JP6164964B2 - 医療用システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療用システムおよびその制御方法に関するものである。

従来、関節を有するスレーブアームを遠隔操作する操作入力装置として、スレーブアームの関節構成と相似構造の関節構成を有するマスタアームを備える医療用システムが知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。このようなシステムによれば、マスタアームの動きに対応する動きをスレーブアームに再現させることができるので、操作者は、マスタアームの形状や動きからスレーブアームの形状や動きを直接的に認識しながら、スレーブアームを直感的に操作することができる。

特許第３５８３７７７号公報 特許第４６０８６０１号公報 特許第４１７６１２６号公報

実際の手術中において、患部を牽引するときや、針掛け後の糸結びのときなどには、精細な動作以外にスレーブアームを比較的大きく動かす必要がある。この場合、術者は、スレーブアームと患者体内の周辺組織との位置関係にも注意を払う必要があるため、関節部を含めたスレーブアーム全体の形状および姿勢を正確に把握したいという要求がある。一方、患部の緻密な処置等の際には、先端処置部が設けられているスレーブアームの先端を正確に動かす必要がある。この場合、術者は、スレーブアームの全体の形状や姿勢は気にせずに、スレーブアームの先端の操作のみに意識を集中させたいという要求がある。

一方、異構造のマスタスレーブ間におけるスケール変換の技術が一般的によく知られている（例えば、特許文献３参照）。これに対し、相似構造のマスタスレーブにおいては、特許文献１，２のシステムのように、マスタアームの操作量に対するスレーブアームの動作量の比率（モーションスケール比）は、マスタアームとスレーブアームとの構造比に応じて一意に決まっており、状況に応じてスレーブアームの操作条件を変更することができない。したがって、患部に対する大まかな処置と緻密な処置のような、異なる場面における相反する要求に対応することができず、使い勝手が悪いという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、スレーブアームと相似構造のマスタアームを用いて、スレーブアームの直感的な操作性を維持しながらも、大まかな操作と緻密な操作の両方に対応することができ、使い勝手を向上することができる医療用システムおよびその制御方法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、多関節のスレーブアームと、該スレーブアームと相似構造の関節構成を有し、操作者によって操作されるマスタアームと、該マスタアームになされた操作に基づいて前記スレーブアームを制御する制御部とを備え、該制御部は、前記マスタアームに対して前記スレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第１の制御モードと、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化に前記スレーブアームの先端部の所定の部位の位置が追従するように前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第２の制御モードとの間で切り替え可能であり、前記制御部は、前記第１の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の回転量と同じ回転量だけ前記スレーブアームの対応する各関節を回転させ、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化量に基づいて前記スレーブアームの逆運動学を計算し、得られた解に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転量を制御する医療用システムを提供する。

本発明によれば、スレーブアームとマスタアームとの関節構成が互いに相似構造であるので、マスタアームを用いてスレーブアームを直感的に操作することができる。
この場合に、制御部は、第１の制御モードにおいては、マスタアームの全体の動きにスレーブアームの全体を追従させる。したがって、第１の制御モードは、スレーブアームを比較的大きく動かして大まかな操作を行うのに適している。一方、制御部は、第２の制御モードにおいては、マスタアームの先端部の所定の部位の動きにスレーブアームの先端部の所定の部位を追従させる。したがって、スレーブアームの先端部の所定の部位を正確に操作して緻密な操作を行うのに適している。このように、大まかな操作と緻密な操作の両方に対応することができ、使い勝手を向上することができる

上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記スレーブアームの形状の変化量が最小となるように、前記スレーブアームを制御してもよい。
このようにすることで、スレーブアームの全体の動作量が最小限に抑制されるので、操作者は、スレーブアームの先端部の所定の部位の操作にさらに意識を集中させることができる。
また、上記発明においては、予め登録された所定の関節（例えば、構造的に組織と干渉する確率の高い関節）の動きを最小にするように、前記スレーブアームを制御してもよい。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記スレーブアームの、先端から任意の数の関節について、前記マスタアームと相似形となるようにこれら関節の回転動作を制御してもよい。
このようにすることで、スレーブアームの先端部をより直感的に操作することができる。

また、上記発明においては、前記マスタアームになされた操作量に対する前記スレーブアームの動作量の比率が、前記第１の制御モードにおいては所定の一定値であり、前記第２の制御モードにおいては、前記所定の一定値未満であってもよい。
このようにすることで、第２の制御モードにおけるスレーブアームの動作量が、第１の制御モードにおけるそれに比べて小さくくなる。これにより、第２の制御モードを、緻密な操作にさらに適したモードにすることができる。

