JP6227200B1

JP6227200B1 - 医療用マニピュレータシステム及び医療用マニピュレータの制御方法

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Publication number: JP6227200B1
Application number: JP2017525130A
Authority: JP
Inventors: 啓能並木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-11-08
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Also published as: US10548677B2; JPWO2017104015A1; WO2017104015A1; US20180289435A1

Abstract

この医療用マニピュレータシステムは、スレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを動作させる駆動部と、前記駆動部に動作指令を与える制御部と、操作部と、前記操作部に設けられ、操作部の移動を検知する操作部側検知部とを有し、前記制御部は、前記操作部側検知部で検知された前記操作部への操作入力における手ぶれの有無を判定するステップと、前記手ぶれが無いと判定された場合、前記動作指令を停止するステップと、前記手ぶれが有ると判定された場合、前記操作入力から前記手ぶれを除去するステップと、前記手ぶれが除去された前記操作入力から前記動作指令を生成するステップと、を含む処理を行う。

Description

本発明は、医療用マニピュレータシステム及び医療用マニピュレータの制御方法に関する。

内視鏡や処置具等のエンドエフェクタを取り付けたスレーブマニピュレータを手術台の近傍に配置し、マスタマニピュレータを術者が操作して、スレーブマニピュレータに設けられた関節、内視鏡、及び処置具等を作動させて、手術台上の患者に対して手術を行うことができる医療用システムが知られている（例えば、特許文献１、２、３）。

エンドエフェクタを保持するスレーブマニピュレータのアームは、マスタマニピュレータの操作部に入力された操作指令に基づいて、制御部の制御により作動するように構成されている。しかし、例えば、アームに取り付けられた処置具を交換する場合等は、操作者や補助者が手で直接アームに触れて動かせるように制御部でマスタマニピュレータの動作状態が切り換えられる。

日本国特許４１７６１２６号公報日本国特表２０１２−５１３８４５号公報日本国特開２００１−１４５６３９号公報日本国特表２０１５−５１１５４４号公報日本国特開２０１１−２０６１８０号公報

上記従来の医療用マニピュレータでは、操作部周辺の物や人（操作者、補助者等）の一部が入力ボタンに接触して、意図せず入力ボタン等が押された状態になる事態が生じ得る。入力ボタン等を備える操作部は、このような操作性の点で課題がある。

そこで、入力ボタンを備えない操作部として、音声認識機能を用いて入力を行う操作部が考えられる。しかし、手術中に操作者はマスクを着用する上、手術に関する確認等の会話が断続的に行われるため、操作者の発声を操作部に対する音声入力として適切に使用するには、音声の検出精度に課題がある。

また、エンドエフェクタを保持するスレーブアームの位置や姿勢を変更するために操作者や補助者がスレーブアームに直接触れて動かす必要がある場合がある。この場合に、例えば、制御部では、駆動部からの入力を停止させてスレーブアームを直接手で動作可能な状態に切り替える。あるいは、スレーブアームの一部の関節は駆動部により角度が固定されるように制御しながらスレーブアームの他の関節は操作者や補助者が手で直接動かしてスレーブアームの位置を変更することが許容される状態に切り替える。このような動作状態時に、スレーブマニピュレータの周囲の物や人がスレーブアームに接触すると、意図せずスレーブアームの姿勢や角度が変更される可能性がある。

すなわち、操作者による意図的な入力により操作部やスレーブアームを動かす機能を備える場合、操作部やスレーブアームに周囲の物や人が意に反して接触してスレーブアームに想定外の動作が生じる可能性がある。

上記事情を踏まえ、本発明は、操作部やスレーブアームに周囲の物や人が意に反して接触してスレーブアームに想定外の動作が生じることを防ぎ、安定して操作可能な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。

本発明の第一の態様に係る医療用マニピュレータシステムは、エンドエフェクタが設けられるスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを動作させる駆動力を発生する駆動部と、前記駆動部に動作指令を与える制御部と、操作者により前記制御部への動作指令が入力されるように構成された操作部と、前記操作部に設けられ、前記操作部の移動を検知する操作部側検知部と、を有する医療用マニピュレータシステムであって、前記制御部は、前記操作部側検知部で検知された前記操作部への操作入力における前記操作者の手ぶれの有無を判定するステップと、前記手ぶれが無いと判定された場合、前記駆動部への前記動作指令を停止するステップと、前記手ぶれが有ると判定された場合、前記操作入力から前記手ぶれを除去するステップと、前記手ぶれが除去された前記操作入力から前記駆動部への前記動作指令を生成するステップと、を含む処理を行う。

本発明の第二の態様として、第一の態様に係るマニピュレータシステムでは、前記エンドエフェクタを保持し、前記操作部に入力される前記動作指令に基づき前記駆動部により動作するスレーブアームと、前記スレーブアームに設けられ、前記手ぶれを検知するスレーブマニピュレータ側検知部と、をさらに備え、前記制御部は、前記駆動部の駆動力に基づき前記スレーブアームを動作させる駆動モードで前記スレーブアームの動作を制御し、前記スレーブマニピュレータ側検知部で前記手ぶれが検知された場合に、前記駆動モードから、前記駆動部以外の力により前記スレーブアームが移動可能な自由可動モードに切り替える処理を行ってもよい。

