JP6538360B2 - 手術ロボット用マスター装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

手術ロボット用マスター装置及びその制御方法を開示する。特に、操作者の手の動作をガイドすることによって、安定したロボット式手術機構のモーションを生成することができるロボット用マスター装置及びその制御方法を開示する。

最小侵襲手術（Ｍｉｎｉｍａｌ Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ）とは、患部の大きさを最小化する手術を総称する。最小侵襲手術は、人体の一部（例：腹部）に大きい切開創を開けて行う開腹手術と違い、腹部に０．５ｃｍ〜１．５ｃｍ大きさの少なくとも一つの切開孔（又は、侵襲口）を開け、この切開孔を通してビデオカメラと各種の機構を入れた後、画像を見ながら行う手術方法である。

このような最小侵襲手術は、開腹手術と違い、手術後の痛みが少なく、腸運動の早期回復及び食物の早期摂取が可能であり、入院期間が短く、正常状態への復帰が速く、切開範囲が狭いため美容効果に優れる、という利点がある。このような利点から、最小侵襲手術は、胆嚢切除術、前立腺癌手術、ヘルニア矯正術などに用いられており、その適用分野がますます広がっている。

最小侵襲手術に用いられる手術ロボットは、マスターコンソールとスレーブロボットを備える。マスターコンソールは、医師の操作による制御信号を生成してスレーブロボットに伝送する。スレーブロボットは、マスターコンソールから受信した制御信号に応じて動作する。

スレーブロボットには少なくとも一つのロボットアームが備えられ、各ロボットアームの先端にはロボット式手術機構（ｒｏｂｏｔｉｃ ｓｕｒｇｉｃａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）が装着される。ロボット式手術機構は患者の切開部位（ｉｎｃｉｓｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）を通して患者の体内に挿入される。一方、ロボットアームは、切開部位の外部に位置して、手術が進行される間にロボット式手術機構の位置と姿勢を維持させる役割を担う。

操作者の手の動作をガイドすることによって、安定したロボット式手術機構のモーションを生成することができる手術ロボット用マスター装置及びその制御方法を提供する。

上記の課題を解決するために、手術ロボット用マスター装置の一実施例は、スレーブ装置のロボットアームに設けられたロボット式手術機構を制御するための、少なくとも一つの多関節ロボット指を有するハンドル部と、少なくとも一つの多関節ロボット指の先端があらかじめ定義された仮想軌跡に沿って移動するように制御するための制御信号を生成するマイクロモーション生成部と、を備えることができる。

上記の課題を解決するために、手術ロボット用マスター装置制御方法の一実施例は、スレーブ装置のロボットアームに設けられたロボット式手術機構を制御するための少なくとも一つの多関節ロボット指を有するハンドル部を備えた手術ロボット用マスター装置の制御方法において、前記少なくとも一つの多関節ロボット指の先端に対する仮想軌跡を生成し、前記少なくとも一つの多関節ロボット指の先端が前記仮想軌跡に沿って移動するように制御するための制御信号を生成し、該生成された制御信号に応じて前記少なくとも一つの多関節ロボット指のモーションを制御すること、を含む。

操作者の手の動作をガイドすることによって、安定したロボット式手術機構のモーションを生成することができる。

手術ロボットに備えられたマスターコンソールの外観を例示する斜視図である。 手術ロボットに備えられたスレーブロボットの外観を例示する斜視図である。 ガイドチューブを通して展開されたロボット式手術機構を例示する図である。 マスターコンソールに備えられた２つのマスター装置のうち、操作者の右手に対応するマスター装置の外観を例示する斜視図である。 マスター装置の側面図である。 マスター装置のリンク部の側面図で、リンク部の動作をそれぞれ示す図である。 マスター装置のリンク部の側面図で、リンク部の動作をそれぞれ示す図である。 マスター装置のリンク部の側面図で、リンク部の動作をそれぞれ示す図である。 多軸構造を有するリンク部においてエンドエフェクタの姿勢が維持される原理を説明するための図である。 指部において多関節ロボット指の構成を概略的に示す図である。 ロボット式手術機構の先端に設けられる手術機構が触診道具の場合に、多関節ロボット指に対する仮想軌跡及び多関節ロボット指のガイド方法を説明するための図である。 ロボット式手術機構の先端に設けられる手術機構がグリッパーの場合に、多関節ロボット指に対する仮想軌跡及び多関節ロボット指のガイド方法を説明するための図である。 ハンドル部の動き制御方法を説明するための図である。 マスター装置の制御構成を例示する図である。

本発明の利点及び特徴、並びにそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳しく後述されている実施例によって明確になるであろう。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、その他の様々な形態に実施されてもよい。したがって、以下の実施例は、本発明の開示をより完全なものとし、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供するものであり、よって、本発明は請求項の範囲によって定義されるべきである。

以下、添付の図面を参照して手術ロボット用マスター装置及びその制御方法に係る実施例を説明する。図面中、同一の参照符号は同一の構成要素を表す。

開示された発明は、シングルポート手術ロボットに適用することができる。マルチポート手術ロボットとは、複数のロボット式手術機構を個別侵襲部位を通して患者の腹腔内に進入させる方式の手術ロボットを指す。これに比べて、シングルポート手術ロボットは、複数のロボット式手術機構を一つの侵襲部位を通して患者の腹腔内に進入させる方式の手術ロボットを指す。

手術ロボットは、マスターコンソール（図１の１００）及びスレーブロボット（図２の２００）を備える。マスターコンソール１００はスレーブロボット２００に対して遠隔制御機能を有する装置である。マスターコンソール１００は操作者の操作による制御信号をスレーブロボット２００に伝送する。スレーブロボット２００はマスターコンソール１００から制御信号を受信し、受信した制御信号に応じて動いて、手術に必要な操作を患者に加える。ここで、操作者は、専門医又は医師のような専門医療陣を指す。又は、操作者は専門医療陣と同等な資格又は許可を得た人を含むこともできる。広範囲には、操作者は手術ロボットの作動を制御する使用者を含むこともできる。

図１は、手術ロボットに備えられたマスターコンソール１００の外観を例示する斜視図である。図１に示すように、マスターコンソール１００は、入力部及びディスプレイ部１８０を備えることができる。

入力部は、スレーブロボット（図２の２００）の動作を遠隔で操作するための命令が操作者から入力される。例えば、入力部は、マスター装置Ｍ及びクラッチペダル１１０の少なくとも一方を備えることができる。図１では、入力部として、２つのクラッチペダル１１０及び２つのマスター装置Ｍが備えられている。

クラッチペダル１１０は、手術ロボットの動作モードを切り換えるのに用いることができる。例として、左側クラッチペダル１１０が操作された場合はガイドチューブ操作モードを実行し、右側クラッチペダル１１０が操作された場合はロボット式手術機構操作モードを実行することができる。ガイドチューブ操作モードが実行されると、操作者はマスター装置Ｍを操作してガイドチューブ（図２の２１０）の位置及び姿勢を変更することができる。ロボット式手術機構操作モードが実行されると、ガイドチューブ２１０の移動は停止し、操作者はマスター装置Ｍを操作してロボット式手術機構（図３の２１２及び２１４）の位置及び姿勢を変更することができる。

マスター装置Ｍは、スレーブロボット（図２の２００）に設けられたロボットアーム（図２の２０３〜２０８）の動き又はロボット式手術機構２１２，２１４，２１６の動きを遠隔で制御するための部分である。マスター装置Ｍは、ハンドル部１２０、ハンドル部１２０と機械的に連結された手首支持部１４０、手首支持部１４０と機械的に連結されたリンク部１３０、及びリンク部１３０と機械的に連結され、リンク部１３０が地面に支持されるようにする支持部１５０を備えることができる。

ハンドル部１２０はハプティックデバイス（ｈａｐｔｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）とすることができる。ハプティックデバイスは、例えば、少なくとも一つの多関節ロボット指１２１，１２２，１２３を有することができる。少なくとも一つの多関節ロボット指１２１，１２２，１２３は、人の手と類似の形態で配置することができる。図１は、３個の多関節ロボット指１２１，１２２，１２３が人の手における親指、人差し指及び中指に対応する位置にそれぞれ設けられた様子を示している。