また、上記発明においては、前記マスタアームになされた操作量に対する前記スレーブアームの動作量の比率が、前記第１の制御モードにおいては所定の一定値であり、前記第２の制御モードにおいては、前記所定の一定値未満であり、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置に基づいて前記スレーブアームの逆運動学を計算し、得られた複数の解のうち、前記スレーブアームの形状が前記マスタアームの形状と最も近似する解を選択してもよい。
このようにすることで、第２の制御モードを、緻密な操作にさらに適したモードにすることができると共に、マスタアームに基づいてスレーブアームの形状および姿勢を大まかに認識することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の変位量と前記スレーブアームの各関節の変位量との差異の総和が最小となる解を選択してもよい。
また、上記発明においては、前記制御部は、前記スレーブアームおよび前記マスタアームの各々の根元部分の中心軸を通り該中心軸上で互いに直交する２つの平面によって分割してなる４つの空間を仮定した場合に、前記マスタアームが位置する空間と対応する空間に前記スレーブアームが位置する解を選択してもよい。
このようにすることで、簡単な計算によって、マスタアームの形状および姿勢に、スレーブアームの形状および姿勢が近似する解を選定することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの最も先端側の関節の位置および姿勢に対応する位置および姿勢に前記スレーブアームの最も先端側の関節を配置するように前記スレーブアームを制御してもよい。

また、上記発明においては、前記操作量に対する前記動作量の比率を変更する動作比率変更手段を備えていてもよい。
このようにすることで、前記比率を必要に応じて適切な値に変更することができ、使い勝手をさらに向上することができる。

上記発明においては、前記第１の制御モードおよび前記第２の制御モードのうち一方を操作者が選択する制御モード手動変更手段を備えていてもよい。
このようにすることで、操作者が任意のタイミングで制御モードを切り替えることができる。制御モード手動変更手段は、スイッチのような入力部であってもよい。

また、上記発明においては、前記スレーブアームの使用の条件、状況または環境に応じて制御モードを切り替える制御モード自動変更手段を備えていてもよい。
このようにすることで、適切なタイミングで適切な制御モードに自動的に切り替えることができる。
また、上記発明においては、前記制御モード自動変更手段が、前記スレーブアームの種類に応じて前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとを切り替えてもよい。
このようにすることで、各スレーブアームの用途に適した制御モードに自動的に切り替えることができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードから前記第１の制御モードに移行するときに、該第１の制御モードに先立ち、前記マスタアームおよび前記スレーブアームの各関節の変位量を互いに対応させるように、前記マスタアームおよび前記スレーブアームのうち少なくとも一方を動かす復帰フローを実行してもよい。
このようにすることで、マスタアームとスレーブアームの全体の位置および姿勢が対応している状態で第１の制御モードを円滑に開始することができる。

また、本発明は、多関節のスレーブアームと、該スレーブアームと相似構造の関節構成を有し、操作者によって操作されるマスタアームとを備える医療用システムの制御方法であって、前記スレーブアームを制御する制御モードを、前記マスタアームに対して前記スレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第１の制御モードと、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化に前記スレーブアームの先端部の所定の部位の位置が追従するように前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化量に基づいてスレーブアームの各関節の回転動作を制御する第２の制御モードとの間で切り替え可能であり、前記第１の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の回転量と同じ回転量だけ前記スレーブアームの対応する各関節を回転させ、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化量に基づいて前記スレーブアームの逆運動学を計算し、得られた解に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転量を制御する医療用システムの制御方法を提供する。

本発明によれば、スレーブアームと相似構造のマスタアームを用いて、スレーブアームの直感的な操作性を維持しながらも、大まかな操作と緻密な操作の両方に対応することができ、使い勝手を向上することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る医療用システムの全体構成を示すブロック図である。 図１の医療用システムが備えるマニピュレータの先端部分の構成を示す外観図である。 図１の医療用システムが備えるスレーブアームおよびマスタアームの関節構成を模式的に示す図である。 図３のスレーブアームの、第１の制御モードにおける動作を説明する図である。 図３のスレーブアームの、第２の制御モードにおける動作を説明する図である。 図１の医療用システムの制御部によるマニピュレータの制御方法を示すフローチャートである。 図６の第１の制御モードルーチンを示すフローチャートである。 図６の第２の制御モードルーチンを示すフローチャートである。 逆運動学の解の選択方法の変形例を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る医療用システムの全体構成を示すブロック図である。 図１０の医療用システムが備えるスレーブアームおよびマスタアームの関節構成を模式的に示す図である。 図１１のスレーブアームの、第１の制御モードにおける動作を説明する図である。 図１１のスレーブアームの、第２の制御モードにおける動作を説明する図である。 図１０の医療用システムの制御部によるマニピュレータの制御方法を示すフローチャートである。 図１４の第２の制御モードルーチンを示すフローチャートである。 制御モードの切り替え方法の変形例を説明する図である。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る医療用システム１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る医療用システム１００は、図１に示されるように、患者Ｐの体内に挿入されるマニピュレータ１と、患者Ｐが横たわる手術台の周辺に配置される操作入力部２および制御部３とを備えている。

