JP7223734B2 - 手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法に関し、特に、操作部が受け付けた操作に基づいて医療器具の動作を制御する手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法に関する。

従来、操作部が受け付けた操作に基づいて医療器具の移動を制御するロボット外科用システムが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、外科医が操作するマスターマニピュレータ（操作部）を有するコンソールと、マスターマニピュレータが受け付けた外科医の操作に基づいて移動するスレーブマニピュレータ（アーム）とを備えるロボット手術システムが開示されている。このロボット手術システムでは、スレーブマニピュレータの末端には、ツール（医療器具）が設けられている。スレーブマニピュレータは、関節によって接続される複数のリンクを含む。

また、上記特許文献１のロボット手術システムでは、スレーブマニピュレータ（アーム）の関節に対応するように関節制御部が設けられている。関節制御部は、マスターマニピュレータ側からの関節位置指令値に対して線形フィルタを適用する。そして、線形フィルタが適用された後の関節位置指令値を関節に送信し、関節を駆動する。これにより、関節位置指令値（信号）の振動が線形フィルタにより低減されるので、関節位置指令値に基づいてスレーブマニピュレータを動作させた際に、スレーブマニピュレータの振動を低減することが可能になる。また、関節制御部は、エンコーダにより検出された関節の位置情報をマスターマニピュレータ側にフィードバックする。上記の線形フィルタは、制御の遅れを発生させるので、上記特許文献１では、このフィードバックの経路に逆フィルタを設けることにより、制御の遅れを補償する。

米国特許第７８６５２６９号明細書

しかしながら、上記特許文献１のロボット手術システムでは、エンコーダにより検出されたスレーブマニピュレータの関節の位置情報をマスターマニピュレータ側にフィードバックする経路に、制御の遅れを補償するための逆フィルタが設けられている。このため、上記特許文献１のロボット手術システムでは、マスターマニピュレータ（操作者側装置）側からスレーブマニピュレータ（患者側装置）側に送信される関節位置指令値（信号）の振動を線形フィルタにより低減することができるものの、マスターマニピュレータ（操作者側装置）側からスレーブマニピュレータ（患者側装置）側に送信される関節位置指令値（信号）において、制御の遅れを補償（低減）できないという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、操作者側装置側から患者側装置側に送信される信号において、信号の振動を低減して患者側装置の振動を低減しながら、制御の遅れを低減することが可能な手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による手術支援システムは、手術支援システムであって、先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置である医療用マニピュレータと、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、受け付けられた操作に対応する医療器具の位置を示す入力位置信号に基づいて、医療器具の位置を示す出力位置信号を出力し、医療器具の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、入力位置信号に基づいて、医療器具の動作速度に関する信号である動作速度信号を算出し、算出された動作速度信号の、医療用マニピュレータの振動に対応する周波数帯域を含む第１の周波数帯域に対応する成分を増幅させる第１フィルタを動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出し、第１フィルタ後信号のうち制限値を超える部分を除去するように第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出し、制限後信号に対して、第１フィルタによる位相の進みを相殺するように第１の周波数帯域に対応する成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出し、第２フィルタ後信号に基づいて、出力位置信号を算出する。なお、動作速度信号は、速度信号、加速度信号および加加速度信号のうちのいずれか一つを含む概念である。

この発明の第１の局面による手術支援システムでは、上記のように、制御部は、入力位置信号に基づいて、医療器具の動作速度に関する信号である動作速度信号を算出し、算出された動作速度信号の第１の周波数帯域の成分を増幅させる第１フィルタを動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出し、第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出し、制限後信号に対して、第１の周波数帯域の成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出し、第２フィルタ後信号に基づいて、出力位置信号を算出する。ここで、第１フィルタを適用せずに第２フィルタのみを適用した場合、動作速度信号の第１の周波数帯域の成分は低減されるので、成分の低減後の動作速度信号に基づいて医療器具の出力位置信号を算出することにより、動作速度信号の振動を低減することが可能である一方、第２フィルタを適用することに起因する制御の遅れ（位相の遅れ）が発生する。そこで、上記のように、第１フィルタと第２フィルタとの両方を適用することにより、第１フィルタによる制御（位相）の進みと、第２フィルタによる制御（位相）の遅れとが相殺されるので、制御の遅れを低減することができる。なお、単に、第１フィルタと第２フィルタとを適用すると動作速度信号に対して何も作用させない状態となる。そこで、上記のように、第１フィルタ後信号に対して制限をかけて制限後信号を算出することにより、動作速度信号の第１の周波数帯域の成分のうちの比較的大きな成分が除去されるので、除去後の制限後信号に基づいて医療器具の出力位置信号を算出することにより、動作速度信号の振動を低減することができる。これらの結果、操作者側装置側から患者側装置側に送信される信号において、信号の振動を低減して患者側装置の振動を低減しながら、制御の遅れを低減することができる。