本発明の第三の態様として、第一の態様に係るマニピュレータシステムでは、前記制御部は、前記駆動部を制御するための複数の制御モードを有し、前記制御部は、前記手ぶれが検知されない場合に、前記手ぶれが検知されない操作入力に基づく前記駆動部への前記動作指令の更新を停止し、既存の前記制御モードを維持するステップを有してもよい。

本発明の第四の態様として、第一の態様に係るマニピュレータシステムでは、前記制御部は、前記駆動部を制御するための複数の制御モードを有し、前記制御部は、前記手ぶれが検知されない場合に前記駆動部への前記動作指令を停止し、前記操作者に前記制御モードを選択させる制御モード選択ステップと、前記制御モードを選択した状態で、前記手ぶれが検知された場合に、前記制御モード選択ステップで選択された前記制御モードに切り替わる制御モード切替ステップと、を有してもよい。

本発明の第五の態様として、第一の態様に係るマニピュレータシステムでは、前記制御部は、前記操作部側検知部で検知された操作入力値から所定の周波数を除去するフィルタステップをさらに備え、前記操作者の手ぶれの有無を判定するステップでは、前記フィルタステップの前後の入力値を比較して前記操作者の手ぶれの有無を判定してもよい。

本発明の第六の態様に係る医療用マニピュレータの制御方法は、エンドエフェクタが設けられるスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを動作させる駆動力を発生する駆動部と、前記駆動部に動作指令を与える制御部と、操作者により前記制御部への動作指令が入力されるように構成された操作部と、前記操作部に設けられ、前記操作部の移動を検知する操作部側検知部と、を有する医療用マニピュレータの制御方法であって、前記制御部は前記操作部側検知部で検知された前記操作部への操作入力から前記操作者の手ぶれの有無を判定するステップと、前記制御部は前記手ぶれが無いと判定された場合、前記駆動部への前記動作指令を停止するステップと、前記制御部は前記手ぶれが有ると判定された場合、前記操作入力から前記手ぶれを除去するステップと、前記制御部は前記手ぶれが除去された前記操作入力から前記駆動部への前記動作指令を生成するステップと、を含む。

本発明の医療用マニピュレータシステム及び医療用マニピュレータの制御方法によれば、操作部に周囲の物や人が意に反して接触してスレーブアームに想定外の動作が生じることを防ぎ、安定して操作可能である。

本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステムを示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステムの操作部の一例を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステムのブロック図である。本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステムにおける処理を示すフローチャートである。変形例のスレーブマニピュレータのブロック図である。

本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１について説明する。図１は、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１を示す斜視図である。図２は、医療用マニピュレータシステム１の操作部の一例を示す模式図である。本実施形態に掛る医療用マニピュレータシステム（以下、「マニピュレータシステム」と記載する）１は、手術に用いられるマスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムである。マニピュレータシステム１は、マスタアームの動作に追従させるようにしてスレーブアーム２１を遠隔制御するシステムである。以後の説明において、マスタマニピュレータ３における後述する操作部側を基端側と称し、手術台１００に載置された患者Ｐに近いエンドエフェクタ２２側を先端側と称する。

図１に示すように、マニピュレータシステム１は、スレーブマニピュレータ２と、マスタマニピュレータ３と、表示装置４と、制御部５とを備えている。

スレーブマニピュレータ２は、手術台１００の近傍に配置されている。スレーブマニピュレータ２は、スレーブアーム２１と、エンドエフェクタ２２と、駆動部２６とをそれぞれ複数備えている。各スレーブアーム２１は、同じ構成を備えているので一つのスレーブアーム２１について説明する。

スレーブアーム２１は、複数の軸部２３ａ，２３ｂ，２３ｃをスレーブ関節部２４ａ，２４ｂで接続した複数の多自由度関節を備え、多軸動作可能に構成されている。各多自由度関節は、駆動部２６により個別に駆動される。

スレーブアーム２１は、さらに、取付部２５を備えている。取付部２５は、スレーブアーム２１の先端部を構成し、エンドエフェクタ２２が取り付けられる。取付部２５はスレーブアーム２１の先端の軸部２３ｃに回動可能に取り付けられている。

エンドエフェクタ２２は、取付部２５に着脱可能に連結されている。エンドエフェクタ２２の先端は患者Ｐの体内に挿入されて処置対象部位等に対する観察や処置等をするために使用される。エンドエフェクタ２２は、内視鏡２２ａ及び処置具２２ｂである。内視鏡２２ａはイメージセンサを備えた撮像部を有する。処置具２２ｂは、処置対象部位に対して切開や縫合などをする処置部や、処置対象部位の組織等を把持する把持部などであってよい。処置具２２ｂは、手術の内容に応じて、複数種類の中から適宜選択されて取り付けられる。エンドエフェクタ２２の構成は特に限定されない。

例えば、本実施形態の処置具２２ｂは、図２に示すように、生体組織を把持可能な把持鉗子２７である。把持鉗子２７は、開閉動作可能な一対の鉗子片２７ａ，２７ｂを有している。一対の鉗子片２７ａ，２７ｂは、不図示のワイヤにより駆動部２６（図１参照）と接続されており、駆動部２６から伝わる動力により動作する。一対の鉗子片２７ａ，２７ｂは、後述する操作アーム３３に対して操作者が行った操作に対応して制御部５が駆動部２６に発する動作指令に基づいて動作するように構成されている。