まず、医療用システム１００の概要について説明する。マニピュレータ１の先端には、後述するように、内視鏡５およびスレーブアーム６が設けられている。術者（操作者）Ｏｐが、肛門から患者Ｐの体内にマニピュレータ１を挿入し、内視鏡５によって撮影された体内の画像を操作入力部２に設けられた表示部１０で観察しながら操作入力部２を操作すると、操作入力部２になされた操作に基づいて制御部３がマニピュレータ１を制御する。これにより、術者Ｏｐは、体内に位置するマニピュレータ１を遠隔操作し、マニピュレータ１が有するスレーブアーム６によって体内を処置することができる。

次に、医療用システム１００の各構成について詳細に説明する。
マニピュレータ１は、図２に示されるように、体内に挿入される細長い軟性部４と、該軟性部４の先端に設けられた内視鏡５およびスレーブアーム６とを備えている。なお、図１および図２には、２つのスレーブアーム６を有する双腕型のマニピュレータ１が示されているが、マニピュレータ１は、単一のスレーブアーム６を有する１腕型であってもよく、３以上のスレーブアーム６を有していてもよい。

スレーブアーム６は、複数の関節を有し、その先端には鉗子や電気メス等の処置部８が設けられている。
操作入力部２は、術者Ｏｐによって操作されるマスタアーム９と、表示部１０とを備えている。マスタアーム９は、個々のスレーブアーム６に対応して設けられている。

図３は、スレーブアーム６およびマスタアーム９の関節構成を模式的に示したものである。図３に示されるように、マスタアーム９は、スレーブアーム６が有する関節構成と相似構造の関節構成を有している。本例において、スレーブアーム６は、根元側から順に、ロール関節Ｊ１’と、ヨー関節Ｊ２’と、ロール関節Ｊ３’と、ヨー関節Ｊ４’とを有している。同様に、マスタアーム９も、根元側から順に、ロール関節Ｊ１と、ヨー関節Ｊ２と、ロール関節Ｊ３と、ヨー関節Ｊ４とを有している。ロール関節Ｊ１’，Ｊ３’，Ｊ１，Ｊ３は、各アーム６，９の根本から先端までアーム６，９の長手方向に伸びるロール軸周りに回転し、ヨー関節Ｊ２’，Ｊ４’，Ｊ２，Ｊ４は、ロール軸に直交する（図３において、紙面に直交する）ヨー軸周りに回転する。また、両アーム６，９の、隣接する関節間の距離の比は、同一である。

マスタアーム９の各関節Ｊｉ（ｉ＝１，２，３，４）には、エンコーダのような角度検出器が設けられている。操作入力部２は、各関節Ｊｉの角度の変化量θｉ（ｉ＝１，２，３，４）を角度検出器によって検出し、検出された４つの変化量θｉを、操作信号として制御部３に出力する。

制御部３は、操作入力部２から受信した操作信号に基づいて、スレーブアーム６の各関節Ｊｉ’（ｉ＝１，２，３，４）を駆動させるための駆動信号を生成し、生成した駆動信号をマニピュレータ１に送信する。マニピュレータ１は、制御信号に従って各関節Ｊｉ’を回転させることによって、スレーブアーム６が動くようになっている。

さらに、本実施形態に係る医療用システム１００は、モーションスケール比変更手段（動作比率変更手段）１１を備えている。モーションスケール比変更手段１１は、例えば、操作入力部２に設けられ、術者Ｏｐが、モーションスケール比として、任意の値を設定可能に設けられている。ここで、モーションスケール比とは、後で詳述するように、下式によって定義される。
モーションスケール比＝（スレーブアームの移動量）／（マスタアームの移動量）
なお、モーションスケール比変更手段１１は、モーションスケール比を、マスタアーム９とスレーブアーム６との構造比によって定められるスケール比と、このスケール比未満の所定の値との間で段階的に切り替え可能に設けられていてもよい。