この発明の第２の局面による手術支援システムの制御装置は、先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置である医療用マニピュレータと、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置とを備える手術支援システムの制御装置であって、受け付けられた操作に対応する医療器具の位置を示す入力位置信号に基づいて、医療器具の位置を示す出力位置信号を出力し、医療器具の動作を制御する制御部を備え、制御部は、入力位置信号に基づいて、医療器具の動作速度に関する信号である動作速度信号を算出し、算出された動作速度信号の、医療用マニピュレータの振動に対応する周波数帯域を含む第１の周波数帯域に対応する成分を増幅させる第１フィルタを動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出し、第１フィルタ後信号のうち制限値を超える部分を除去するように第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出し、制限後信号に対して、第１フィルタによる位相の進みを相殺するように第１の周波数帯域に対応する成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出し、第２フィルタ後信号に基づいて、出力位置信号を算出する。

この発明の第２の局面による手術支援システムの制御装置では、上記のように、制御部は、入力位置信号に基づいて、医療器具の動作速度に関する信号である動作速度信号を算出し、算出された動作速度信号の第１の周波数帯域の成分を増幅させる第１フィルタを動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出し、第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出し、制限後信号に対して、第１の周波数帯域の成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出し、第２フィルタ後信号に基づいて、出力位置信号を算出する。ここで、第１フィルタを適用せずに第２フィルタのみを適用した場合、動作速度信号の第１の周波数帯域の成分は低減されるので、成分の低減後の動作速度信号に基づいて医療器具の出力位置信号を算出することにより、動作速度信号の振動を低減することが可能である一方、第２フィルタを適用することに起因する制御の遅れ（位相の遅れ）が発生する。そこで、上記のように、第１フィルタと第２フィルタとの両方を適用することにより、第１フィルタによる制御（位相）の進みと、第２フィルタによる制御（位相）の遅れとが相殺されるので、制御の遅れを低減することができる。なお、単に、第１フィルタと第２フィルタとを適用すると動作速度信号に対して何も作用させない状態となる。そこで、上記のように、第１フィルタ後信号に対して制限をかけて制限後信号を算出することにより、動作速度信号の第１の周波数帯域の成分のうちの比較的大きな成分が除去されるので、除去後の制限後信号に基づいて医療器具の出力位置信号を算出することにより、動作速度信号の振動を低減することができる。これらの結果、操作者側装置側から患者側装置側に送信される信号において、信号の振動を低減して患者側装置の振動を低減しながら、制御の遅れを低減することが可能な手術支援システムの制御装置を提供することができる。

この発明の第３の局面による手術支援システムの制御方法は、先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置である医療用マニピュレータと、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置とを備える手術支援システムの制御方法であって、医療器具に対する操作を受け付けるステップと、受け付けられた操作に対応する医療器具の位置を示す入力位置信号に基づいて、医療器具の動作速度に関する信号である動作速度信号を算出するステップと、算出された動作速度信号の、医療用マニピュレータの振動に対応する周波数帯域を含む所定の周波数帯域に対応する成分を増幅させる第１フィルタを動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出するステップと、第１フィルタ後信号のうち制限値を超える部分を除去するように第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出するステップと、制限後信号に対して、第１フィルタによる位相の進みを相殺するように所定の周波数帯域に対応する成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出するステップと、第２フィルタ後信号に基づいて、医療器具の位置を示す出力位置信号を算出するステップと、を備える。

この発明の第３の局面による手術支援システムの制御方法では、上記のように、算出された動作速度信号の所定の周波数帯域の成分を増幅させる第１フィルタを動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出するステップと、第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出するステップと、制限後信号に対して、所定の周波数帯域の成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出するステップと、第２フィルタ後信号に基づいて、医療器具の位置を示す出力位置信号を算出するステップとを備える。ここで、第１フィルタを適用せずに第２フィルタのみを適用した場合、動作速度信号の第１の周波数帯域の成分は低減されるので、成分の低減後の動作速度信号に基づいて医療器具の出力位置信号を算出することにより、動作速度信号の振動を低減することが可能である一方、第２フィルタを適用することに起因する制御の遅れ（位相の遅れ）が発生する。そこで、上記のように、第１フィルタと第２フィルタとの両方を適用することにより、第１フィルタによる制御（位相）の進みと、第２フィルタによる制御（位相）の遅れとが相殺されるので、制御の遅れを低減することができる。なお、単に、第１フィルタと第２フィルタとを適用すると動作速度信号に対して何も作用させない状態となる。そこで、上記のように、第１フィルタ後信号に対して制限をかけて制限後信号を算出することにより、動作速度信号の第１の周波数帯域の成分のうちの比較的大きな成分が除去されるので、除去後の制限後信号に基づいて医療器具の出力位置信号を算出することにより、動作速度信号の振動を低減することができる。これらの結果、操作者側装置側から患者側装置側に送信される信号において、信号の振動を低減して患者側装置の振動を低減しながら、制御の遅れを低減することが可能な手術支援システムの制御装置を提供することが可能な手術支援システムの制御方法を提供することができる。