図１は、それぞれのハンドル部１２０に３個の多関節ロボット指１２１，１２２，１２３が設けられた様子を示しているが、それぞれのハンドル部１２０に設けられる多関節ロボット指の個数及び／又は位置はこれに限定されるものではない。例えば、それぞれのハンドル部１２０には３個よりも少ないか多い個数の多関節ロボット指を設けてもよく、これら多関節ロボット指は、人手の親指、人差し指、中指、薬指及び小指の少なくとも一つに対応する位置に設けることができる。

また、一方側のハンドル部１２０に設けられた複数の多関節ロボット指はいずれも同一の形状を有してもよく、互いに異なる形状を有してもよい。図１を参照すると、人の人差し指及び中指に対応する位置に設けられた多関節ロボット指１２２，１２３が互いに同一の形状を有していることがわかる。これに比べて、人の親指に対応する位置に設けられた多関節ロボット指１２１は、多関節ロボット指１２２，１２３と異なる形状を有していることがわかる。以下の説明では、人差し指に対応する多関節ロボット指１２２を中心に説明するものとする。

多関節ロボット指１２２は、複数のリンク及び複数の関節を含むことができる。関節とは、リンクとリンクとの連結部位を指す。関節は少なくとも１自由度を有することができる。ここで、自由度（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ；ＤＯＦ）とは、順機構学（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ）又は逆機構学（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ）における自由度を指す。

機構の自由度とは、機構の独立した運動の数、又は各リンク間の相対位置の独立した運動を決定する変数の数を指す。例えば、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる３次元空間上の物体は、物体の空間的な位置（ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を決定するための３自由度（各軸における位置）、及び物体の空間的な姿勢（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を決定するための３自由度（各軸に対する回転角度）のうち一つ以上の自由度を有する。仮に、物体がそれぞれの軸に沿って移動可能であり、且つそれぞれの軸を基準に回転可能であるとすれば、この物体は６自由度を有するものと理解すればよい。

多関節ロボット指１２２の各関節には各関節の状態に関する情報を検出するための検出部を設けることができる。検出部は、関節の位置（すなわち、関節角）を検出するための位置検出部、関節の速度を検出するための速度検出部を含むことができる。場合によって速度検出部は省略してもよい。速度検出部を省略した場合は、位置検出部で検出された位置を微分して関節の速度を取得すればよい。

多関節ロボット指１２２の先端をマスターコンソール１００のエンドエフェクタとして理解すればよい。多関節ロボット指１２２の先端には、例えば、指ぬき状輪を設けることができる。操作者は指ぬき状輪に指先を挿入することができる。操作者が指先を指ぬき状輪に入れた状態で指を動かす場合、指の動きに対応して多関節ロボット指１２２が動くようになり、多関節ロボット指１２２の各関節に設けられた検出部では各関節の状態に関する情報を検出することができる。

また、指ぬき状輪には触覚フィードバックアクチュエータ（ｔａｃｔｉｌｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｃｔｕａｔｏｒ）（図８の１２５）を設けることができる。患者の腹腔内に挿入されたロボット式手術機構が外部環境、例えば、臓器に接触する場合、ロボット式手術機構が外部環境から受ける力は触覚フィードバックアクチュエータ１２５に伝達される。その結果、操作者はロボット式手術機構が外部環境から受ける力を間接的に感じることができる。

各検出部で検出された各関節の位置及び速度は、ロボット式手術機構の各関節が追従すべき目標位置及び速度に変換することができる。変換した目標位置及び目標速度は、ネットワークを介してスレーブロボット（図２の２００）に伝送することができる。このとき、ネットワークは、有線ネットワーク、無線ネットワーク、又は有線／無線複合ネットワークであってよい。

図１は、それぞれのハンドル部１２０に、複数の多関節ロボット指１２１，１２２，１２３を含むハプティックデバイスが設けられた場合を示しているが、ハンドル部１２０に設けられたハプティックデバイスの形状は多関節ロボット指１２１，１２２，１２３に制限されるものではない。例として、ハンドル部１２０は、操作者が手で包むことができるようにペンシル形状又はスティック形状を有するハプティックデバイスにしてもよい。他の例として、ハンドル部１２０は、操作者が少なくとも２本の指を通せるようにはさみ形状を有するハプティックデバイスにしてもよい。更に他の例として、ハンドル部１２０は、操作者が全ての指をはめ込むことができるようにグローブ形状を有するハプティックデバイスにしてもよい。

図１は、左側ハンドル部１２０及び右側ハンドル部１２０の両方とも、少なくとも一つの多関節ロボット指を含むハプティックデバイスにした場合を示している。しかし、開示された発明はこれに限定されない。実施例によれば、左側ハンドル部１２０及び右側ハンドル部１２０は、互いに異なる形状を有するハプティックデバイスにしてもよい。例えば、左側ハンドル部１２０ははさみ形状を有するハプティックデバイスにし、右側ハンドル部１２０は少なくとも一つの多関節ロボット指を含むハプティックデバイスにしてもよい。

手首支持部１４０は操作者の手首に対応する位置に配置する。手首支持部１４０は多様な形状を有することができる。例として、手首支持部１４０は輪状にすることができる。この場合、操作者は輪状の手首支持部１４０に手を通した後、少なくとも一つの指先を多関節ロボット指１２１，１２２，１２３の指ぬき状輪に挿入する。

他の例として、手首支持部１４０は、図１に示すように、半輪状（ｓｅｍｉｃｉｒｃｕｌａｒ）にすることもできる。この場合、半輪状の開放された部分は内側、すなわち、操作者の胴体に向かうように配置することができる。又は、半輪状の閉鎖された部分は外側に向かうように配置することもできる。又は、半輪状の閉鎖された部分は地面に向かうように配置することもことができる。このような手首支持部１４０には力／トルク検出部を設けることができる。力／トルク検出部は、操作者がハンドル部１２０に加えた力を検出する。力／トルク検出部は、例えば、多軸力／トルクセンサーであってよい。

リンク部１３０の一端は手首支持部１４０に機械的に連結される。リンク部１３０の他端は支持フレーム１３７の上部に結合される。支持フレーム１３７は支持部１５０の上部に機械的に連結される。支持部１５０は地面に固定される。支持フレーム１３７は支持部１５０の結合軸を中心に回転することができる。

リンク部１３０は、複数のリンクを含むことができる。リンクとリンクとの間には関節が設けられる。この関節は少なくとも１自由度を有することができる。リンク部１３０の構造及び動作原理についての詳細は、図４乃至図７を参照して後述する。

図１は、リンク部１３０の他端が支持フレーム１３７の上部に結合されている様子を示している。しかし、リンク部１３０の構造はこれに限定されるものではない。例えば、図１とは違い、リンク部１３０の他端を椅子に連結することもできる。

一方、ハンドル部１２０、リンク部１３０及びペダル１１０の少なくとも一方には、スレーブロボット２００と有線通信又は無線通信を通じて制御信号及び／又はデータを送受するための通信部（図示せず）をさらに設けることができる。

ディスプレイ部１８０は、画像データ及び手術情報の少なくとも一方をディスプレイする。ディスプレイ部１８０からディスプレイされる画像データは、スレーブロボット２００の内視鏡（図３の２１６ａ）によって撮影された画像、又は撮影された画像を画像処理したものであってよい。画像処理としては、画像の拡大、縮小、移動、回転、他の画像との合成及びフィルタリングのうち少なくとも一つを含むことができる。このような画像処理はスレーブロボット２００及びマスターコンソール１００の少なくとも一方によって行うことができる。ディスプレイ部１８０からディスプレイされる手術情報は患者に関する生体情報を含むことができる。生体情報としては体温、脈拍、呼吸及び血圧などを挙げることができる。