図３にマニピュレータシステム１のブロック図を示す。駆動部２６は、スレーブマニピュレータ２に設けられている。駆動部２６は、例えば、複数のアクチュエータ２６ａから構成されており、スレーブマニピュレータ２の複数の軸部内に挿通された駆動伝達部材（不図示）を介して複数のアクチュエータ２６ａが接続されている。駆動部２６は、制御部５が発する動作指令に対応してアクチュエータ２６ａを駆動させ、スレーブ関節部２４ａ、２４ｂを動作させるための駆動力を発生させるように構成されている。駆動部２６には、アクチュエータ２６ａの動作を検出するエンコーダ２６ｅを備えている。スレーブアーム２１は、駆動部２６及び不図示の駆動伝達部材を介して、後述するスレーブ制御部からの制御信号に従って動作可能に構成されている。アクチュエータ２６ａとしては、例えば、インクリメンタルエンコーダや減速器等を備えたサーボモータ等を用いることができる。

駆動部２６は、さらにエンドエフェクタ２２を動作可能に構成されている。駆動部２６は、エンドエフェクタ２２を駆動するためのアクチュエータ２２ｃと接続されている。例えば、エンドエフェクタ２２として把持鉗子２７が取付部２５に取り付けられている場合には、後述する操作アーム３３の操作に従って駆動部２６が把持鉗子２７の一対の鉗子片２７ａ，２７ｂをワイヤ駆動で動作させる。エンドエフェクタ２２の動作量はエンコーダ２２ｅで検出され、検出結果をスレーブ制御部５２が送信される。スレーブ制御部５２は、駆動部２６には、エンコーダ２２ｅによる検出結果に基づく制御信号が送信される制御が繰り返される。

マスタマニピュレータ３は、操作者Ｏｐによる操作入力をスレーブマニピュレータ２に伝達するために設けられている。図１に示すように、マスタマニピュレータ３は、操作台３１と、ボタン操作部３２と、操作アーム３３とを備える。

操作台３１には、表示装置４が取り付けられている。内視鏡２２ａが撮像した画像や、本実施形態に係る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。表示装置４は、制御部５に接続されており、制御部５が出力するビデオ信号に基づいた映像を表示する。表示装置４の構成は特に限定されない。

ボタン操作部３２は、操作台３１の上面に設けられている。ボタン操作部３２には、移動ボタン３２ａと、動作切替ボタン３２ｂ、決定ボタン３２ｃとを有し、操作者Ｏｐにより操作される。移動ボタン３２ａは、スレーブアーム２１を上下左右方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）へ移動させる４つのボタンからなる。動作切替ボタン３２ｂは、移動ボタン３２ａの操作対象を選択するためのボタンである。決定ボタン３２ｃは、表示装置４に表示された操作に必要な情報から制御モード等、必要な動作指令を決定する際に操作するためのボタンである。

操作アーム３３は、エンドエフェクタ２２の操作に用いる操作部である。操作アーム３３は、エンドエフェクタ２２の動作に対応した形状であって、エンドエフェクタ２２の操作及び駆動部２６の駆動を指示する。操作者Ｏｐが操作アーム３３を動かすと、制御部５は、操作アーム３３の動きと同様にエンドエフェクタ２２が動くように制御するように構成されている。

ボタン操作部３２と、操作アーム３３とは操作部を構成する。ボタン操作部３２は、スレーブアーム２１の動作に関する入力が行われ、操作アーム３３はエンドエフェクタ２２を動作させるための操作入力が行われる。図３に示すように、操作部には、操作入力検出器３６を備える。

図３に示すように、制御部５は、マスタ制御部５１と、スレーブ制御部５２と、関節角度計算部５３と、表示制御部５４と、手ぶれ判定部５５と、を有している。制御部５は、スレーブマニピュレータ２とマスタマニピュレータ３とに接続され、マスタマニピュレータ３の操作部からの入力を駆動部２６の制御信号に変換して、駆動部２６に制御信号を伝達して駆動部２６を駆動させるように構成されている。

マスタ制御部５１は、図１に示すマスタマニピュレータ３の操作部（ボタン操作部３２、操作アーム３３）に対する操作者Ｏｐの操作を、各操作入力検出器３６で検出する。各操作入力検出器３６による操作入力の検出結果を操作入力情報としてマスタ制御部５１へと出力する。マスタ制御部５１は、操作入力情報に基づいて、駆動部２６を動作させるための所定の駆動部動作信号を生成してスレーブ制御部５２へと出力する。