本発明によれば、上記のように、操作者側装置側から患者側装置側に送信される信号において、信号の振動を低減しながら、制御の遅れを低減することができる。

本発明の一実施形態による外科手術システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による医療用マニピュレータの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による医療用マニピュレータのアームの構成を示す図である。 鉗子を示す図である。 本発明の一実施形態による医療用マニピュレータの操作部の構成を示す斜視図である。 内視鏡を示す図である。 ピボット位置教示器具を示す図である。 アームの並進移動を説明するための図である。 アームの回転移動を説明するための図である。 本発明の一実施形態による医療用マニピュレータの制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるサーボ制御部（非線形ノッチフィルタ）のブロック図である。 本発明の一実施形態による非線形ノッチフィルタを説明するためのイメージ図（１）である。 本発明の一実施形態による非線形ノッチフィルタを説明するためのイメージ図（２）である。 本発明の一実施形態による加速度の制限の範囲を示すイメージ図である。 本発明の一実施形態によるサーボ制御部のブロック図（第２ノッチフィルタ）である。 周波数と加速度の大きさとの関係を示す図である。 周波数と制御の遅れ（位相）との関係を示す図である。 図１７の拡大図である。 本発明の一実施形態による外科手術システムの制御方法を説明するためのフロー図である。

以下、本発明を具体化した本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１～図１８を参照して、本実施形態による外科手術システム１００の構成について説明する。外科手術システム１００は、患者Ｐ側装置である医療用マニピュレータ１と、医療用マニピュレータ１を操作するための操作者側装置である遠隔操作装置２とを備えている。医療用マニピュレータ１は医療用台車３を備えており、移動可能に構成されている。遠隔操作装置２は、医療用マニピュレータ１から離間した位置に配置されており、医療用マニピュレータ１は、遠隔操作装置２により遠隔操作されるように構成されている。術者は、医療用マニピュレータ１に所望の動作を行わせるための指令を遠隔操作装置２に入力する。遠隔操作装置２は、入力された指令を医療用マニピュレータ１に送信する。医療用マニピュレータ１は、受信した指令に基づいて動作する。また、医療用マニピュレータ１は、滅菌された滅菌野である手術室内に配置されている。なお、外科手術システム１００は、特許請求の範囲の「手術支援システム」の一例である。

遠隔操作装置２は、たとえば、手術室の中または手術室の外に配置されている。遠隔操作装置２は、操作用マニピュレータアーム２１と、操作ペダル２２と、タッチパネル２３と、モニタ２４と、支持アーム２５と、支持バー２６とを含む。操作用マニピュレータアーム２１は、術者が指令を入力するための操作用のハンドルを構成する。操作用マニピュレータアーム２１は、医療器具４に対する操作量を受け付ける。モニタ２４は、内視鏡により撮影された画像を表示するスコープ型表示装置である。支持アーム２５は、モニタ２４の高さを術者の顔の高さに合わせるようにモニタ２４を支持する。タッチパネル２３は、支持バー２６に配置されている。モニタ２４近傍に設けられた図示しないセンサにより術者の頭部を検知することにより医療用マニピュレータ１は遠隔操作装置２による操作が可能になる。術者は、モニタ２４により患部を視認しながら、操作用マニピュレータアーム２１および操作ペダル２２を操作する。これにより、遠隔操作装置２に指令が入力される。遠隔操作装置２に入力された指令は、医療用マニピュレータ１に送信される。なお、操作用マニピュレータアーム２１は、特許請求の範囲の「操作部」の一例である。

医療用台車３には、医療用マニピュレータ１の動作を制御する制御部３１と、医療用マニピュレータ１の動作を制御するためのプログラムなどが記憶される記憶部３２とが設けられている。そして、遠隔操作装置２に入力された指令に基づいて、医療用台車３の制御部３１は、医療用マニピュレータ１の動作を制御する。

また、医療用台車３には、入力装置３３が設けられている。入力装置３３は、主に施術前に手術の準備を行うために、ポジショナ４０、アームベース５０、および、複数のアーム６０の移動や姿勢の変更の操作を受け付けるように構成されている。

図１および図２に示す医療用マニピュレータ１は、手術室内に配置されている。医療用マニピュレータ１は、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０と、複数のアーム６０とを備えている。アームベース５０は、ポジショナ４０の先端に取り付けられている。アームベース５０は、比較的長い棒形状（長尺形状）を有する。また、複数のアーム６０は、各々のアーム６０の根元部が、アームベース５０に取り付けられている。複数のアーム６０は、折り畳まれた姿勢（収納姿勢）をとることが可能に構成されている。アームベース５０と、複数のアーム６０とは、図示しない滅菌ドレープにより覆われて使用される。

ポジショナ４０は、たとえば、７軸多関節ロボットにより構成されている。また、ポジショナ４０は、医療用台車３上に配置されている。ポジショナ４０は、アームベース５０を移動させる。具体的には、ポジショナ４０は、アームベース５０の位置を３次元に移動させるように構成されている。