一つ以上のディスプレイ部１８０を設けることができる。図１は、マスターコンソール１００に３個のディスプレイ部１８０を横方向に並んで配置した様子を示している。

例として、複数のディスプレイ部１８０には互いに異なる画像をディスプレイすることができる。具体的に、操作者の正面に位置しているメインディスプレイ部には、内視鏡によって撮影された画像をディスプレイすることができる。そして、メインディスプレイ部の左側及び右側に位置しているサブディスプレイには、スレーブロボットの動作状態に関する情報及び患者情報をそれぞれディスプレイすることができる。

他の例として、複数のディスプレイ部１８０には同一の画像をディスプレイすることもできる。このとき、それぞれのディスプレイ部１８０ごとに同一の画像をディスプレイしてもよく、複数のディスプレイ部１８０を通じて単一の画像をディスプレイしてもよい。

このようなディスプレイ部１８０は、例えば、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、又はこれらの組合せにすることができる。

図２は、手術ロボットに備えられたスレーブロボット２００の外観を例示する斜視図である。図２に示すように、スレーブロボット２００は、キャスタ２０１、ボディー２０２、ロボットアーム２０３〜２０８、及び手術機構アセンブリー２０９を備えている。

キャスタ２０１は、スレーブロボット２００を移動させるためのもので、ボディー２０２の下端に装着される。ボディー２０２の下端には少なくとも一つのキャスタ２０１を取り付けることができる。それぞれのキャスタ２０１には、キャスタの動作状態を変更するためのレバー（図示せず）を設けることができる。操作者はレバーの位置を調節してキャスタの動作状態を変更することができる。キャスタの動作状態としては、制動、自由移動（ｆｒｅｅ ｓｗｉｖｅｌ)及び操向止め(ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｌｏｃｋ、ｓｗｉｖｅｌ ｌｏｃｋ)を挙げることができる。

ロボットアーム２０３〜２０８はボディー２０２の上部に設けられる。ロボットアーム２０３〜２０８は、ｘ、ｙ、ｚ軸の少なくとも一軸に沿って手術機構アセンブリー２０９を移動させたり、少なくとも一つの軸を基準に手術機構アセンブリー２０９を回転させる。また、ロボットアーム２０３〜２０８は、手術の進行中には手術機構アセンブリー２０９の位置及び姿勢が維持されるように手術機構アセンブリー２０９を支持する。

ロボットアーム２０３〜２０８は複数のリンク部２０４，２０６，２０８及び複数の関節部２０３，２０５，２０７を含むことができる。具体的に、ロボットアーム２０３〜２０８は、第１関節部２０３、第１リンク部２０４、第２関節部２０５、第２リンク部２０６、第３関節部２０７、及び第３リンク部２０８を含むことができる。

第１リンク部２０４は、第１リンク、及び第１リンクを取り囲むケーシングを備える。第１リンクは直線形の柱状をしており、ボディー２０２と垂直な方向に設けられる。すなわち、第１リンクは地面に垂直な方向に設けられる。

第１関節部２０３は、ボディー２０２と第１リンク部２０４との連結部位に設けられている。第１関節部２０３は、ｘ、ｙ、ｚ軸のうち、指定された軸に沿って移動する直動関節（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｊｏｉｎｔ）にすることができる。このような第１関節２０３は手術機構アセンブリー２０９の並進運動のための部分であり、３自由度を有する。具体的に、第１関節部２０３は、ｘ軸並進運動、ｙ軸並進運動及びｚ軸並進運動を含む３自由度を有する。そのために、第１関節部２０３にはｘ軸並進駆動部、ｙ軸並進駆動部及びｚ軸並進駆動部が設ける。図示してはいないが、それぞれの並進駆動部は、特定軸に沿って直線運動を案内するリニアモーションガイド（Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｉｏｎ ｇｕｉｄｅ）、及びリニアモーションガイドに駆動力を提供するモーターを備えることができる。

第２リンク部２０６は第１リンク部２０４の先端に設けられている。第２リンク部２０６は、第２リンク、及び第２リンクを取り囲むケーシングを備える。第２リンクは曲線形状を有する。具体的に、第２リンクは円弧の一部のような形状を有する。

第２関節部２０５は、第１リンク部２０４と第２リンク部２０６との連結部位に設けられる。第２関節部２０５は、ｘ、ｙ、ｚ軸のうち、指定された軸を基準に回転する回転関節（ｒｅｖｏｌｕｔｅ ｊｏｉｎｔ）にすることができる。第２関節部２０５は、手術機構アセンブリー２０９の回転運動のための部分であり、２自由度を有する。具体的に、第２関節部２０５は、手術機構アセンブリー２０９のロール方向回転及びピッチ方向回転を含む２自由度を有する。そのために、第２関節部２０５にはロール駆動部及びピッチ駆動部を設けることができる。

ロール駆動部に駆動力を提供すると、第２リンク部２０６がロール方向に回転する。第２リンク部２０６がロール方向に回転するにつれて、第２リンクの先端に設けられている第３リンク部２０８も手術機構アセンブリー２０９もロール方向に回転する。ロール駆動部は、例えば、モーター、真空ポンプ（ｖａｃｕｕｍ ｐｕｍｐ）、及び水圧ポンプ（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｍｐ）のいずれか一方にすることができる。

ピッチ駆動部は、第２リンクの円弧運動を案内するＲガイド、及びＲガイドに駆動力を提供するモーターを備えることができる。ピッチ駆動部のモーターが駆動すると、第２リンクはＲガイドに沿って移動する。その結果、第２リンクの先端に設けられている第３リンク部２０８及び手術機構アセンブリー２０９がピッチ方向に回転することとなる。

第３リンク部２０８は第２リンク部２０６の先端に設けられている。第３リンク部２０８は輪状の第３リンクを含むことができる。第３リンクの上部には手術機構アセンブリー２０９が設けられている。第３リンクの下端には、ＲＣＭ（Ｒｅｍｏｔｅ Ｃｅｎｔｅｒ Ｍｏｔｉｏｎ）ポイントを指示するための複数の発光部が設けられている。図２では、３個の発光部が設けられた場合を示している。

複数の発光部は第３リンクの円周に沿って等間隔に配置することができる。複数の発光部は、ＲＣＭポイントを指示するためのものであるから、直進性の強い光、例えば、レーザービームを放出する発光素子にすることができる。

複数の発光部から発されたレーザービームはＲＣＭポイントで交差する。ロボットアーム２０３〜２０８がｘ、ｙ、ｚ方向の少なくとも一方向に移動して、ＲＣＭポイントが患者の切開部位に一致すると、ガイドチューブ２１０が患者の切開部位に挿入される。続いて、手術機構アセンブリー２０９内に設けられているロボット式手術機構がガイドチューブ２１０に沿って患者の切開部位に挿入される。その後、ロボット式手術機構は、ＲＣＭポイントを頂点とする円錐形の作業空間（ｃｏｎｉｃａｌ ｗｏｒｋ ｓｐａｃｅ）内でのみ動くように制御することができる。ロボット式手術機構がこのような方式で制御されると、切開部位の外部に位置しているロボットアーム２０３〜２０８に予期せぬ動きが発生しても、切開部位が損傷することを防止することが可能になる。

第３関節部２０７は、第３リンク部２０９と第２リンク部２０６との連結部位に設けられている。第３関節部２０７は、ｘ、ｙ、ｚ軸のうち、指定された軸を基準に回転する回転関節にすることができる。このような第３関節部２０７は、手術機構アセンブリー２０９の回転運動のための部分であり、１自由度を有する。具体的に、第３関節部２０７は、手術機構アセンブリー２０９のヨー方向回転を含む１自由度を有する。そのために、第３関節部２０７にはヨー駆動部を設けることができる。

ヨー駆動部に駆動力を提供すると、手術機構アセンブリー２０９はヨー方向に回転する。ヨー駆動部は、モーター、真空ポンプ及び水圧ポンプのいずれか一つにすることができる。

