範囲内に収めることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態において上記の第１実施形態と共通する構成要素については第１実施形態と同一の符号が付されており、重複する説明は省略される。図１０は、本実施形態の医療用マニピュレータシステムにおける表示部の画面表示の一例を示す模式図である。

図１０に示すように、本実施形態では、表示部８に表示される図形の形状が上記第１実施形態と異なっている。具体的には、本実施形態では、表示制御部３５は、第一の枠表示４１及び第二の枠表示４２を、所定の中心を有する扇型として表示部８へ出力する。さらに、表示制御部３５は、多関節アーム４ｂの各関節６の角度に基づいて、上記の所定の中心に端部を有してこの所定の中心を回転中心として回動する線状表示４３を表示部８へ出力する。

また、本実施形態では、上記第１実施形態の変形例２と同様に、操作部４を把持した状態で操作入力装置３をどのように動かせばよいかを示すメッセージ４４を表示制御部３５が表示部８へ出力する。

本実施形態では、関節部１８及び多関節アーム４ｂが、所定の軸を回転中心としてそれぞれ回転する複数の回転関節を有する場合に、関節部１８に対する多関節アーム４ｂの姿勢のずれの程度を直感的な図形表示によりユーザに伝えることができる。その結果、各回転関節をどのように動かせば形状同期可能範囲内に多関節アーム４ｂの各関節６を収めることができるのかがユーザに直感的に理解され、処置具１５に対する操作入力装置３の相似関係を短時間で回復させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図１１は、本実施形態の医療用マニピュレータシステムにおける表示部の画面表示の一例を示す模式図である。

図１１に示すように、本実施形態では、表示制御部３５（図４参照）が、処置具１５の関節部１８の形状を示す第一のＣＧ（コンピュータグラフィクス）画像４５と、多関節アーム４ｂの形状を示す第二のＣＧ画像４６とを、表示部８に重ねて表示する。

表示制御部３５は、処置具１５の関節部１８における最も基端側の関節要素１９と、多関節アーム４ｂにおいて処置具１５に対応する関節６のうち最も基端側にある関節６とが重なるように第一のＣＧ画像４５及び第二のＣＧ画像４６を重ねて一枚の画像とする。

処置具１５の関節部１８に対して相似となるように操作入力装置３を移動させる第二モードにおいて、第一のＣＧ画像４５及び第二のＣＧ画像４６が表示部８に表示される。

さらに、表示制御部３５は、上記第１実施形態の変形例２と同様に、多関節アーム４ｂをどのように移動させればよいかを示すメッセージ４４を、第一のＣＧ画像４５及び第二のＣＧ画像４６に対してさらに重ねて表示する。本実施形態では、多関節アーム４ｂをどのように移動させればよいかを示すメッセージ４４は、多関節アーム４ｂの各関節６の近傍に、関節６ごとに個別に記号等により表示される。たとえば、多関節アーム４ｂをどのように移動させればよいかを示すメッセージ４４は、多関節アーム４ｂを構成する各関節６の回動中心を中心として弧状の矢印（図１１に符号Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３で示す）であってもよい。

また、上記の第一のＣＧ画像４５及び第二のＣＧ画像４６は、関節部１８及び多関節アーム４ｂを複数の視点で示すように２セット以上生成されてもよい。

たとえば、処置具１５を平面視したような画像を含む１セット目の画像（図１１において左側に示されている）に加えて、処置具１５を基端側から先端側へ向かって見たような画像を含む２セット目の画像（図１１において右側に示されている）を表示制御部３５が表示部８に表示してもよい。この場合、２セット目の画像には、多関節アーム４ｂをどのように移動させればよいかを示すメッセージ４４として、多関節アーム４ｂを構成する各関節６よりも基端側に位置する根元部４ｘ及び関節部１８の基端の中心線Ｏを中心とする円弧状の矢印（図１１に符号Ｘ４で示す）であってもよい。

本実施形態では、処置具１５や多関節アーム４ｂの位置関係を把握しやすいＣＧ画像を用いることができるので、上記第１実施形態や第２実施形態のようにグラフ状の表示に基づいて操作をするよりも、ユーザにとって直感的な操作によって、処置具１５に対する操作入力装置３の相似関係を短時間で回復させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
また、上述の各実施形態及び各変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

本発明は、医療用マニピュレータシステムに利用できる。

１ 医療用マニピュレータシステム
２ マスタマニピュレータ
３ 操作入力装置
４ 操作部
４ａ グリップ部
４ｂ 多関節アーム
５ 直動機構
５ａ 肘置き台
５ｂ スライダ
６ 関節
７ エンコーダ
８ 表示部
１０ スレーブマニピュレータ
１１ 医療用オーバーチューブ
１２ 第一ルーメン
１３ 第二ルーメン
１４ 第三ルーメン
１５ 処置具
１５Ａ 第一処置具
１５Ｂ 第二処置具
１６ エンドエフェクタ
１７ 長尺部
１８ 関節部
１９ 関節要素
２０ 棒状部
２２ 可撓管部
２３ 第一の基端部
２４ モータユニット（第二の基端部）
２５ アクチュエータ
２６ エンコーダ
２７ スレーブアーム
３０ コントローラ
３１ マスタ制御部
３２ スレーブ制御部
３３ モード制御部
３４ 関節角度計算部
３５ 表示制御部
４１ 第一の枠表示
４２ 第二の枠表示
４３ 線状表示
４４ メッセージ
４５ 第一のＣＧ画像
４６ 第二のＣＧ画像
１００ 内視鏡

Claims (4)

1. 第一関節を有するマニピュレータと、
   前記第一関節の姿勢を検知する第一検知手段と、
   前記第一関節を動作させるために前記第一関節と対応付けされた第二関節を有する操作部と、
   前記第二関節の姿勢を検知する第二検知手段と、
   前記第二検知手段が検知した前記第二関節の姿勢に基づいて前記第一関節を動作させるための信号を出力する制御部と、
   前記制御部から出力される情報を表示する表示部と、
   を備え、
   前記表示部による前記情報の表示は、前記第一検知手段によって検知された前記第一関節の姿勢を基準として定められた所定の姿勢の範囲を示す第一の表示と、前記第二検知手段によって検知された前記第二関節の姿勢を示す第二の表示と、を含む
   医療用マニピュレータシステム。
2. 前記制御部は、前記第二関節の姿勢が前記第一の表示で示される姿勢の範囲内である場合に、前記第一関節の角度と前記第二関節の角度とを一致させるように前記第一関節を動作させる信号を出力する
   請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
3. 前記制御部は、前記第一関節の角度に対する前記第二関節の角度を前記情報として前記表示部へ出力する
   請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
4. 前記制御部は、前記第一関節の角度及び前記第二関節の角度に基づいて、前記第二関節の角度が前記第一関節の角度と一致するまでの前記第二関節の動作手順を算出し、算出された動作手順を前記情報として前記表示部へ出力する
   請求項３に記載の医療用マニピュレータシステム。

Images