また、ポジショナ４０は、ベース部４１と、ベース部４１に連結された複数のリンク部４２とを含む。複数のリンク部４２同士は、関節部４３により連結されている。

図１に示すように、複数のアーム６０の各々の先端には、医療器具４が取り付けられている。医療器具４は、たとえば、取り換え可能なインストゥルメント、内視鏡６（図６参照）などを含む。

図３に示すように、インストゥルメントには、アーム６０のホルダ７１に設けられたサーボモータＭ２によって駆動される被駆動ユニット４ａが設けられている。また、インストゥルメントの先端には、鉗子４ｂが設けられている。

また、図４に示すように、インストゥルメントは、鉗子４ｂを第１軸Ａ１について回転可能に支持する第１支持体４ｅと、第１支持体４ｅを第２軸Ａ２について回転可能に支持する第２支持体４ｆと、第２支持体４ｆに接続されるシャフト４ｃとを含む。被駆動ユニット４ａと、シャフト４ｃと、第２支持体４ｆと、第１支持体４ｅと、鉗子４ｂとは、Ｚ方向に沿って配置されている。

第１支持体４ｅには、第１軸Ａ１の回転軸線Ｒ１周りに回転するように鉗子４ｂが取り付けられている。また、第２支持体４ｆは、第１支持体４ｅを第２軸Ａ２について回転可能に支持している。つまり、第２支持体４ｆには、第２軸Ａ２の回転軸線Ｒ２周りに回転するように第１支持体４ｅが取り付けられている。また、第１支持体４ｅの先端側（Ｚ１方向側）の部分は、Ｕ字形状を有している。第１支持体４ｅのＵ字形状の先端側の部分の回転軸線Ｒ１方向における中央部にツールセンタポイント（ＴＣＰ１、クレビス）が設定されている。

また、図６に示すように、内視鏡６のＴＣＰ２は、内視鏡６の先端に設定されている。

次に、アーム６０の構成について詳細に説明する。

図３に示すように、アーム６０は、アーム部６１（ベース部６２、リンク部６３、関節部６４）と、アーム部６１の先端に設けられる並進移動機構部７０とを含む。アーム６０は、アーム６０の根元側（アームベース５０）に対して先端側を３次元に移動させるように構成されている。なお、複数のアーム６０は、互いに同様の構成を有する。

並進移動機構部７０は、アーム部６１の先端側に設けられるとともに医療器具４が取り付けられている。また、並進移動機構部７０は、医療器具４を患者Ｐに挿入する方向に並進移動させる。また、並進移動機構部７０は、医療器具４をアーム部６１に対して相対的に並進移動させるように構成されている。具体的には、並進移動機構部７０には、医療器具４を保持するホルダ７１が設けられている。ホルダ７１には、サーボモータＭ２（図１０参照）が収容されている。サーボモータＭ２は、医療器具４の被駆動ユニット４ａに設けられた回転体を回転させるように構成されている。被駆動ユニット４ａの回転体が回転されることにより、鉗子４ｂが動作される。

アーム部６１は、７軸多関節ロボットアームから構成されている。また、アーム部６１は、アーム部６１をアームベース５０に取り付けるためのベース部６２と、ベース部６２に連結された複数のリンク部６３とを含む。複数のリンク部６３同士は、関節部６４により連結されている。

並進移動機構部７０は、ホルダ７１をＺ方向に沿って並進移動させることにより、ホルダ７１に取り付けられた医療器具４をＺ方向（シャフト４ｃが延びる方向）に沿って並進移動させるように構成されている。具体的には、並進移動機構部７０は、アーム部６１の先端に接続される基端側リンク部７２と、先端側リンク部７３と、基端側リンク部７２と先端側リンク部７３との間に設けられる連結リンク部７４とを含む。また、ホルダ７１は、先端側リンク部７３に設けられている。

そして、並進移動機構部７０の連結リンク部７４は、基端側リンク部７２に対して、先端側リンク部７３を、Ｚ方向に沿って相対的に移動させる倍速機構として構成されている。また、基端側リンク部７２に対して先端側リンク部７３がＺ方向に沿って相対的に移動されることにより、ホルダ７１に設けられた医療器具４が、Ｚ方向に沿って並進移動するように構成されている。また、アーム部６１の先端は、基端側リンク部７２を、Ｚ方向に直交するＸ方向を軸として回動させるように基端側リンク部７２に接続されている。

また、図５に示すように、医療用マニピュレータ１は、アーム６０に取り付けられ、アーム６０を操作する操作部８０を備えている。操作部８０は、イネーブルスイッチ８１と、ジョイスティック８２とスイッチ部８３とを含む。イネーブルスイッチ８１は、ジョイスティック８２およびスイッチ部８３によるアーム６０の移動を許可または不許可とする。また、イネーブルスイッチ８１は、操作者（看護師、助手など）が操作部８０を把持して押下されることによりアーム６０による医療器具４の移動を許可する状態となる。