手術機構アセンブリー２０９は、円筒形のケーシング、ケーシングの内面に沿って設けられた複数のロボット式手術機構、及びガイドチューブ２１０を備える。ロボット式手術機構は、腹腔内部を撮影するための内視鏡（図３の２１６）、人体組織を切除（ｒｅｓｅｃｔｉｎｇ）、焼灼（ｃａｕｔｅｒｉｚｉｎｇ）、凝固（ｃｏａｇｕｌａｔｉｎｇ）させるための手術機構（図３の２１２，２１４）を含むことができる。ケーシングの内面に沿って設けられた複数のロボット式手術機構のうち、操作者によった選択された少なくとも一つのロボット式手術機構を、ガイドチューブ２１０を通して患者の腹腔内に挿入することができる。ロボット式手術機構についての説明は、図３を参照して後述するものとする。

手術機構アセンブリー２０９は第３リンク部２０８と機械的に分離されるようにすることができる。このように、手術機構アセンブリー２０９が第３リンク部２０８から分離されるようになっていると、手術に使用した手術機構の入れ替えや消毒を容易に行うことが可能になる。

図３は、ガイドチューブ２１０を通して展開されたロボット式手術機構２１２，２１４，２１６を例示する図である。

上述した通り、少なくとも一つのロボット式手術機構２１２，２１４，２１６をガイドチューブ２１０に沿って患者の腹腔内に挿入する。患者の腹腔内に少なくとも一つのロボット式手術機構２１２，２１４，２１６を進入させる方法には様々なものがある。例として、患者の腹腔内にガイドチューブ２１０を挿入した後、ガイドチューブ２１０の動きを固定させる。その後、ガイドチューブ２１０内に少なくとも一つのロボット式手術機構２１２，２１４，２１６を挿入した後、ガイドチューブ２１０の内壁に沿って移動させることができる。他の例として、少なくとも一つのロボット式手術機構２１２，２１４，２１６をガイドチューブ２１０内に挿入し、その状態でガイドチューブ２１０を患者の腹腔内に進入させることもできる。

ガイドチューブ２１０が目標位置に到達すると、図３に示すように、ガイドチューブ２１０の外部にロボット式手術機構２１２，２１４，２１６が展開される。図３は、３個のロボット式手術機構２１２，２１４，２１６をガイドチューブ２１０の外部に展開した様子を示している。

それぞれのロボット式手術機構２１２，２１４，２１６は、複数のリンク２１２ｂ，２１４ｂ，２１６ｂ及び複数の関節２１２ｃ，２１４ｃ，２１６ｃを含むことができる。

各リンク２１２ｂ，２１４ｂ，２１６ｂの先端には、手術機構２１２ａ，２１４ａ又は内視鏡２１６ａが設けられる。手術機構２１２ａ，２１４ａ又は内視鏡２１６ａは、スレーブロボット２００のエンドエフェクタと理解すればよい。

リンクとリンクとの間には関節２１２ｃ，２１４ｃ，２１６ｃが設けられる。この関節２１２ｃ，２１４ｃ，２１６ｃは、固定型関節（ｆｉｘｅｄ ｊｏｉｎｔ）、ｘ、ｙ、ｚ軸のうち指定された軸に沿って回転する回転関節、ｘ、ｙ、ｚ軸のうち指定された軸に沿って移動する直動関節のいずれか一つにすることができる。このような関節２１２ｃ，２１４ｃ，２１６ｃは１自由度以上を有することができる。

各ロボット式手術機構２１２，２１４，２１６の各関節２１２ｃ，２１４ｃ，２１６ｃには駆動部を設けることができる。駆動部は、マスターコンソール１００から受信した制御信号に応じて駆動し、該当の関節を移動させる。駆動部は、モーター、真空ポンプ、水圧ポンプのいずれか一つにすることができる。以下の説明では駆動部をモーターにした場合を取り上げて説明する。

各ロボット式手術機構２１２，２１４，２１６の各関節２１２ｃ，２１４ｃ，２１６ｃには検出部が設けられる。検出部は関節の位置（すなわち、関節角）を検出するための位置検出部、及び関節の速度を検出するための速度検出部を含むことができる。

以上、手術ロボットに備えられるマスターコンソール１００及びスレーブロボット２００の外観の一例を説明した。以下、図４乃至図１１を参照して、マスターコンソール１００に設けられたマスター装置Ｍについてより詳しく説明する。

図４は、マスターコンソールに備えられた２つのマスター装置Ｍのうち、操作者の右手に対応するマスター装置Ｍの外観を例示する斜視図であり、図５は、図４に示したマスター装置Ｍの側面図である。

図４及び図５を参照すると、マスター装置Ｍは、ハンドル部１２０、手首支持部１４０、リンク部１３０、及び支持部１５０を備えることができる。

ハンドル部１２０は、３個の多関節ロボット指１２１，１２２，１２３、及び取っ手１２４を備えることができる。多関節ロボット指１２１，１２２，１２３は、例えば、人の５本の指のうち、親指、人差し指及び中指に対応する位置に設けることができる。取っ手１２４は、例えば、薬指及び小指に対応する位置に設けることができる。操作者は薬指及び小指を用いて取っ手１２４を握ることができる。

複数の多関節ロボット指１２１，１２２，１２３及び取っ手１２４を手首支持部１４０に機械的に連結することができる。手首支持部１４０は操作者の手首に対応する位置に設けることができる。手首支持部１４０は、ハンドル部１２０を回転させるための部分で、３自由度を有することができる。例えば、手首支持部１４０は、ハンドル部１２０をｘ軸、ｙ軸、又はｚ軸を中心に回転させることができる。手首支持部１４０には３軸力／トルクセンサーを設けることができる。

手首支持部１４０はリンク部１３０と機械的に連結することができる。リンク部１３０は手首支持部１４０を並進運動させるための部分で、３自由度を有することができる。例えば、リンク部１３０は、手首支持部１４０をｘ軸、ｙ軸、又はｚ軸に沿って移動させることができる。

リンク部１３０は、複数のリンク１３１，１３２，１３３，１３４を含むことができる。具体的に、リンク部１３０は、第１リンク１３１、第２リンク１３２、第３リンク１３３、及び一対の第４リンク１３４を含むことができる。マスター装置Ｍを側面から見たとき、第１乃至第４リンク１３１，１３２，１３３，１３４を一つの平行四辺形を形成するように配置することができる。

具体的に、図５を参照すると、第１リンク１３１は、例えば、地面と平行に配置することができる。第１リンク１３１の一端にはエンドエフェクタ１３６を設けることができる。エンドエフェクタ１３６の上部には手首支持部１４０及びハンドル部１２０を設けることができる。第１リンク１３１の一端には、手首の内側に第１プーリー１３１ｐを設けることができる。

第１リンク１３１の他端には第２リンク１３２の一端を回転軸１３２ａを介して結合する。このとき、第２リンク１３２を第１リンク１３１と垂直に配置することができる。第１リンク１３１の他端に連結された第２リンク１３２は回転軸１３２ａを中心に回転することができる。

第２リンク１３２の他端には第３リンク１３３の一端を回転軸１３３ａを介して結合する。第３リンク１３３を第１リンク１３１と平行に配置することができる。第３リンク１３３の長さは第１リンク１３１の長さよりも短くすることができる。第２リンク１３２の他端に連結された第３リンク１３３は、回転軸１３３ａを中心に回転することができる。

第１リンク１３１と第３リンク１３３との間には一対の第４リンク１３４を配置することができる。このとき、一対の第４リンク１３４の長さを第２リンク１３２の長さと同一にすることができる。一対の第４リンク１３４を互いに向かい合うように配置する。

一対の第４リンク１３４の一端側において、一つの第４リンク１３４と他の第４リンク１３４との間には第１リンク１３１が配置される。一対の第４リンク１３４の一端のそれぞれと、これら一端の間に配置された第１リンク１３１とは、回転軸１３５ａによって結合される。第１リンク１３１は回転軸１３５ａを中心に回転することができる。回転軸１３５ａ上には第２プーリー１３５ｐが設けられる。具体的に、第２プーリー１３５ｐは第１プーリー１３１ｐと向かい合うように回転軸１３５ａ上に配置される。