マスタ制御部５１では、操作入力情報における各操作入力検出器３６の出力値から、操作者Ｏｐの手ぶれの有無を判定する。操作入力時の操作者Ｏｐの手の操作には手ぶれが生じるため、操作入力情報における各操作入力検出器３６の出力値は、手ぶれの有無によって変化が生じる。例えば、操作者Ｏｐがボタン操作部３２を操作する際に、ボタンを押下する指には僅かな震え（手ぶれ）が生じる。一方、操作者Ｏｐの腕等がボタンに意図せず接触した場合は、意図的にボタンを押下する指に生じる僅かな手ぶれと同様の震えは生じない。この他、操作台３１の近傍に配置された周辺機器や器具等がボタン操作部３２や操作アーム３３に接触した場合も操作部の各操作入力検出器３６では操作部に移動が生じたことを検出するが、この場合は、操作者Ｏｐがボタンを押下する指に生じる手ぶれのような震えは生じない。そこで、マスタ制御部５１では、各操作入力検出器３６の出力値における手ぶれの有無を判定する。具体的には、各操作入力検出器３６の出力値において、ボタン操作部３２の各ボタンが押されたり操作アーム３３が移動されたりする際に加わる力には、操作者Ｏｐの手ぶれに起因する所定の周波数の振動が含まれる。

操作入力検出器３６としては、ボタン操作部３２への入力を力センサで検出する検出器、ボタン操作部３２をタッチパネル上に表示されるボタン（アイコン）で構成し入力を位置や力のタッチ信号として検出する検出器、操作アーム３３への入力を力センサ、加速度センサ、角度センサ等で検出する検出器などで構成することができる。

手ぶれ判定部５５では、ノッチフィルタ、バンドパスフィルタ等によりフィルタリングを行い、各操作入力検出器３６の出力値（操作入力値）のフィルタリング処理前後の値の差分に基づき、手ぶれの有無を判定する手ぶれ判定処理を行う。手ぶれ有無の判定は、例えば、手ぶれに相当する周波数帯域のゲインの大きさ、持続時間、などを用いて判定することができる。

手ぶれ判定部５５が上記手ぶれ判定処理により、操作入力に手ぶれが有ると判定した場合、マスタ制御部５１は、操作入力に従って制御モードを選択する。マスタ制御部５１の制御モードは、操作部の操作入力に基づきスレーブアーム２１を駆動させるための制御モードの他に、操作者Ｏｐが操作部で操作対象とする要素（例えば、複数のスレーブアーム２１のうちの一つのスレーブ関節２４ａ，２４ｂ、エンドエフェクタ２２等）を選択する動作切替モード等を有する。

ここで言う操作入力には、操作者Ｏｐにより意図的に操作部が操作された場合の入力の他に、操作者Ｏｐの意図しない操作入力が含まれる。操作者Ｏｐの意図しない操作入力とは、例えば、操作者Ｏｐの身体の一部（腕等）が接触した場合や、他の機器が接触した場合が考えられる。この他、操作者Ｏｐや補助者Ａｐや隣接する周辺機器等がスレーブアーム２１に接触して動いた場合も意図しない操作入力である。

つまり、本実施形態に係るマニピュレータシステム１では、操作入力に手ぶれが有る場合は、操作者Ｏｐの意図的な入力が行われていると判定する。一方、操作入力に手ぶれが無い場合は、操作部への接触等、操作者Ｏｐの意に反した操作入力が行われたと判定する。具体的には、手ぶれ判定部５５で操作入力の手ぶれの有無を判定し、その判定結果に基づいてスレーブマニピュレータ２の駆動モードを設定する。

手ぶれ判定部５５が操作入力に手ぶれが有ると判定した場合は、マスタ制御部５１は操作入力伝達モードに設定し、スレーブ制御部５２に対して、操作入力情報（操作入力量、ベクトル等）を伝達する。スレーブ制御部５２では、操作入力情報（操作入力量、ベクトル等）に基づいて駆動部２６を駆動し、各関節部２４ａ、２４ｂやエンドエフェクタ２２を、操作者Ｏｐの操作入力に対応して可動させる。このとき、マスタ制御部５１は、検出された手ぶれの量を除去した情報を操作入力情報としてスレーブ制御部５２に伝達すると、操作者Ｏｐの操作入力とスレーブマニピュレータ２及びエンドエフェクタ２２の動きとの連動精度が向上し、操作性が向上する。

手ぶれ判定部５５が操作入力に手ぶれが無いと判定した場合は、マスタ制御部５１は操作入力非伝達モードに設定し、スレーブ制御部５２に対して駆動停止信号を送信し、スレーブ制御部５２は、駆動部２６の動作を停止する。この結果、操作者Ｏｐの意図しない入力が操作部２６に対して行われた時（操作部２６が操作者Ｏｐの意に反して動かされた時）は、スレーブマニピュレータ２の動作が停止して、スレーブマニピュレータ２が操作者Ｏｐの意に反して動作することを防ぐように構成されている。

あるいは、操作入力非伝達モードでは、スレーブ制御部５２に対して、新たな操作入力の伝達を停止(更新停止)し、前回の制御ループでマスタ制御部５１から送信された操作入力に基づく駆動部２６の動作（既存の制御モード）を維持する。この結果、操作者Ｏｐの意図しない入力が操作部に対して行われた時（操作部が操作者Ｏｐの意に反して動かされた時）の操作入力は、スレーブマニピュレータ２の動作に反映されないように構成されてもよい。

スレーブ制御部５２は、マスタ制御部５１が生成してスレーブ制御部５２へと出力した動作指令を受けて、駆動部２６を制御し、スレーブアーム２１及びエンドエフェクタ２２を動作させる。