また、スイッチ部８３は、医療器具４の長手方向に沿った医療器具４を患者Ｐに挿入する方向側に医療器具４を移動させるスイッチ部８３ａと、医療器具４を患者Ｐに挿入する方向と反対側に医療器具４を移動させるスイッチ部８３ｂとを含む。スイッチ部８３ａとスイッチ部８３ｂとは、共に、押しボタンスイッチから構成されている。

また、図５に示すように、操作部８０は、アーム６０に取り付けられた医療器具４の移動の支点（図９参照）となるピボット位置ＰＰを教示するピボットボタン８５を含む。ピボットボタン８５は、操作部８０の面８０ｂに、イネーブルスイッチ８１に隣り合うように設けられている。そして、内視鏡６（図６参照）またはピボット位置教示器具７（図７）の先端が、患者Ｐの体表面Ｓに挿入されたトロカールＴの挿入位置に対応する位置まで移動された状態で、ピボットボタン８５が押下されることによりピボット位置ＰＰが教示され、記憶部３２に記憶される。なお、ピボット位置ＰＰの教示において、ピボット位置ＰＰは、１つの点（座標）として設定され、ピボット位置ＰＰの教示は、医療器具４の方向を設定するものではない。

また、図１に示すように、複数のアーム６０のうちの一つのアーム６０（たとえば、アーム６０ｂ）には内視鏡６が取り付けられ、残りのアーム６０（たとえば、アーム６０ａ、６０ｃおよび６０ｄ）には、内視鏡６以外の医療器具４が取り付けられる。具体的には、手術において、４つのアーム６０のうちの１つのアーム６０に内視鏡６が取り付けられ、３つのアーム６０に内視鏡６以外の医療器具４（鉗子４ｂなど）が取り付けられる。そして、内視鏡６が取り付けられているアーム６０に対して、内視鏡６が取り付けられた状態でピボット位置ＰＰが教示される。また、内視鏡６以外の医療器具４が取り付けられるアーム６０に対して、ピボット位置教示器具７が取り付けられた状態でピボット位置ＰＰが教示される。なお、内視鏡６は、互いに隣り合うように配置されている４つのアーム６０のうちの、中央に配置される２つのアーム６０（アーム６０ｂおよび６０ｃ）のうちのいずれかに取り付けられる。すなわち、ピボット位置ＰＰは、複数のアーム６０毎に個別に設定される。

また、図５に示すように、操作部８０の面８０ｂには、アーム６０の位置を最適化するためのアジャストメントボタン８６が設けられている。内視鏡６が取り付けられたアーム６０に対するピボット位置ＰＰの教示後、アジャストメントボタン８６が押下されることにより、他のアーム６０（アームベース５０）の位置が最適化される。

また、図５に示すように、操作部８０は、アーム６０に取り付けられた医療器具４を並進移動（図８参照）させるモードと、回転移動（図９参照）させるモードとを切り替えるモード切替ボタン８４を含む。また、モード切替ボタン８４の近傍には、モードインジケータ８４ａが設けられている。モードインジケータ８４ａは、切り替えられたモードを表示する。具体的には、モードインジケータ８４ａが点灯（回転移動モード）または消灯（並進移動モード）されることにより、現在のモード（並進移動モードまたは回転移動モード）が表示される。

また、モードインジケータ８４ａは、ピボット位置ＰＰが教示されたことを表示するピボット位置インジケータを兼ねている。

図８に示すように、アーム６０を並進移動させるモードでは、医療器具４の先端４ｄが、Ｘ－Ｙ平面上において移動するように、アーム６０が移動される。また、図９に示すように、アーム６０を回転移動させるモードでは、ピボット位置ＰＰが教示されていない時は、鉗子４ｂを中心に回転移動し、ピボット位置ＰＰが教示されている時は、ピボット位置ＰＰを支点として医療器具４が回転移動するように、アーム６０が移動される。なお、医療器具４のシャフト４ｃがトロカールＴに挿入された状態で、医療器具４が回転移動される。

また、図１０に示すように、アーム６０には、アーム部６１の複数の関節部６４に対応するように、複数のサーボモータＭ１と、エンコーダＥ１と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ１は、サーボモータＭ１の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ１の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

また、図１０に示すように、並進移動機構部７０には、医療器具４の被駆動ユニット４ａに設けられた回転体を回転させるためのサーボモータＭ２と、医療器具４を並進移動させるためのサーボモータＭ３と、エンコーダＥ２およびエンコーダＥ３と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ２およびエンコーダＥ３は、それぞれ、サーボモータＭ２およびサーボモータＭ３の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ２およびサーボモータＭ３の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

また、ポジショナ４０には、ポジショナ４０の複数の関節部４３に対応するように、複数のサーボモータＭ４と、エンコーダＥ４と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ４は、サーボモータＭ４の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ４の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

また、医療用台車３には、医療用台車３の複数の前輪（図示せず）の各々を駆動するサーボモータＭ５と、エンコーダＥ５と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ５は、サーボモータＭ５の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ５の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