一対の第４リンク１３４の他端側において、一つの第４リンク１３４と他の第４リンク１３４との間には第３リンク１３３が配置される。一対の第４リンク１３４の他端のそれぞれと、それら他端の間に配置された第３リンク１３３とは、回転軸１３４ａを介して結合される。第３リンク１３３は回転軸１３４ａを中心に回転することができる。回転軸１３３ａ上には第３プーリー１３４ｐが設けられる。具体的に、第３プーリー１３４ｐは第２プーリー１３５ｐと向かい合うように回転軸１３４ａ上に配置される。

第１プーリー１３１ｐ、第２プーリー１３５ｐ及び第３プーリー１３４ｐはそれぞれ、二重の溝を有することができる。それぞれのプーリーにおいて２つの溝は互いに接する形態を有してもよく、一定の間隔だけ離れた形態を有してもよい。

それぞれのプーリー１３１ｐ，１３４ｐ，１３５ｐに設けられた２つの溝のうち、手首の外側に位置した溝を第１溝とし、手首の内側に位置した溝を第２溝とする。各プーリー１３１ｐ，１３４ｐ，１３５ｐの第１溝には第１ケーブルを巻くことができる。そして、各プーリー１３１ｐ，１３４ｐ，１３５ｐの第２溝には第２ケーブルを巻くことができる。

具体的に、第１ケーブルの一端は第１プーリー１３１ｐの第１溝に設けられたケーブル固定部に固定される。そして、第１ケーブルの他端は第２プーリー１３５ｐの第１溝に巻かれた後、第３プーリー１３４ｐの第１溝に設けられたケーブル固定部に固定される。

同様に、第２ケーブルの一端は、第１プーリー１３１ｐの第２溝に設けられたケーブル固定部に固定される。そして、第２ケーブルの他端は、第２プーリー１３５ｐの第２溝に巻かれた後、第３プーリー１３４ｐの第２溝に設けられたケーブル固定部に固定される。この時、第２ケーブルが各プーリー１３１ｐ，１３４ｐ，１３５ｐの第２溝に巻かれる方向を第１ケーブルが各プーリー１３１ｐ，１３４ｐ，１３５ｐに巻かれる方向と反対にすることができる。

このように複数のプーリー１３１ｐ，１３４ｐ，１３５ｐ及び複数のケーブルを用いると、図６Ａ乃至図６Ｃに示すように、エンドエフェクタ１３６の位置が変わっても、エンドエフェクタ１３６の姿勢が地面に対して常に水平を維持することができる。このようにエンドエフェクタ１３６の姿勢を常に水平に維持することによって、エンドエフェクタ１３６の上部に設けられた手首支持部１４０及びハンドル部１２０の姿勢も常に水平を維持することができる。

以上、図４、図５、及び図６Ａ乃至図６Ｃを参照して、マスター装置Ｍの構造について説明した。以上の説明では、リンク部１３０が１軸構造を有する場合について説明した。しかし、リンク部１３０の構造はこれに限定されるものではない。例えば、リンク部１３０は多軸構造を有してもよい。リンク部１３０が多軸構造を有する場合にもエンドエフェクタ１３６の姿勢は地面に対して常に水平を維持することができる。以下、多軸構造を有するリンク部１３０においてエンドエフェクタ１３６の姿勢維持原理を、図７を参照してより詳しく説明する。

図７は、リンク部１３０においてエンドエフェクタの姿勢が維持される原理を説明するための図である。図７の（ａ）は、ベースフレーム、少なくとも一つのプーリー及びエンドエフェクタが配置された様子を示す側面図である。図７の（ｂ）は、少なくとも一つのリンクが回転した様子を示す側面図である。図７の（ｃ）は、図７の（ｂ）の平面図である。

図７の（ａ）を参照すると、ベースフレームとエンドエフェクタは互いに一定の間隔をおいて同一の方向に配置されている。すなわち、ベースフレームとエンドエフェクタはベースフレームの回転軸とエンドエフェクタの回転軸とが平行な状態となるように配置される。ベースフレームとエンドエフェクタとの間には少なくとも一つのプーリーが配置されている。少なくとも一つのプーリーは互いに同一の方向に配置され、各プーリーの回転軸はベースフレームの回転軸及びエンドエフェクタの回転軸と９０°の角度をなすように配置されている。ベースフレームとプーリーとの間、プーリーとプーリーとの間、プーリーとエンドエフェクタとの間にはそれぞれリンクＬが設けられている。すなわち、リンクとリンクとの間に設けられたプーリーをリンクとリンクとを連結する関節として理解すればよい。

ベースフレーム、エンドエフェクタ、及び少なくとも一つのプーリーはいずれも２個の溝を有する。以下、２つの溝をそれぞれ、「第１溝」及び「第２溝」と呼ぶものとする。ベースフレームにおいて第１溝ＨＢ１の直径と第２溝ＨＢ２の直径とは同一である。エンドエフェクタにおいて第１溝ＨＥ１の直径（Ｒ×２）と第２溝ＨＥ２の直径とは同一である。少なくとも一つのプーリーにおいて第１溝ＨＰ１の直径と第２溝ＨＰ２の直径（ｒ×２）とは同一である。

一方、ベースフレーム、エンドエフェクタ及び少なくとも一つのプーリーにおいて、第１溝と第２溝との間には一定の間隔が設けられる。第１溝と第２溝間の間隔についてより詳しく説明すると、下記の通りである。

図７の（ａ）を参照すると、ベースフレームにおいて第１溝ＨＢ１と第２溝ＨＢ２間の間隔はプーリーの第１溝ＨＰ１の直径及び第２溝ＨＰ２の直径（ｒ×２）と同一である。そして、プーリーの第１溝ＨＰ１の直径及び第２溝ＨＰ２の直径（ｒ×２）は、エンドエフェクタにおいて第１溝ＨＥ１と第２溝ＨＥ２間の間隔と同一であることがわかる。

図７の（ｃ）を参照すると、ベースフレームの第１溝ＨＢ１の直径（Ｒ×２）及び第２溝ＨＢ２の直径は、プーリーの第１溝ＨＰ１と第２溝ＨＰ２間の間隔と同一であることがわかる。そして、プーリーの第１溝ＨＰ１と第２溝ＨＰ２間の間隔はエンドエフェクタの第１溝ＨＥ１の直径（Ｒ×２）及び第２溝ＨＥ２の直径と同一であることがわかる。

図７の（ａ）に示すように、ベースフレームとエンドエフェクタとの間に少なくとも一つのプーリーが配置された状態で、第１ケーブルＣ１の一端は、ベースフレームの第１溝ＨＢ１に設けられたケーブル固定部ＦＢ１に固定される。その後、第１ケーブルＣ１は、少なくとも一つのプーリーの第１溝ＨＰ１に順に巻かれる。この時、第１ケーブルＣ１は第１方向に巻かれる。続いて、第１ケーブルＣ１の他端は、エンドエフェクタの第１溝ＨＥ１に設けられたケーブル固定部ＦＥ１に固定される。

第１ケーブルＣ１と同様に、第２ケーブルＣ２の一端は、ベースフレームの第２溝ＨＢ２に設けられたケーブル固定部ＦＢ２に固定される。その後、第２ケーブルＣ２は少なくとも一つのプーリーの第２溝ＨＰ２に順に巻かれる。この時、第２ケーブルＣ２は第２方向に巻かれる。すなわち、第２ケーブルＣ２は第１ケーブルＣ１と反対の方向に巻かれる。続いて、第２ケーブルＣ２の他端は、エンドエフェクタの第２溝ＨＥ２に設けられたケーブル固定部ＦＥ２に固定される。

このような状態で、図７の（ｂ）に示すようにリンクが回転するとプーリーも回転するようになる。その結果、各プーリーの第１溝ＨＰ１に巻かれている第１ケーブルＣ１の長さ、及び各プーリーの第２溝ＨＰ２に巻かれている第２ケーブルＣ２の長さが変化する。実施例によれば、各プーリーにおいて変化したケーブルの長さは、エンドエフェクタを回転させることによって補償することができる。第１ケーブルを取り上げると、各プーリーの第１溝ＨＰ１において変化した第１ケーブルの長さはエンドエフェクタを回転させることによって補償することができる。エンドエフェクタの回転度合は、式（１）から計算することができる。