関節角度計算部５３は、各操作入力検出器３６において検出された移動量や移動方向に基づいて、操作部の関節（例えば、図２に示す操作アーム３３に有する複数の操作関節３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ）の姿勢を算出するように構成されている。また、関節角度計算部５３は、スレーブマニピュレータ２に設けられた各スレーブ関節部２４ａ，２４ｂのエンコーダ２ｅから角度情報を所得し、アクチュエータからエンドエフェクタ２２の各関節要素までの間の機械的要素を考慮して、各スレーブ関節部２４ａ，２４ｂの角度を算出するように構成されている。

関節角度計算部５３は、処置具２２ｂの関節部に設けられた各関節要素の可動範囲として処置具毎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５３は、処置具２２ｂの関節に設けられた各関節要素の可動範囲として、現在の関節部の位置を基準として予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５３は、スレーブアーム２１の各スレーブ関節部２４ａ，２４ｂ及び処置具２２ｂの関節部の角度を示す情報，処置具２２ｂの関節部に設けられた各関節要素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５４へと出力する。

表示制御部５４は、画像処理回路を備えている。表示制御部５４は、スレーブアーム２１の各スレーブ関節部２４ａ，２４ｂ及び処置具２２ｂの関節部の角度を示す情報，処置具２２ｂの関節部に設けられた各関節要素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２２ｂの関節部を構成する各関節要素の角度に対する各スレーブ関節部２４ａ，２４ｂ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ように構成されている。この他、表示制御部５４は、内視鏡２２ａにより得られた撮像データを表示装置４に表示するための画像を生成するように構成されている。

次に、本実施形態に係るマニピュレータシステム１を用いた医療用マニピュレータ制御方法を説明する。図４にマニピュレータシステム１における処理を示すフローチャートを示す。

各スレーブマニピュレータ２の先端には内視鏡２２ａや、手術に必要な処置具２２ｂが取り付けられ、患者Ｐが載置された手術台１００の近傍に配置されている。スレーブマニピュレータ２の位置は、操作者Ｏｐまたは補助者Ａｐによりエンドエフェクタ２２の先端を配置すべき位置に合わせて、スレーブアーム２１の各スレーブ関節部２４ａ，２４ｂの姿勢が調整されている。

操作部のいずれかに操作入力が加わると、操作入力検出器３６が操作部の移動を検出する（ステップＳ１）。操作入力検出器３６は、検出された操作部の移動に関する入力情報（移動を検出した操作部の種類、操作部の移動量、操作部の移動方向等）をマスタ制御部５１の手ぶれ判定部５５に送信する（ステップＳ２）。例えば、操作者Ｏｐがボタン操作部３２の動作切替ボタン３２ｂを押すと、マスタ制御部５１は、動作切替モードに設定し、表示制御部５４に対して、ボタン操作部３２の操作対象となるスレーブアーム２１またはエンドエフェクタ２２を選択するための画面を表示装置４に表示させる処理を行う。

動作切替モードにおいて、操作者Ｏｐは、表示装置４を見ながらボタン操作部３２の操作対象となるスレーブマニピュレータ２の要素を選定し決定ボタン３２ｃを押す。例えば、内視鏡２２ａが設けられたスレーブアーム２１の基端側のスレーブ関節部２４ａを可動させる例を示す。操作者Ｏｐが、スレーブマニピュレータ２を移動させたい方向の移動ボタン３２ａを押すと、操作入力検出器３６は、押された移動ボタン３２ａの向き（上下左右）及び押された時間をマスタ制御部５１に送信する。

このとき、マスタ制御部５１の手ぶれ判定部５５では、移動ボタン３２ａの操作入力情報に手ぶれの有無を判定する（ステップＳ３）。手ぶれ判定部５５が移動ボタン３２ａの操作入力情報に手ぶれが有ると判定した場合（Ｙｅｓ）は、マスタ制御部５１は操作入力伝達モードに設定する。マスタ制御部５１は、スレーブ制御部５２に操作入力情報を送信する（ステップＳ４）。操作入力伝達モードでは、例えば、スレーブ制御部５２は、駆動部２６に移動ボタン３２ａの操作入力情報を送信する（ステップＳ５）。駆動部２６は、操作入力情報に従って、駆動部２６に有する複数のアクチュエータ２６ａの中から、選定されたスレーブマニピュレータ２のスレーブ関節部２４ａを駆動するアクチュエータ２６ａを押された移動ボタン３２ａの向き（上下左右）及び押された時間に基づき駆動させる処理を行う（ステップＳ６）。

このステップＳ４からステップＳ６の処理において、マスタ制御部５１は、検出された手ぶれの量を除去した情報を操作入力情報としてスレーブ制御部５２に伝達すると、操作者Ｏｐの操作入力とスレーブ関節部２４ａの動きとの連動精度が向上し、操作性が向上する。

一方、ステップＳ３において、手ぶれ判定部５５が操作入力に手ぶれが無い（Ｎｏ）と判定した場合は、マスタ制御部５１は操作入力非伝達モードに設定され、スレーブ制御部５２に対して操作入力停止情報を送信する（ステップＳ７）。駆動停止情報を受信したスレーブ制御部５２は、駆動部２６に対して駆動停止情報を送信する（ステップＳ８）。駆動部２６では、スレーブ関節部２４ａのアクチュエータ２６ａの動作を停止する（ステップＳ９）。