医療用台車３の制御部３１は、指令に基づいて複数のアーム６０の移動を制御するアーム制御部３１ａと、指令に基づいてポジショナ４０の移動および医療用台車３の前輪（図示せず）の駆動を制御するポジショナ制御部３１ｂとを含む。アーム制御部３１ａには、アーム６０を駆動するためのサーボモータＭ１を制御するためのサーボ制御部Ｃ１が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ１には、サーボモータＭ１の回転角を検出するためのエンコーダＥ１が電気的に接続されている。

また、アーム制御部３１ａには、医療器具４を駆動するためのサーボモータＭ２を制御するためのサーボ制御部Ｃ２が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ２には、サーボモータＭ２の回転角を検出するためのエンコーダＥ２が電気的に接続されている。また、アーム制御部３１ａには、並進移動機構部７０を並進移動するためのサーボモータＭ３を制御するためのサーボ制御部Ｃ３が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ３には、サーボモータＭ３の回転角を検出するためのエンコーダＥ３が電気的に接続されている。

そして、遠隔操作装置２に入力された動作指令が、アーム制御部３１ａに入力される。アーム制御部３１ａは、入力された動作指令と、エンコーダＥ１（Ｅ２、Ｅ３）により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１（Ｃ２、Ｃ２）に出力する。サーボ制御部Ｃ１（Ｃ２、Ｃ３）は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令（入力位置信号ｘ_ｉｎ）と、エンコーダＥ１（Ｅ２、Ｅ３）により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１（Ｍ２、Ｍ３）に出力する。これにより、遠隔操作装置２に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。

具体的には、本実施形態では、図１１に示すように、サーボ制御部Ｃ１は、医療器具４の位置を示す入力位置信号ｘ_ｉｎに基づいて、速度信号ｖ、加速度信号ａおよび加加速度信号ｂのうちのいずれか一つの動作速度信号（本実施形態では、加速度信号ａ）を算出する。詳細には、サーボ制御部Ｃ１は、入力位置信号ｘ_ｉｎを微分（差分）することにより、速度信号ｖを算出する。また、サーボ制御部Ｃ１は、入力位置信号ｘ_ｉｎからフィードバックされた出力位置信号ｘ_ｏｕｔを減算するともに、減算後の値に位置ゲインＫ_ｐを乗算する。そして、サーボ制御部Ｃ１は、位置ゲインＫ_ｐが乗算された値を、速度信号ｖに加算して速度信号ｖ_１を算出する。なお、サーボ制御部Ｃ１は、特許請求の範囲の「制御部」および「手術支援システムの制御装置」の一例である。また、加速度信号ａは、特許請求の範囲の「動作速度信号」の一例である。

また、サーボ制御部Ｃ１は、速度信号ｖ_１を微分（差分）することにより、加速度信号ａを算出する。また、サーボ制御部Ｃ１は、速度信号ｖ_１からフィードバックされたフィルタ後速度信号ｖ_２を減算するともに、減算後の値に速度ゲインＫ_ｖを乗算する。そして、サーボ制御部Ｃ１は、速度ゲインＫ_ｖが乗算された値を加速度信号ａに加算して加速度信号ａ_１を算出する。

そして、サーボ制御部Ｃ１は、算出した加速度信号ａ_１の第１の周波数帯域Ｈ_１（図１６参照）の成分を増幅させる逆ノッチフィルタＩＮＦを適用して、逆フィルタ後加速度信号ａ_２を算出する。なお、第１の周波数帯域Ｈ_１は、たとえば、操作用マニピュレータアーム２１を操作するユーザの手ぶれに対応する周波数帯域である。図１２のイメージ図に示すように、逆ノッチフィルタＩＮＦを適用することにより、加速度信号ａ_１のうちの第１の周波数帯域Ｈ_１の成分が増幅される（図１２の矢印Ａ参照）。なお、逆ノッチフィルタＩＮＦが適用されることにより、逆フィルタ後加速度信号ａ_２の位相（制御）が進むことになる。また、逆ノッチフィルタＩＮＦは、特許請求の範囲の「第１フィルタ」の一例である。また、逆フィルタ後加速度信号ａ_２は、特許請求の範囲の「第１フィルタ後信号」および「第１フィルタ後加速度信号」の一例である。また、第１の周波数帯域Ｈ_１は、特許請求の範囲の「所定の周波数帯域」の一例である。

また、図１１に示すように、サーボ制御部Ｃ１は、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対して制限をかけて、制限後加速度信号ａ_３を算出する。図１２のイメージ図に示すように、増幅された逆フィルタ後加速度信号ａ_２のうち、制限値を超える部分が除去される（図１２のハッチングの領域参照）。なお、図１２では、制限値が一定に示されているが、後述するように制限値は、加速度信号ａの振幅に応じて変化する。また、制限後加速度信号ａ_３は、特許請求の範囲の「制限後信号」の一例である。