図７の（ｂ）に示すように、ベースフレームとエンドエフェクタとの間にｎ個のプーリーが設けられ、ベースフレームの近くに位置しているプーリーから「プーリーｉ」、プーリーｉに連結されたリンクを「リンクｉ」としよう（ｉ＝１，２，…，ｎ−１）。そして、リンクｉの回転した角度をθ_ｉとすれば、プーリーｉの第１溝ＨＰ１に巻かれている第１ケーブルＣ１の長さはｒθ_ｉだけ変わる。プーリーｎの第１溝ＨＰ１に巻かれている第１ケーブルＣ１の長さはＲθ_ｎだけ変わる。式１は、各プーリーにおいて変化した第１ケーブルＣ１の長さの和が０となるようにエンドエフェクタが回転することを意味する。

仮に、図７の（ｃ）に示すように、メインリンクを含めたリンクが全体的にヨー方向に回転する場合、エンドエフェクタはそれらリンクが回転した方向と反対の方向に回転する。その結果、エンドエフェクタの姿勢が維持される。

図８は、ハンドル部１２０に備えられた多関節ロボット指の構成を概略的に示す図である。具体的に、図８には、人差し指に対応する多関節ロボット指１２２の構成を概略的に示している。

図８に示すように、多関節ロボット指１２２は３個のリンクを含むことができる。多関節ロボット指１２２は、人の指骨を構成する３個の小骨にそれぞれ対応する３個のリンクを含むことができる。具体的に、多関節ロボット指１２２は、基節骨リンク（Ｐｒｏｘｉｍａｌ Ｐｈａｌａｎｇｅ Ｌｉｎｋ；ＰＰＬ）、中節骨リンク（Ｍｉｄｄｌｅ Ｐｈａｌａｎｇｅ Ｌｉｎｋ；ＭＰＬ）、及び末節骨リンク（Ｄｉｓｔａｌ Ｐｈａｌａｎｇｅ Ｌｉｎｋ；ＤＰＬ）を含むことができる。

各リンクとリンクとの間には関節を設けることができる。以下、基節骨リンクＰＰＬの一端に設けられた関節を「ＭＣＰ関節」という。そして、基節骨リンクＰＰＬと中節骨リンクＭＰＬとの連結部位に設けられた関節を「ＰＩＰ関節」という。そして、中節骨リンクＭＰＬと末節骨リンクＤＰＬとの連結部位に設けられた関節を「ＤＩＰ関節」という。

実施例によって、ＭＣＰ関節、ＰＩＰ関節及びＤＩＰ関節を３個の駆動部によってそれぞれ駆動することができる。他の実施例によって、ＭＣＰ関節、ＰＩＰ関節、及びＤＩＰ関節を、例えば、２個の駆動部によって駆動してもよい（Ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｉｏｎ）。すなわち、関節の個数よりも少ない個数の駆動部によって駆動してもよい。具体的に、ＤＩＰ関節及びＰＩＰ関節を連結するケーブルを一つの駆動部に連結し、ＰＩＰ関節及びＭＣＰ関節を連結するケーブルを他の駆動部に連結することができる。これらの駆動部は、例えば、ハンドル部１２０の手の甲の部分に設けることができる。

多関節ロボット指１２２において末節骨リンクＤＰＬの先端には触覚フィードバックアクチュエータ１２５を設けることができる。操作者は人差し指の先を触覚フィードバックアクチュエータ１２５に挿入した状態で、指を動かすことができる。操作者の指が動くことに従って多関節ロボット指１２２の各関節が動くようになる。

触覚フィードバックアクチュエータ１２５は他の多関節ロボット指にも設けることができる。例えば、図５に示すように、中指に対応する多関節ロボット指１２３に含まれた末節骨リンクＤＰＬの先端にも触覚フィードバックアクチュエータ１２５を設けてもよい。しかし、触覚フィードバックアクチュエータ１２５の個数及び設置位置は上述の例に限定されるものではない。例えば、親指に対応する多関節ロボット指に含まれた末節骨リンクＤＰＬの先端に設けてもよい。

開示された実施例によれば、多関節ロボット指の先端の動きは仮想軌跡に従うようにガイドすることができる。この時、仮想軌跡はスレーブロボット２００のロボット式手術機構２１２，２１４の先端に設けられた手術機構２１２ａ，２１４ａの種類によって異なることがある。その詳細を、図９Ａ及び図９Ｂを参照して説明する。

図９Ａは、ロボット式手術機構２１２，２１４の先端に設けられた手術機構２１２ａ，２１４ａが触診道具（ｐａｌｐａｔｉｏｎ ｔｏｏｌ）の場合に、多関節ロボット指の仮想軌跡及び多関節ロボット指のガイド方法を説明するための図である。

手術機構２１２ａ，２１４ａが触診道具の場合に、操作者は親指及び中指の位置を固定させた状態で、人差し指を前後に動かして触診道具を前後に動かすことができる。したがって、手術機構２１２ａ，２１４ａが触診道具である場合には、人差し指に対応する多関節ロボット指１２２に対してのみ仮想軌跡を生成すればよい。

また、触診のためには触診道具を前後に動かなければならず、よって、触診道具に対する仮想軌跡は前後方向に形成することができる。一方、多関節ロボット指１２２の先端に水平方向に連結されたバネ４２及び垂直方向に連結されたバネ４１があると仮定し、各バネ４１，４２の剛性を調節すると、多関節ロボット指１２２の先端が仮想軌跡に沿って移動するように制御することができる。

図９Ｂは、ロボット式手術機構２１２，２１４の先端に設けられた手術機構２１２ａ，２１４ａがグリッパー（ｇｒｉｐｐｅｒ）の場合に、多関節ロボット指の仮想軌跡及び多関節ロボット指のガイド方法を説明するための図である。

手術機構２１２ａ，２１４ａがグリッパーの場合に、操作者は、中指を固定させた状態で、親指及び人差し指を上下に動かしてグリッパーの両刃を広げたり縮めたりすることができる。そして、親指及び人差し指が触れた状態又は親指及び人差し指が離れた状態で親指及び人差し指を同時に前後に動かしてグリッパーを前後に移動させることができる。したがって、手術機構２１２ａ，２１４ａがグリッパーである場合には、親指に対応する多関節ロボット指１２１及び人差し指に対応する多関節ロボット指１２２に対してのみ仮想軌跡を生成することができる。また、グリッパーの両刃を広げたり縮めたりするための人差し指の仮想軌跡と親指の仮想軌跡は対称関係にすることができる。

人差し指に対応する多関節ロボット指１２２の先端には、水平方向に連結されたバネ４２及び垂直方向に連結されたバネ４１があると仮定できる。また、親指に対応する多関節ロボット指１２１の先端にも、水平方向に連結されたバネ５２及び垂直方向５１に連結されたバネがあると仮定できる。この状態で、人差し指に垂直方向に連結されたバネ４１及び親指に垂直方向に連結されたバネ５１の剛性を調節すると、グリッパーの両刃が指定された仮想軌跡に沿って広がったり縮んだりするように制御することができる。人差し指に水平方向に連結されたバネ４２及び垂直方向に連結されたバネ４１の剛性を調節し、親指に水平方向に連結されたバネ５２及び垂直方向に連結されたバネ５１の剛性を調節すると、グリッパーが指定された仮想軌跡に沿って移動するように制御することができる。

図１０は、ハンドル部１２０の動き制御方法を説明するための図である。図１０には、多関節ロボット指１２２、及び多関節ロボット指に対する仮想軌跡８０が示されている。仮想軌跡８０は、多関節ロボット指１２２の先端の動きをガイドするためのものである。仮想軌跡８０はロボット式手術機構２１２，２１４の種類別に生成することができる。より詳しくは、ロボット式手術機構２１２，２１４の先端に設けられる手術機構２１２ａ，２１４ａの種類別に仮想軌跡８０を生成することができる。