モーションスケール比変更手段１１によって選択されているモーションスケール比は制御部３に送信され、制御部３は、受信したモーションスケール比に基づき、スレーブアーム６を制御するための制御モードを、「第１の制御モード」と「第２の制御モード」との間で切り替える。
次に、この制御部３によるスレーブアーム６の制御方法について、詳細に説明する。

「第１の制御モード」は、スレーブアーム６の全体を、マスタアーム９の全体の動きに追従させるモードである。具体的には、制御部３は、図４に示されるように、マスタアーム９の各関節Ｊｉの変化量θｉと同じ量だけ、スレーブアーム６の各関節Ｊｉ’を回転させる。このときの、マスタアーム９になされた操作量と、スレーブアーム６の動作量との比（モーションスケール比）は、マスタアーム９とスレーブアーム６との構造比となる。モーションスケール比変更手段１１には、この構造比が、モーションスケール比のデフォルト比として設定されている。

「第２の制御モード」は、受信したモーションスケール比が、第１の制御モードにおいて構造的に定められている、前述のデフォルト比未満であるときに制御部３が選択するモードであって、スレーブアーム６の先端を、マスタアーム９の先端の動きに追従させるモードである。

具体的には、制御部３は、操作入力部２から受信した各関節Ｊｉの変化量θｉを用い、マスタアーム９の順運動学を計算することによって、図５に示されるように、マスタアーム９の動作座標系におけるマスタアーム９の先端の、各方向の移動量ｄｘ，ｄｙ，ｄｚを算出する。次に、制御部３は、得られた移動量ｄｘ，ｄｙ，ｄｚを、スレーブアーム６の作動座標系における各方向の移動量ｄｘ’，ｄｙ’，ｄｚ’に変換する。次に、制御部３は、得られた移動量ｄｘ’，ｄｙ’，ｄｚ’に基づき、スレーブアーム６の逆運動学を計算することによって、スレーブアーム６の各関節Ｊｉ’の回転量θｉ’を解として算出し、得られた回転量θｉ’だけ各関節Ｊｉ’を回転させる。
なお、移動量ｄｘ’，ｄｙ’，ｄｚ’については、表示部１０に表示されるスレーブアーム６の動作方向がマスタアーム９の操作方向と一致するように、表示部１０の座標系に変換した後の移動量に変換されることが望ましい。

ここで、制御部３は、移動量ｄｘ’，ｄｙ’，ｄｚ’にモーションスケール比ｋを乗算し、得られた移動量ｋｄｘ’，ｋｄｙ’，ｋｄｚ’を逆運動学の計算に用いる。このモーションスケール比ｋは、術者Ｏｐが、モーションスケール比変更手段１１に対して設定したモーションスケール比である。

このような「第２の制御モード」で制御されるスレーブアーム６の先端は、マスタアーム９の先端の移動方向と対応する方向に移動するが、その移動量は、マスタアーム９の先端の移動量に対して縮小される。例えば、モーションスケール比が「０．２」に設定されている場合、マスタアーム９の移動量に対して、スレーブアーム６の先端の移動量は、５分の１となる。

ここで、逆運動学において、図５に示されるように、スレーブアーム６の先端を移動量ｋｄｘ’，ｋｄｙ’，ｋｄｚ’だけ移動させる回転量θｉ’の組み合わせは複数存在し得るため、逆運動学の解が複数得られる可能性がある。図５には、一例として、２つの解（解１，解２）が示されている。制御部３は、複数の解が得られた場合には、スレーブアーム６の全体の形状が、マスタアーム９の全体の形状に最も近似する解（図５の例においては、解２）、例えば、対応する関節Ｊｉ，Ｊｉ’同士の回転角度の差異の総和が最小である解を採用する。

次に、このように構成された医療用システム１００の作用について図６から図８を参照して説明する。
本実施形態に係る医療用システム１００を用いて患者Ｐの体内を処置するためには、マニピュレータ１の軟性部４を患者Ｐの体内に挿入し、内視鏡５によって取得される体内の映像を表示部１０において観察しながら、マニピュレータ１の先端を患部の近傍まで移動させる。次に、術者Ｏｐは、表示部１０に表示される映像を観察しながら、マスタアーム９を操作してスレーブアーム６を動かし、例えば、患部を処置するために必要な前処置を患部やその周辺に対して施す。

このときに、術者Ｏｐは、通常、図６に示されるように、モーションスケール比変更手段１１によって（ステップＳ１のＹＥＳ）、スレーブアーム６を「第１の制御モード」で動作させる（ステップＳ２）。