次に、操作アーム３３の手ぶれ判定について説明する。ボタン操作部３２の動作切替ボタン３２ｂを押すと、マスタ制御部５１は、動作切替モードに設定し、表示制御部５４に対して、ボタン操作部３２の操作対象となるスレーブアーム２１またはエンドエフェクタ２２を選択するための画面を表示装置４に表示させる処理を行う。操作者Ｏｐは、操作対象として操作アーム３３を選択する。図２に示すように、操作者Ｏｐが操作アーム３３を掴むと、操作入力検出器３６が操作アーム３３の移動を検出する。操作入力検出器３６で検出された操作入力値が制御部５の手ぶれ判定部５５に送信される。手ぶれ判定部５５では、ボタン操作部３２と同様の処理で操作アーム３３の操作入力値における手ぶれの有無を判定する。

手ぶれ判定部５５で、操作アーム３３の操作入力値において手ぶれが有ると判定された場合（Ｙｅｓ）は、ボタン操作部３２の例と同様にマスタ制御部５１は、処置具２２ｂの先端部に対する操作入力情報をスレーブ制御部５２へ送信する（ステップＳ４）。

スレーブ制御部５２は、駆動部２６に操作アーム３３の操作入力情報を送信する（ステップＳ５）。駆動部２６は、駆動部２６に有する複数のアクチュエータ２６ａの中から、選定されたスレーブマニピュレータ２に取り付けられた処置具２２ｂを駆動するアクチュエータ２２ｃを、操作アーム３３の動きと相似形に処置具２２ｂが動作するように駆動させる処理を行う（ステップＳ６）。

一方、手ぶれ判定部５５で、操作アーム３３の操作入力値において手ぶれが無いと判定された場合（Ｎｏ）は、マスタ制御部５１は操作入力非伝達モードに設定され、スレーブ制御部５２に対して駆動停止情報を送信する（ステップＳ７）。ステップＳ８とステップＳ９はボタン操作部３２の例と同様である。

医療用マニピュレータ制御方法について、例えば、操作者Ｏｐがボタン操作部３２の移動ボタン３２ａを操作しているときに、操作者Ｏｐの腕が操作アーム３３に接触したときを例にさらに説明する。

この場合、操作入力検出器３６では、移動ボタン３２ａ及び操作アーム３３の移動を検出する。手ぶれ判定部５５では、移動ボタン３２ａ及び操作アーム３３のそれぞれの操作入力情報に対して手ぶれの有無を判定する（ステップＳ３）。

操作者Ｏｐは、ボタン操作部３２の移動ボタン３２ａを操作しているので、手ぶれ判定部５５では、ボタン操作部３２の操作入力情報については、手ぶれ有り（Ｙｅｓ）と判定し、ステップＳ４からステップＳ６の処理を行う。一方、操作アーム３３の操作入力情報からは操作者Ｏｐの手ぶれを検出しないので、手ぶれ判定部５５では、操作アーム３３の操作入力情報については、手ぶれ無し（Ｎｏ）と判定し、ステップＳ７からステップＳ９の処理を行う。すなわち、移動ボタン３２ａの操作入力に基づき、スレーブアーム２１は動作するが、操作アーム３３の操作入力が検出されてもエンドエフェクタは動作しないように制御される。この結果、誤った操作によりスレーブアーム２１及びエンドエフェクタ２２が誤動作することを防ぐことができる。

この他、例えば、操作者Ｏｐが操作部を操作していないときに、周辺機器や使用する器具、あるいは補助者Ａｐが操作部に意図せず接触した場合には、上記ステップＳ１からステップＳ９の処理が行われ、誤った操作によりスレーブアーム２１及びエンドエフェクタ２２が誤動作することを防ぐことができる。

なお、図４に示すステップＳ１からステップＳ９の処理は、マニピュレータシステム１を使用している間は繰り返して行われる構成でもよい。

本実施形態に係るマニピュレータシステム１では、操作部に周囲の物や人が意に反して接触してスレーブマニピュレータ２に想定外の動作が生じることを防ぎ、安定して操作可能である。

一般に、多機能なマニピュレータシステムにおいて複数の操作部が必要となる。本実施形態に係るマニピュレータシステム１では、操作者Ｏｐが意図的に操作した操作部の操作入力のみがスレーブマニピュレータ２の動作に反映され、操作者Ｏｐの腕等がその他の操作部に誤って触れた場合はスレーブマニピュレータ２の動作に反映されないように構成されている。したがって、複数の操作部を備えていても、誤作動を防ぎ、操作性に優れたマニピュレータシステムを提供できる。

本実施形態に係るマニピュレータシステム１は、制御部において、操作入力における手ぶれの有無に基づき、操作者Ｏｐの意図的な操作入力であるか否かを判定している。そのため、誤操作による誤作動を防ぐとともに、操作者Ｏｐの操作性を向上させることができ、円滑な手術を実現可能なマニピュレータシステムを提供できる。