また、図１１に示すように、サーボ制御部Ｃ１は、制限後加速度信号ａ_３に対して、第１の周波数帯域Ｈ_１の成分を減少させるノッチフィルタＮＦを適用してフィルタ後加速度信号ａ_４を算出する。図１２のイメージ図に示すように、ノッチフィルタＮＦを適用することにより、制限後加速度信号ａ_３のうちの第１の周波数帯域Ｈ_１の成分が低減される（図１２の矢印Ｂ参照）。なお、ノッチフィルタＮＦが適用されることにより、フィルタ後加速度信号ａ_４の位相（制御）が遅れることになる。また、ノッチフィルタＮＦは、特許請求の範囲の「第２フィルタ」の一例である。また、フィルタ後加速度信号ａ_４は、特許請求の範囲の「第２フィルタ後信号」および「第２フィルタ後加速度信号」の一例である。

なお、具体的には、１つのノッチフィルタＮＦにより制限後加速度信号ａ_３の第１の周波数帯域Ｈ_１の成分を減少させるのではなく、複数の非線形ノッチフィルタ（逆ノッチフィルタＩＮＦとノッチフィルタＮＦとを適用するノッチフィルタ）を直列に並べるとともに、複数の非線形ノッチフィルタの各々が、第１の周波数帯域Ｈ_１の範囲内の互いに異なる周波数帯域の成分を低減している。

そして、逆ノッチフィルタＩＮＦとノッチフィルタＮＦとの両方を適用することにより、逆ノッチフィルタＩＮＦによる制御（位相）の進みと、ノッチフィルタＮＦによる制御（位相）の遅れが相殺される。そして、図１３に示すように、第１の周波数帯域Ｈ_１の成分が低減されるとともに位相の遅れが低減されたフィルタ後加速度信号ａ_４が求められる。

また、図１１に示すように、本実施形態では、サーボ制御部Ｃ１は、ノッチフィルタＮＦが適用されたフィルタ後加速度信号ａ_４に基づいて、フィルタ後速度信号ｖ_２および出力位置信号ｘ_ｏｕｔを算出する。具体的には、サーボ制御部Ｃ１は、フィルタ後加速度信号ａ_４を積分することによりフィルタ後速度信号ｖ_２を算出する。また、サーボ制御部Ｃ１は、フィルタ後速度信号ｖ_２を積分することにより出力位置信号ｘ_ｏｕｔを算出する。そして、サーボ制御部Ｃ１は、フィルタ後速度信号ｖ_２および出力位置信号ｘ_ｏｕｔを、フィードバックする。具体的には、サーボ制御部Ｃ１は、速度信号ｖ_１から、１サンプル前（制御周期の１周期前）のフィルタ後速度信号ｖ_２を減算する。また、サーボ制御部Ｃ１は、入力位置信号ｘ_ｉｎから、１サンプル前の出力位置信号ｘ_ｏｕｔを減算する。

なお、上記のように、逆ノッチフィルタＩＮＦとノッチフィルタＮＦとを適用するノッチフィルタは、非線形ノッチフィルタである。ここで、「非線形ノッチフィルタ」とは、ノッチフィルタを微分方程式により表した場合、微分方程式が非線形になる場合のノッチフィルタを意味する。

また、本実施形態では、図１１に示すように、サーボ制御部Ｃ１は、速度信号ｖ_１および加加速度信号ｂに基づいて、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対する制限の上限値および下限値を算出する。具体的には、サーボ制御部Ｃ１は、速度信号ｖの絶対値を算出し、速度信号ｖの絶対値に対してローパスフィルタ（ＬＰＦ）を適用する。そして、サーボ制御部Ｃ１は、ＬＰＦを適用した値に対して、ゲインＫ_１を乗算して、値ｃ_１を算出する。

また、サーボ制御部Ｃ１は、加速度信号ａを微分（差分）して、加加速度信号ｂを算出する。また、サーボ制御部Ｃ１は、加加速度信号ｂの絶対値を算出し、加加速度信号ｂの絶対値に対してＬＰＦを適用する。そして、サーボ制御部Ｃ１は、ＬＰＦを適用した値に対して、ゲインＫ_２を乗算して、値ｃ_２を算出する。

そして、サーボ制御部Ｃ１は、値ｃ_１と値ｃ_２とを加算して、値ｃ_３を算出し、値ｃ_３と加速度信号ａ_１とを加算して、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対する上限値を算出する。また、サーボ制御部Ｃ１は、加速度信号ａ_１から値ｃ_３を減算して、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対する下限値を算出する。これにより、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対する制限の幅（上限値と下限値との間の幅）が算出される。

また、本実施形態では、サーボ制御部Ｃ１は、加速度信号ａの振幅に応じた制限の上限値および下限値を算出する。図１４の制限値のイメージ図に示すように、加速度信号ａ（逆フィルタ後加速度信号ａ_２）は、波形に変化する。そして、制限の上限値および下限値は、逆フィルタ後加速度信号ａ_２の波形に応じて変化する。