「第１の制御モード」においては、図７に示されるように、スレーブアーム６の各関節Ｊｉ’は、マスタアーム９の各関節Ｊｉの変化量θｉと同じ量だけ回転させられることによって（ステップＳ２１，Ｓ２２）、スレーブアーム６全体が、マスタアーム９全体の動きに追従する（ステップＳ２３）。すなわち、マスタアーム９全体の形状および姿勢は、スレーブアーム６全体の形状および姿勢と対応しているので、術者Ｏｐは、スレーブアーム６の現在の形状および姿勢をマスタアーム９から直接的に認識することができる。したがって、例えば、狭い管腔内でスレーブアーム６を操作している最中にスレーブアーム６の肘部（関節Ｊ２，Ｊ４）が内腔壁を押圧していないか等、スレーブアーム６の全体の形状にも注意を払いながらスレーブアーム６を適切に操作することができる。

次に、患部を処置するときに、術者Ｏｐは、処置部８を患部の近傍に配置した後、モーションスケール比変更手段１１によってモーションスケール比を、「第１の制御モード」において定められているデフォルト比未満の値、例えば、「０．２」に設定する（ステップＳ１のＮＯ）。これにより、スレーブアーム６は「第２の制御モード」で制御されるようになる（ステップＳ３）。

「第２の制御モード」においては、図８に示されるように、マスタアーム９の先端の移動に基づき（ステップＳ３１，Ｓ３２）、スレーブアーム６の先端がマスタアーム９の先端の動きに追従するように（ステップＳ３３，Ｓ３５）、スレーブアーム６が制御される（ステップＳ３６）。このときのスレーブアーム６の先端の動作量は、マスタアーム９の先端の操作量に対して５分の１となり（ステップＳ３４）、スレーブアーム６の先端は低速で微動する。したがって、術者Ｏｐは、スレーブアーム６先端の処置部８の繊細な動きも容易に実現することができ、処置部８による緻密な処置を正確に行うことができる。

また、「第２の制御モード」において、スレーブアーム６の先端を、患部とその周辺の限られた範囲で動かしている限り、スレーブアーム６の全体が大きく動くことはない。したがって、術者Ｏｐは、スレーブアーム６の全体の形状に注意を払う必要がなく、スレーブアーム６の先端の操作のみに意識を集中させることができる。さらに、ステップＳ３３における逆運動学の計算において、複数の解が得られた場合には、右マスタアーム１１Ｒに近い形状の解が選択され、スレーブアーム６の全体の形状および姿勢は、マスタアーム９の全体の形状および姿勢と大まかに対応している。したがって、術者Ｏｐは、スレーブアーム６の形状および姿勢をマスタアーム９から大まかに認識することができる。

このように、本実施形態によれば、スレーブアーム６の大きな動きが要求される場面と、緻密な動きが要求される場面とで、モーションスケール比を変更することによって、それぞれの場面に適した条件でスレーブアーム６を操作することができ、使い勝手を向上することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、両アーム６，９の構造比によって決まるモーションスケール比、または、これ未満のモーションスケール比でスレーブアーム６を駆動させることとしたが、これに加えて、前記構造比を超えるモーションスケール比でスレーブアーム６を駆動可能であってもよい。
このようにすることで、モーションスケール比を前記構造比よりも大きな値に設定することによって、スレーブアーム６全体をより大きく動かすことができ、例えば、広範囲の大まかな処置等に有効である。

また、本実施形態においては、「第２の制御モード」から「第１の制御モード」へ切り替えるときに、制御部３が、「第１の制御モード」の開始に先立ち、復帰フローを実行することが好ましい。復帰フローにおいて、制御部３は、スレーブアーム６およびマスタアーム９のうち少なくとも一方を動かすことによって、両アーム６，９の位置および姿勢を互い対応させる。

上記の復帰フローは、制御部３による自動実行に代えて、術者Ｏｐがマスタアーム９を操作することによって手動で行ってもよい。この場合、両アーム６，９の位置および姿勢を完全に対応させることは難しいので、制御部３は、両アーム６，９の各関節Ｊｉ，Ｊｉ’同士の回転角度のずれが所定の範囲内となったときに、復帰フローを終了してもよい。また、この場合、制御部３は、術者Ｏｐによるマスタアーム９の操作を誘導する表示を表示部１０に表示してもよい。

また、本実施形態においては、逆運動学の計算において複数の解が得られたときに、両アーム６，９の全体の形状が互いに最も近似する解を採用することとしたが、解の選択方法はこれに限定されるものではない。
例えば、最も先端側の関節Ｊ４，Ｊ４’同士の位置が対応する解を選択してもよい。この場合には、処置部８の姿勢が、マスタアーム９の先端部分の姿勢と対応するので、術者Ｏｐは、処置部８をより直感的に操作することができる。