図１０に示すように、多関節ロボット指１２２の先端の現在位置８２が仮想軌跡８０から外れているとしよう。この場合、仮想軌跡８０上で多関節ロボット指１２２の現在位置８２と最短距離にある地点８１を検出する。その後、多関節ロボット指１２２の先端の現在位置８２で検出された地点８１に向かって加えられる垂直方向の力と、検出された地点８１における接線方向の力を調節して、多関節ロボット指１２２の先端が仮想軌跡８０に従うようにガイドすることができる。

仮に、図１０で、多関節ロボット指１２２の先端が仮想軌跡８０上にあると、多関節ロボット指１２２の先端の現在位置において、仮想軌跡に垂直な方向には抵抗感を上げ、接線方向には抵抗感を下げる。これによって、多関節ロボット指１２２の先端が仮想軌跡８０に垂直な方向に外れることを防止し、多関節ロボット指１２２の先端が仮想軌跡８０の接線方向に動くようにする。これによって、多関節ロボット指１２２の先端が軌跡から離脱すると、再び元の軌道に復元できるように制御信号を生成する。このように制御信号を生成すると、多関節ロボット指１２２の先端が仮想軌跡８０に従うようにガイドすることができる。

図１１は、マスター装置Ｍの制御構成を例示する図である。図１１に示すように、マスター装置Ｍは、記憶部１２、仮想軌跡生成部１１、マイクロモーション生成部１３、マクロモーション生成部１４、及びモーション融合部１５を備えることができる。

記憶部１２は、多関節ロボット指１２１，１２２，１２３に対する仮想軌跡８０を記憶することができる。仮想軌跡８０はロボット式手術機構２１２，２１４の種類によって生成することができる。具体的に、仮想軌跡８０をロボット式手術機構２１２，２１４の先端に設けられた手術機構２１２ａ，２１４ａの種類によって異なるように生成することができる。例えば、手術機構２１２ａ，２１４ａが触診道具の場合は、親指及び中指を除いて、人差し指に対応する多関節ロボット指１２２に対してのみ仮想軌跡８０を生成することができる。このとき、触診道具のモーションを考慮して仮想軌跡８０を生成することができる。

仮に、手術機構２１２ａ，２１４ａがグリッパーの場合は、中指を除いて、親指及び人差し指に対応する多関節ロボット指１２１、１２２に対してのみ仮想軌跡を生成することができる。親指に対応する多関節ロボット指１２１の仮想軌跡は、操作者の親指のモーションを考慮して生成することができる。人差し指に対応する多関節ロボット指１２２の仮想軌跡は、操作者の人差し指のモーションを考慮して生成することができる。

仮想軌跡生成部１１は、操作者又は外部装置からロボット式手術機構２１２，２１４の種類に関する情報、操作者に関する情報、及び手術過程に関する情報の少なくとも一つを受信することができる。具体的に、仮想軌跡生成部１１は、ロボット式手術機構の種類に関する情報を受信し、受信したロボット式手術機構の種類に対応する仮想軌跡を記憶部１２から検索することができる。そして、操作者に関する情報及び手術過程に関する情報の少なくとも一つに基づいて、検索された仮想軌跡を修正することができる。

ロボット式手術機構２１２，２１４の種類に関する情報は、ロボット式手術機構２１２，２１４の先端に設けられた手術機構２１２ａ，２１４ａの種類に関する情報を意味することができる。操作者に関する情報としては、操作者の性別、操作者の指の長さなどを挙げることができる。手術過程に関する情報としては手術医種類を挙げることができる。

同一のロボット式手術機構を使用しても、操作者ごとに指の長さが異なることがある。そのため、操作者の指の長さに合わせて仮想軌跡を修正し、修正された仮想軌跡に沿って移動するように多関節ロボット指をガイドすると、仮想軌跡を修正しない場合に比べて多関節ロボット指の動きをより精度よく制御することが可能になる。

仮に、操作者の指の長さ情報が入力されず、操作者の性別のみを受信した場合は、性別による平均指の長さ情報に基づいて仮想軌跡を生成してもよい。

また、同一のロボット式手術機構であっても、いかなる手術過程に使われるかによって、ロボット式手術機構に適用できる仮想軌跡が異なってくることがある。したがって、手術過程に関する情報を受信し、それに合わせて仮想軌跡を修正し、修正された仮想軌跡に沿って移動するように多関節ロボット指をガイドすると、ロボット式手術機構が余計に動くことを防止することが可能になる。

記憶部から検索した仮想軌跡、又は受信した情報に基づいて修正された仮想軌跡をマイクロモーション生成部１３に提供することができる。

マイクロモーション生成部１３は、多関節ロボット指の各関節の位置及び速度に関する情報を受信することができ、仮想軌跡を受信することができる。マイクロモーション生成部１３は、多関節ロボット指の先端が仮想軌跡に沿って移動するように制御するための制御信号を生成することができる。

マクロモーション生成部１４は、手首支持部１４０の回転情報及び／又は手首支持部１４０の位置情報を受信することができる。マクロモーション生成部１４は、手首支持部１４０の回転情報に基づいて、ロボット式手術機構２１２，２１４，２１６の姿勢を制御するための制御信号を生成することができる。また、マクロモーション生成部１４は手首支持部１４０の位置情報に基づいて、ロボット式手術機構２１２，２１４，２１６の位置を制御するための制御信号を生成することができる。

モーション融合部１５は、マイクロモーション生成部１３で生成された制御信号及びマクロモーション生成部１４で生成された制御信号を融合して、最終モーション制御信号を生成することができる。この時、モーション融合部１５は、マイクロモーション生成部１３で生成された制御信号及びマクロモーション生成部１４で生成された制御信号にそれぞれ重み付け値を適用して最終モーション制御信号を生成することができる。それぞれの制御信号に適用される重み付け値は、それぞれの信号をスケーリングするためのスケーリングファクターと理解すればよい。スケーリングファクターは操作者によってあらかじめ設定することができる。このような方式で生成された最終モーション制御信号は、ロボット式手術機構２１２，２１４，２１６のモーションを制御するための信号として、通信部（図示せず）を介してスレーブ装置２０に伝送することができる。

以上、本発明の実施例を説明した。前述した実施例において一部の構成要素は、一種の「モジュール」にすることもできる。ここで、「モジュール」は、ソフトウェア、又はＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）又は注文型半導体（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ；ＡＳＩＣ）のようなハードウェア構成要素を意味し、モジュールはある役割を果たす。しかし、モジュールがソフトウェア又はハードウェアに限定される意味ではない。モジュールはアドレシングできる記憶媒体に存在するように構成してもよく、一つ又はそれ以上のプロセッサを実行させるように構成してもよい。

一例として、モジュールは、ソフトウェア構成要素、客体指向ソフトウェア構成要素、クラス構成要素及びタスク構成要素のような構成要素と、プロセス、関数、属性、プロシージャ、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、ドライバー、ファームウェア、マイクロコード、回路、データ、データベース、データ構造、テーブル、アレイ、及び変数を含む。構成要素とモジュールから提供される機能は、より小さい数の構成要素及びモジュールで結合してもよく、追加的な構成要素とモジュールにさらに分離してもよい。その上、これらの構成要素及びモジュールはデバイス内で一つ又はそれ以上のＣＰＵを実行することができる。

本発明の一部の実施例は、前述した実施例の少なくとも一つの処理要素を制御するためのコンピュータ読み取り可能なコード／命令を含む媒体、例えば、コンピュータ読み取り可能な媒体によって具現することもできる。該媒体は、コンピュータ読み取り可能なコードの記憶及び／又は伝送を可能にする媒体に対応するものとすることができる。