本実施形態のスレーブアーム２１は、３つの軸部２３ａ，２３ｂ，２３ｃと、２つのスレーブ関節部２４ａ，２４ｂを備える例を示したが、スレーブアーム２１の軸部の数や可動方向等の構成はこれに限定されず、少なくとも１自由度の関節を１以上有し、マニピュレータを動作させるための関節構造を有していればよい。

本実施形態の操作部は、ボタン操作部３２と、操作アーム３３とで構成される例を示したが、操作部はこれに限定されず、スレーブアーム２１及びエンドエフェクタ２２の操作が行える構成であればよい。例えば、ジョイスティック等であってもよい。

本実施形態に係るマニピュレータ１では、手ぶれ判定部５５により操作入力に手ぶれが無いと判断されている場合（手ぶれが検知されない場合）に駆動部２６への動作指令をマスタ制御部５１で駆動部２６への動作指令を停止する例を示した。このとき、さらに、表示装置４に選択可能な制御モードを表示して、操作者Ｏｐに任意の制御モードを選択させる制御モード選択ステップを備えてもよい。さらに、操作者Ｏｐが制御モードを選択した状態で、手ぶれ判定部５５において、操作入力に手ぶれが有ると判定された場合（手ぶれが検知された場合）に、制御モード選択ステップで選択された制御モードに切り替わる制御モード切替ステップを有してもよい。

本実施形態では、操作部に一つの操作入力検出器３６を備える例を示したが、ボタン操作部３２及び操作アーム３３にそれぞれ操作入力検出器を備えてもよい。また、操作入力検出器３６は、ボタン操作部３２または操作アーム３３のいずれか一方に設けられる構成でもよい。

（変形例）
上記実施形態では、マスタマニピュレータ３に設けられた操作部に対する操作入力に対して、操作者Ｏｐの手ぶれを検知し、操作者Ｏｐの意図的な操作の有無を判定する例を挙げた。しかし、マスタマニピュレータ３の操作部に限らず、スレーブマニピュレータ２側の操作に対しても、操作者Ｏｐの手ぶれを検知し、操作者Ｏｐの意図的な操作の有無を判定する構成であってもよい。

図５に変形例のスレーブマニピュレータ２Ａのブロック図を示す。スレーブ関節部２４ａ、２４ｂは操作部の操作入力に基づき、駆動部２６により作動するように構成されている。しかし、図１に示すように、スレーブアーム２１やエンドエフェクタ２２の向きや位置等を調整するために、補助者Ａｐ（あるいは操作者Ｏｐ）が、スレーブアーム２１やエンドエフェクタ２２を直接動かす場合がある。そこで、図５に示すように、スレーブアーム２１、スレーブ関節部２４ａ、２４ｂやエンドエフェクタ２２に上記実施形態の操作入力検出器３６と同様の構成のスレーブマニピュレータ側検知部２９を設けてもよい。スレーブマニピュレータ側検知部２９は、スレーブアーム２１、スレーブ関節部２４ａ、２４ｂ、エンドエフェクタ２２にそれぞれ設けてもよく、いずれかの構成要素のみに設けてもよい。

補助者Ａｐあるいは操作者Ｏｐが意図的にスレーブアーム２１を触って動かした場合、スレーブマニピュレータ２Ａのスレーブマニピュレータ側検知部２９が操作入力を検出し、操作入力情報をスレーブ操作部５１に送信する。この操作入力情報には、操作入力が検出された場所等の情報が含まれる。

スレーブ制御部５２がスレーブマニピュレータ２Ａの操作入力情報を受信すると、スレーブ制御部５２は、手ぶれ判定部５５に操作入力情報を送信する。手ぶれ判定部５５では、スレーブ制御部５２から送信された操作入力情報に基づき、上記実施形態と同様の方法でスレーブマニピュレータ２Ａへの操作入力の手ぶれの有無を判定する。

手ぶれ判定部５５において、スレーブマニピュレータ２Ａへの操作入力に手ぶれ有り（Ｙｅｓ）と判定された場合、該当するスレーブアーム２１を動かすためのスレーブ関節部２４ａ、２４ｂの動作を制御している駆動部２６のアクチュエータ２６ａの動作を停止し、スレーブ関節部２４ａ、２４ｂが駆動部以外の動作、例えば手動で動作可能な自由可動モードに切り替えられる。このとき、スレーブマニピュレータ２Ａが自由可動モードに切り替わることを告知したり、許可を求める情報を操作者Ｏｐが認識可能に、表示装置４あるいは不図示の音声出力装置等により出力してもよい。

エンドエフェクタ２２の手動操作についても、スレーブマニピュレータ２Ａの手動操作と同様の処理が行われる。

補助者Ａｐによるスレーブマニピュレータ２Ａの手動操作が終わると、操作者Ｏｐが、マスタマニピュレータ３の操作部により、スレーブマニピュレータ２Ａが自由可動モードから駆動部により制御される駆動操作モードに切り替える操作を行い、上記実施形態で示した制御態様に戻る。
自由可動モードと駆動操作モードとの切り替えは、マスタマニピュレータ３の操作部の操作による制御の他、スレーブマニピュレータ２Ａが自由可動モードに切り替わった後、図４に示すステップＳ１からステップＳ９に準じた処理を所定の時間行い、スレーブマニピュレータ２Ａの操作入力が検出されなくなったら駆動操作モードに切り替えるように制御されてもよい。