または、図９に示されるように、スレーブアーム６が、第１から第４の空間のうち、マスタアーム９と同じ象限に位置する解を採用してもよい。第１から第４の空間は、各アーム６，９の根元部分の中心軸Ａを定義し、該軸Ａを通り互いに直交する２つの平面によって分割された４つの空間である。この場合には、スレーブアーム６の全体の姿勢を、マスタアーム９の全体の姿勢と対応させることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る医療用システム２００について図１０から図１６を参照して説明する。
本実施形態に係る医療用システム２００は、図１０に示されるように、制御モード手動変更手段１２を備えている点と、「第２の制御モード」の内容とにおいて、第１の実施形態と主に異なっている。したがって、本実施形態においては、制御モード手動変更手段１２と「第２の制御モード」と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。

なお、本実施形態においては、図１１に示されるように、比較的多い数（本例においては、７個）の関節Ｊｉ’，Ｊｉ（ｉ＝１，２，…，７）を有するスレーブアーム６およびマスタアーム９について説明する。本実施形態においても、スレーブアーム６およびマスタアーム９は、互いに、相似構造の関節構成を有している。なお、本実施形態においても、第１の実施形態で説明した比較的少ない数の関節を有するスレーブアーム６およびマスタアーム９を用いてもよい。

制御モード手動変更手段１２は、例えば、操作入力部２に設けられ、「第１の制御モード」および「第２の制御モード」のうち一方を術者Ｏｐによって選択可能に設けられている。制御モード手動変更手段１２によって選択されている制御モードを示す信号は制御部３に送信され、制御部３は、受信した信号が指定する制御モードでスレーブアーム６を制御する。
次に、この制御部３によるスレーブアーム６の制御方法について詳細に説明する。「第１の制御モード」は、図１２に示されるように、関節の数が異なる点を除いて第１の実施形態において説明した「第１の制御モード」と同様であるので、説明を省略する。

「第２の制御モード」は、スレーブアーム６の先端を、マスタアーム９の先端の動きに追従させるモードである。具体的には、図１３に示されるように、制御部３は、操作入力部２から受信した各関節Ｊｉの変化量θｉ（ｉ＝１，２，…，７）を用い、第１の実施形態と同様の手順によって、スレーブアーム６の先端の移動量ｄｘ’，ｄｙ’，ｄｚ’を得て、この移動量ｄｘ’，ｄｙ’，ｄｚ’を用いてスレーブアーム６の逆運動学を計算する。ここで、複数の解が得られた場合に、制御部３は、各関節Ｊｉ’の回転量θｉ’（ｉ＝１，２，…，７）の総和が最小となる解、すなわち、スレーブアーム６の全体の動作量が最小となる解を採用する。

次に、このように構成された医療用システム２００の作用について図１４および図１５を参照して説明する。
本実施形態においては、制御モード手動変更手段１２によって「第１の制御モード」を選択する（ステップＳ１’のＹＥＳ）ことを除き、処置部８を患部の近傍に配置するまでの手順は、第１の実施形態と同様である。

次に、処置部８を患部の近傍に配置した後、術者Ｏｐは、図１４に示されるように、制御モード手動変更手段１２によって「第１の制御モード」から「第２の制御モード」に切り替える（ステップＳ１’のＮＯ）。本実施形態の「第２の制御モード」においては、図１５に示されるように、マスタアーム９の先端の移動に基づき（ステップＳ３１，Ｓ３２）、スレーブアーム６の先端がマスタアーム９の先端の動きに正確に追従するように（ステップＳ３３，Ｓ３５’）、スレーブアーム６が制御される（ステップＳ３６）。ただし、このときのスレーブアーム６の全体の動作量は最小限に抑制される（ステップＳ３５’）。したがって、術者Ｏｐは、スレーブアーム６の全体の形状に注意を払う必要がなく、スレーブアーム６の先端の操作のみに意識を集中させることができる。

このように、本実施形態によれば、スレーブアーム６の大きな動きが要求される場面では、スレーブアーム６全体を通常通り動作させ、緻密な動きが要求される場面では、スレーブアーム６の先端以外の部分の動作を制限することによって、それぞれの場面に適した操作条件でスレーブアーム６を操作することができ、使い勝手を向上することができるという利点がある。
なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、制御部３が、「第２の制御モード」から「第１の制御モード」へ切り替えるときに、復帰フローを実行することが好ましい。