コンピュータ読み取り可能なコードは、媒体に記録されてもよく、インターネットを介して伝送されてもよい。この媒体は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、マグネチックテープ、フロッピー（登録商標）ディスク、光学記録媒体、インターネットを介したデータ伝送（ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）のような搬送波（ｃａｒｒｉｅｒ ｗａｖｅ）を含むことができる。また、上記媒体は非一時的なコンピュータで読み取り可能な媒体であってもよい。この媒体は分散ネットワークであってもよく、コンピュータで読み取り可能なコードは分散方式で記憶／伝送して実行することができる。さらに、処理要素は、これに限定されるものではないが、プロセッサ又はコンピュータプロセッサを含むことができる。この処理要素は一つのデバイス内に分散及び／又は内蔵することができる。

以上、例示された図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとっては、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態に実施されてもよいということが理解されるであろう。したがって、以上に述べた実施例はいずれの面においても例示的なもので、限定的なものと理解してはならない。

１００ マスターコンソール
１１０ クラッチペダル
１２０ ハンドル部
１３０ リンク部
１４０ 手首支持部
２００ スレーブロボット
２０４ 第１リンク部
２０６ 第２リンク部
２０８ 第３リンク部
２１２ ロボット式手術機構

Claims (16)

1. スレーブ装置のロボットアームに設けられたロボット式手術機構を制御するための少なくとも一つの多関節ロボット指を有するハンドル部と、
   少なくとも一つの多関節ロボット指の先端が、あらかじめ定義された仮想軌跡に沿って移動するように制御するための制御信号を生成するマイクロモーション生成部と、
   前記ロボット式手術機構の種類に関する情報を受信すると、あらかじめ記憶された仮想軌跡の中から、前記受信したロボット式手術機構の種類に対応する仮想軌跡を検索する仮想軌跡生成部と、を備える、
   手術ロボット用マスター装置。
2. 前記仮想軌跡生成部は、
   操作者に関する情報及び手術過程に関する情報のうち少なくとも一つを受信すると、該受信した少なくとも一つの情報に基づいて、前記検索された仮想軌跡から新しい仮想軌跡を生成する、請求項１に記載の手術ロボット用マスター装置。
3. 前記マイクロモーション生成部は、
   前記少なくとも一つの多関節ロボット指の先端が前記新しい仮想軌跡に沿って移動するように制御するための制御信号を生成する、請求項２に記載の手術ロボット用マスター装置。
4. 操作者の手首に対応する位置に設けられ、前記ハンドル部をｘ、ｙ、ｚ軸のうち少なくとも一軸を中心に回転させるための手首支持部と、
   前記手首支持部と連結され、前記手首支持部を並進運動させるためのリンク部と、
   をさらに備える、請求項１乃至３いずれか一項に記載の手術ロボット用マスター装置。
5. 前記手首支持部の回転情報に基づいて前記ロボット式手術機構の姿勢を制御するための制御信号を生成し、前記手首支持部の位置情報に基づいて前記ロボット式手術機構の位置を制御するための制御信号を生成するマクロモーション制御部をさらに備える、請求項４に記載の手術ロボット用マスター装置。
6. 前記マイクロモーション生成部で生成された制御信号と前記マクロモーション制御部で生成された制御信号とを融合して、前記ロボット式手術機構のモーションを制御するための最終モーション制御信号を生成するモーション融合部をさらに備える、請求項５に記載の手術ロボット用マスター装置。
7. 前記モーション融合部は、
   前記マイクロモーション生成部で生成された制御信号と前記マクロモーション制御部で生成された制御信号にそれぞれ重み付け値を適用する、請求項６に記載の手術ロボット用マスター装置。
8. 前記リンク部は、
   前記手首支持部が設けられた第１リンクと、
   前記第１リンクの他端に連結された第２リンクと、
   前記第２リンクの他端に連結された第３リンクと、
   前記第３リンクの他端及び前記第１リンクに連結された第４リンクと、を備え、
   前記第１リンク、前記第２リンク、前記第３リンク及び前記第４リンクは平行四辺形の構造になっている、請求項４乃至７いずれか一項に記載の手術ロボット用マスター装置。
9. 前記リンク部は、
   前記第１リンクの一方側に設けられた第１プーリーと、
   前記第１リンクと前記第４リンクとが結合する回転軸上に配置された第２プーリーと、
   前記第３リンクと前記第４リンクとが結合する回転軸上に配置された第３プーリーと、
   前記第１プーリーの第１溝、前記第２プーリーの第１溝、及び前記第３プーリーの第１溝に巻かれた第１ケーブルと、
   前記第１プーリーの第２溝、前記第２プーリーの第２溝、及び前記第３プーリーの第３溝に巻かれた第２ケーブルと、
   をさらに備える、請求項８に記載の手術ロボット用マスター装置。
10. 前記第１ケーブルの一端は、前記第１プーリーの第１溝に設けられたケーブル固定部に固定され、前記第１ケーブルの他端は、前記第２プーリーの第１溝に第１方向に巻かれた後、前記第３プーリーの第１溝に設けられたケーブル固定部に固定され、
    前記第２ケーブルの一端は、前記第１プーリーの第２溝に設けられたケーブル固定部に固定され、前記第２ケーブルの他端は、前記第２プーリーの第２溝に第２方向に巻かれた後、前記第３プーリーの第２溝に設けられたケーブル固定部に固定される、請求項９に記載の手術ロボット用マスター装置。
11. 前記リンク部は、前記第１乃至第４リンクが回転することによって変わる前記第１ケーブルの長さ及び前記第２ケーブルの長さを補償し、前記手首支持部の姿勢を維持させる、請求項１０に記載の手術ロボット用マスター装置。
12. 前記マイクロモーション生成部は、
    前記少なくとも一つの多関節ロボット指の先端の現在位置が前記仮想軌跡から外れた場合、前記仮想軌跡上において前記現在位置から最短距離にある地点を検出し、前記検出された地点と前記現在位置とを連結する垂直方向に加えられる力の大きさ、及び前記検出された地点における接線方向に加えられる力の大きさを調節する、請求項１乃至１１いずれか一項に記載の手術ロボット用マスター装置。
13. 手術ロボット用マスター装置の作動方法であって、
    該手術ロボット用マスター装置は、スレーブ装置のロボットアームに設けられたロボット式手術機構を制御するための少なくとも一つの多関節ロボット指を有するハンドル部、を備え、 マイクロモーション生成部が、前記少なくとも一つの多関節ロボット指の先端があらかじめ定義された仮想軌跡に沿って移動するように制御するための制御信号を生成するステップと、
    仮想軌跡生成部が、前記ロボット式手術機構の種類に関する情報を受信すると、あらかじめ記憶された仮想軌跡の中から、前記受信したロボット式手術機構の種類に対応する仮想軌跡を検索するステップと、
    を含む、作動方法。
14. 前記手術ロボット用マスター装置の作動方法は、さらに、
    前記仮想軌跡生成部が、操作者に関する情報及び手術過程に関する情報のうち少なくとも一つを受信すると、該受信した少なくとも一つの情報に基づいて、前記検索された仮想軌跡から新しい仮想軌跡を生成するステップ、を含む、請求項１３に記載の作動方法。
15. 前記手術ロボット用マスター装置の作動方法は、さらに、
    マクロモーション制御部が、操作者の手首に対応する位置に設けられ、前記ハンドル部を所定の軸方向に回転させるための手首支持部の回転情報に基づいて、前記ロボット式手術機構の姿勢を制御するための制御信号を生成するステップと、
    前記マクロモーション制御部が、前記手首支持部の位置情報に基づいて、前記ロボット式手術機構の位置を制御するための制御信号を生成するするステップと、
    をさらに含む、請求項１３または１４に記載の作動方法。
16. 前記マイクロモーション生成部が、
    前記少なくとも一つの多関節ロボット指の先端の現在位置が前記仮想軌跡から外れた場合、前記仮想軌跡上において前記現在位置から最短距離にある地点を検出するステップと、
    前記マイクロモーション生成部が、前記検出された地点と前記現在位置とを連結する垂直方向に加えられる力の大きさ、及び前記検出された地点における接線方向に加えられる力の大きさを調節するステップと、を含む、請求項１３乃至１５いずれか一項に記載の作動方法。
    

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