なお、この変形例では、スレーブマニピュレータ２Ａの操作入力において、手ぶれを有すると判定した場合でも、スレーブマニピュレータ２Ａの動作をマスタマニピュレータ３の操作部の操作入力のみで制御するように設定するモードを設けても良い。このように設定することで、エンドエフェクタ２２が患者Ｐの体内に挿入されているときは、操作者Ｏｐの操作のみが反映され、スレーブマニピュレータ２Ａ側への接触が生じた場合でもスレーブマニピュレータ２Ａは操作者Ｏｐが望む動作のみが行われる。その結果、マニピュレータシステム１の誤動作を防ぐことができる。

本変形例では、上記実施形態と同様に、例えば隣接するスレーブマニピュレータ２の接触等、スレーブマニピュレータ２Ａの周囲の物や、人が意に反して接触してスレーブマニピュレータ２Ａに想定外の動作が生じることを防ぎ、安定して操作可能である。

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。

操作部やスレーブアームに周囲の物や人が意に反して接触してスレーブアームに想定外の動作が生じることを防ぎ、安定して操作可能な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。

１医療用マニピュレータシステム
２、２Ａスレーブマニピュレータ
３マスタマニピュレータ
５制御部
２１スレーブアーム
２２ａ内視鏡（エンドエフェクタ）
２２ｂ処置具（エンドエフェクタ）
２６駆動部
２９スレーブマニピュレータ側検知部
３２ボタン操作部（操作部）
３３操作アーム（操作部）
３６操作入力検出器（操作部側検知部）

Claims

エンドエフェクタが設けられるスレーブマニピュレータと、
前記スレーブマニピュレータを動作させる駆動力を発生する駆動部と、
前記駆動部に動作指令を与える制御部と、
操作者により前記制御部への動作指令が入力されるように構成された操作部と、
前記操作部に設けられ、前記操作部の移動を検知する操作部側検知部と、
を有する医療用マニピュレータシステムであって、
前記制御部は、
前記操作部側検知部で検知された前記操作部への操作入力における前記操作者の手ぶれの有無を判定するステップと、
前記手ぶれが無いと判定された場合、前記駆動部への前記動作指令を停止するステップと、
前記手ぶれが有ると判定された場合、前記操作入力から前記手ぶれを除去するステップと、
前記手ぶれが除去された前記操作入力から前記駆動部への前記動作指令を生成するステップと、
を含む処理を行う
医療用マニピュレータシステム。
前記エンドエフェクタを保持し、前記操作部に入力される前記動作指令に基づき前記駆動部により動作するスレーブアームと、
前記スレーブアームに設けられ、前記手ぶれを検知するスレーブマニピュレータ側検知部と、をさらに備え、
前記制御部は、
前記駆動部の駆動力に基づき前記スレーブアームを動作させる駆動モードで前記スレーブアームの動作を制御し、
前記スレーブマニピュレータ側検知部で前記手ぶれが検知された場合に、前記駆動モードから、前記駆動部以外の力により前記スレーブアームが移動可能な自由可動モードに切り替える処理を行う
請求項１に医療用マニピュレータシステム。
前記制御部は、前記駆動部を制御するための複数の制御モードを有し、
前記制御部は、
前記手ぶれが検知されない場合に、前記手ぶれが検知されない操作入力に基づく前記駆動部への前記動作指令の更新を停止し、既存の前記制御モードを維持するステップを有する
請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
前記制御部は、前記駆動部を制御するための複数の制御モードを有し、
前記制御部は、
前記手ぶれが検知されない場合に前記駆動部への前記動作指令を停止し、前記操作者に前記制御モードを選択させる制御モード選択ステップと、
前記制御モードを選択した状態で、前記手ぶれが検知された場合に、前記制御モード選択ステップで選択された前記制御モードに切り替わる制御モード切替ステップと、を有する
請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
前記制御部は、前記操作部側検知部で検知された操作入力値から所定の周波数を除去するフィルタステップをさらに備え、
前記操作者の手ぶれの有無を判定するステップでは、前記フィルタステップの前後の入力値を比較して前記操作者の手ぶれの有無を判定する
請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
エンドエフェクタが設けられるスレーブマニピュレータと、
前記スレーブマニピュレータを動作させる駆動力を発生する駆動部と、
前記駆動部に動作指令を与える制御部と、
操作者により前記制御部への動作指令が入力されるように構成された操作部と、
前記操作部に設けられ、前記操作部の移動を検知する操作部側検知部と、
を有する医療用マニピュレータの制御方法であって、
前記制御部は前記操作部側検知部で検知された前記操作部への操作入力から前記操作者の手ぶれの有無を判定するステップと、
前記制御部は前記手ぶれが無いと判定された場合、前記駆動部への前記動作指令を停止するステップと、
前記制御部は前記手ぶれが有ると判定された場合、前記操作入力から前記手ぶれを除去するステップと、
前記制御部は前記手ぶれが除去された前記操作入力から前記駆動部への前記動作指令を生成するステップと、
を含む医療用マニピュレータの制御方法。