また、本実施形態においては、第１の実施形態において説明したモーションスケール比変更手段１１を備えていてもよい。この場合、「第２の制御モード」の逆運動学の計算において、移動量ｄｘ’，ｄｙ’，ｄｚ’に代えて、移動量ｋｄｘ’，ｋｄｙ’，ｋｄｚ’を用いればよい。あるいは、制御部３が、所定のモーションスケール比ｋを保持し、「第２の制御モード」において、スレーブアーム６の先端を常に微動させるようにしてもよい。

また、本実施形態においては、「第２の制御モード」において、スレーブアーム６の先端位置のみを基準にして逆運動学を計算することとしたが、これに代えて、スレーブアーム６の先端側の一部の関節の位置および姿勢を基準に用いてもよい。
具体的には、スレーブアーム６の、先端から任意の数の関節については、マスタアーム９と相似形となるように拘束条件を付して、マスタアーム９の対応する関節の位置および姿勢の変位に追従するように逆運動学を計算してもよい。

このときに、全ての関節Ｊ１’〜Ｊ７’に対して上記のような拘束条件を付して、マスタアーム９の先端の移動量に従った逆運動学を幾何学的に計算してもよい。
または、マスタアーム９の先端の位置姿勢の移動量に従ってスレーブアーム６の逆運動学を計算し、その後にスレーブアーム６の、先端側の任意の数の関節は、マスタアーム９の対応する関節の動きに一致するようにスレーブアーム６動かしてもよい。関節の姿勢を一致させる際に動いてしまった先端の位置については、さらにもう一度逆運動学を計算して元の位置に戻す。これらの操作を繰り返してスレーブアーム６の先端位置および姿勢の入力指令値に対する移動量を収束計算することで、拘束条件を付したまま逆運動学を計算することができる。

また、本実施形態においては、術者Ｏｐが手作業で「第１の制御モード」と「第２の制御モード」とを切り替えることとしたが、これに代えて、またはこれに加えて、制御部（制御モード自動変更手段）３が、スレーブアーム６の使用の条件、状況または環境に応じて自動で「第１の制御モード」と「第２の制御モード」とを切り替えてもよい。
スレーブアーム６の使用の条件等は、例えば、スレーブアーム６の種類が何であるのか、スレーブアーム６の関節の移動速度が所定の閾値内であるか否か、スレーブアーム６の関節の変位量が所定の閾値内であるか否か、等である。
例えば、図１において、制御部３は、スレーブアーム６が制御部３に接続される際に当該スレーブアーム６に設けられたメモリチップを読み取ることによって、スレーブアーム６の種類（例えば、処置部８が把持鉗子）を認識するようになっている。制御部３は、予め記憶しているスレーブアーム６の種類と制御モードとのテーブル情報から、認識した種類に対応する制御モードを取得し、適切な制御モードに切り替えることができる。

例えば、スレーブアーム６を、図１６に示されるように、Ｕ字状に配置するＵターン動作を行う場合に、この動作の後に制御部３が「第２の制御モード」を強制的に選択してもよい。
また、制御部３は、スレーブアーム６の先端部が到達している領域が狭空間であるか否かを判断し、判断結果に基づいて、前記領域が狭空間である場合には「第２の制御モード」を強制的に選択してもよい。スレーブアーム６の先端部が位置する空間の大小は、例えば、内視鏡５の映像の画像解析等を利用して判断する。
また、制御部３は、マスタアーム９と対応付けられているスレーブアーム６の種類に応じて制御モードを切り替えてもよい。例えば、スレーブアーム６が、大きな動作の牽引等に用いるリトラクタ術具であるときには「第１の制御モード」を、精密な操作をすることの多いエナジー術具であるときには「第２の制御モード」を選択してもよい。
また、制御部３は、画像や使用している術具、術式と、現在の経過時間や術場の状況などの情報に基づいて手術の場面を認識して、最適な制御モードに切り替えてもよい。

または、制御部３が、マスタアーム９の各関節Ｊｉの変化量θｉに基づき、術者Ｏｐがスレーブアーム６の全体を粗動操作させているか、または、スレーブアーム６の先端を微動操作させているのかを判定し、判定結果に基づいて、「第１の制御モード」と「第２の制御モード」とを切り替えてもよい。
または、「第１の制御モード」で制御中に、いずれかの、関節Ｊｉの回転角度が最大に達したときに、制御部３が「第２の制御モード」に切り替えてもよい。

１ マニピュレータ
２ 操作入力部
３ 制御部（制御モード自動変更手段）
４ 軟性部
５ 内視鏡
６ スレーブアーム
８ 先端処置部
９ マスタアーム
１０ 表示部
１１ モーションスケール比変更手段（動作比率変更手段）
１２ 制御モード手動変更手段
１００，２００ 医療用システム
Ｊ１〜Ｊ７，Ｊ１’〜Ｊ７’ 関節
Ｏｐ 術者（操作者）
Ｐ 患者

Claims (14)

1. 多関節のスレーブアームと、
   該スレーブアームと相似構造の関節構成を有し、操作者によって操作されるマスタアームと、
   該マスタアームになされた操作に基づいて前記スレーブアームを制御する制御部とを備え、
   該制御部は、前記マスタアームに対して前記スレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第１の制御モードと、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化に前記スレーブアームの先端部の所定の部位の位置が追従するように前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第２の制御モードとの間で切り替え可能であり、
   前記制御部は、
   前記第１の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の回転量と同じ回転量だけ前記スレーブアームの対応する各関節を回転させ、
   前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化量に基づいて前記スレーブアームの逆運動学を計算し、得られた解に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転量を制御する医療用システム。
2. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記スレーブアームの形状の変化量が最小となるように、前記スレーブアームを制御する請求項１に記載の医療用システム。
3. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記スレーブアームの、先端から任意の数の関節について、前記マスタアームと相似形となるようにこれら関節の回転動作を制御する請求項１または請求項２のいずれかに記載の医療用システム。
4. 前記マスタアームになされた操作量に対する前記スレーブアームの動作量の比率が、前記第１の制御モードにおいては所定の一定値であり、前記第２の制御モードにおいては、前記所定の一定値未満である請求項１から請求項３のいずれかに記載の医療用システム。
5. 前記マスタアームになされた操作量に対する前記スレーブアームの動作量の比率が、前記第１の制御モードにおいては所定の一定値であり、前記第２の制御モードにおいては、前記所定の一定値未満であり、
   前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置に基づいて前記スレーブアームの逆運動学を計算し、得られた複数の解のうち、前記スレーブアームの形状が前記マスタアームの形状と最も近似する解を選択する請求項１に記載の医療用システム。
6. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の変位量と前記スレーブアームの各関節の変位量との差異の総和が最小となる解を選択する請求項５に記載の医療用システム。
7. 前記制御部は、前記スレーブアームおよび前記マスタアームの各々の根元部分の中心軸を通り該中心軸上で互いに直交する２つの平面によって分割してなる４つの空間を仮定した場合に、前記マスタアームが位置する空間と対応する空間に前記スレーブアームが位置する解を選択する請求項５に記載の医療用システム。
8. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの最も先端側の関節の位置および姿勢に対応する位置および姿勢に前記スレーブアームの最も先端側の関節を配置するように前記スレーブアームを制御する請求項５に記載の医療用システム。
9. 前記操作量に対する前記動作量の前記比率を変更する動作比率変更手段を備える請求項４から請求項７のいずれかに記載の医療用システム。
10. 前記第１の制御モードおよび前記第２の制御モードのうち一方を操作者が選択する制御モード手動変更手段を備える請求項１から請求項８のいずれかに記載の医療用システム。
11. 前記スレーブアームの使用の条件、状況または環境に応じて前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとを切り替える制御モード自動変更手段を備える請求項１から請求項１０のいずれかに記載の医療システム。
12. 前記制御モード自動変更手段が、前記スレーブアームの種類に応じて前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとを切り替える請求項１１に記載の医療システム。
13. 前記制御部は、前記第２の制御モードから前記第１の制御モードに移行するときに、該第１の制御モードに先立ち、前記マスタアームおよび前記スレーブアームの各関節の変位量を互いに対応させるように、前記マスタアームおよび前記スレーブアームのうち少なくとも一方を動かす復帰フローを実行する請求項１から請求項１２のいずれかに記載の医療用システム。
14. 多関節のスレーブアームと、該スレーブアームと相似構造の関節構成を有し、操作者によって操作されるマスタアームとを備える医療用システムの制御方法であって、
    前記スレーブアームを制御する制御モードを、前記マスタアームに対して前記スレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第１の制御モードと、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化に前記スレーブアームの先端部の所定の部位の位置が追従するように前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化量に基づいてスレーブアームの各関節の回転動作を制御する第２の制御モードとの間で切り替え可能であり、
    前記第１の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の回転量と同じ回転量だけ前記スレーブアームの対応する各関節を回転させ、
    前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端部の所定の部位の位置の変化量に基づいて前記スレーブアームの逆運動学を計算し、得られた解に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転量を制御する医療用システムの制御方法。

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