また、本実施形態では、図１５に示すように、サーボ制御部Ｃ１は、加速度信号ａの第１の周波数帯域Ｈ_１よりも小さい第２の周波数帯域Ｈ_２（図１６参照）の成分に対して、第２の周波数帯域Ｈ_２の成分を減少させるフィルタＦを適用する。具体的には、第２の周波数帯域Ｈ_２は、たとえば、医療用マニピュレータ１の固有振動数に対応する周波数帯域である。詳細には、サーボ制御部Ｃ１は、出力位置信号ｘ_ｏｕｔ（非線形ノッチフィルタが適用された後）に対して、フィルタＦを適用する。フィルタＦは、線形フィルタである。つまり、フィルタＦを微分方程式により表した場合、微分方程式が線形になる。なお、フィルタＦは、特許請求の範囲の「第３フィルタ」の一例である。

サーボ制御部Ｃ１は、フィルタＦが適用された後の出力位置信号ｘ_ｏｕｔを、位置／速度制御部Ｃ１１に送信する。位置／速度制御部Ｃ１１は、サーボモータＭ１に電流指令を送信する。また、位置／速度制御部Ｃ１１は、エンコーダＥ１により検出されたサーボモータＭ１の回転位置（エンコーダ値）に基づいて、電流指令を生成する。

次に、図１６～図１８を参照して、本実施形態の非線形ノッチフィルタ（逆ノッチフィルタＩＮＦとノッチフィルタＮＦとの適用）による制御の遅れの改善について説明する。

図１６は、横軸に振動数、縦軸に入力位置信号ｘ_ｉｎに基づいて算出された加速度信号ａの周波数成分の低減度合いを表している。図１７および図１８は、横軸に振動数、縦軸に制御の遅れ（位相）を表している。図１６～図１８の一点鎖線は、加速度信号ａ（フィルタ適用前の加速度信号ａ）に対して、ノッチフィルタのみを適用したもの（比較例）を表している。比較例では、加速度信号aの手ぶれに対応する周波数帯域の成分は小さくなり、手ぶれによる振動が小さくされていることが確認された。一方、図１７および図１８に示すように、比較例（一点鎖線参照）では、フィルタ適用前の加速度信号ａ（図示せず）に対して、制御の遅れ（位相）が大きくなることが確認された。

図１６～図１８の実線は、加速度信号ａ（フィルタ適用前の加速度信号ａ）に対して、本実施形態の非線形ノッチフィルタを適用したものを表している。加速度信号ａに非線形ノッチフィルタを適用した場合、加速度信号aの手ぶれに対応する周波数帯域の成分は小さくなり（振動が小さくなり）、手ぶれによる振動が小さくされていることが確認された。また、図１７および図１８に示すように、非線形ノッチフィルタを適用した場合（実線参照）、非線形ノッチフィルタの適用前（図示せず）に対して、制御の遅れ（位相）が小さいことが確認された。すなわち、本実施形態の非線形ノッチフィルタにより、ユーザの手ぶれに起因する医療用マニピュレータ１の振動を抑制しながら、制御の遅れを低減することが可能であることが確認された。

また、図１０に示すように、制御部３１（アーム制御部３１ａ）は、操作部８０のジョイスティック８２からの入力信号に基づいてアーム６０を操作するように構成されている。具体的には、アーム制御部３１ａは、ジョイスティック８２から入力された入力信号（動作指令）と、エンコーダＥ１により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１に出力する。サーボ制御部Ｃ１は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１に出力する。これにより、ジョイスティック８２に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。

制御部３１（アーム制御部３１ａ）は、操作部８０のスイッチ部８３からの入力信号に基づいてアーム６０を操作するように構成されている。具体的には、アーム制御部３１ａは、スイッチ部８３から入力された入力信号（動作指令）と、エンコーダＥ１またはＥ３により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１またはＣ３に出力する。サーボ制御部Ｃ１またはＣ３は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１またはＥ３により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１またはＭ３に出力する。これにより、スイッチ部８３に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。

また、図１０に示すように、ポジショナ制御部３１ｂには、ポジショナ４０を移動するサーボモータＭ４を制御するためのサーボ制御部Ｃ４が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ４には、サーボモータＭ４の回転角を検出するためのエンコーダＥ４が電気的に接続されている。また、ポジショナ制御部３１ｂには、医療用台車３の前輪（図示せず）を駆動するサーボモータＭ５を制御するためのサーボ制御部Ｃ５が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ５には、サーボモータＭ５の回転角を検出するためのエンコーダＥ５が電気的に接続されている。

また、入力装置３３から準備位置の設定などに関する動作指令が、ポジショナ制御部３１ｂに入力される。ポジショナ制御部３１ｂは、入力装置３３から入力された動作指令と、エンコーダＥ４により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ４に出力する。サーボ制御部Ｃ４は、ポジショナ制御部３１ｂから入力された位置指令と、エンコーダＥ４により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ４に出力する。これにより、入力装置３３に入力された動作指令に沿うように、ポジショナ４０が移動される。同様に、入力装置３３からの動作指令に基づいて、ポジショナ制御部３１ｂは、医療用台車３を移動させる。

（外科手術システムの制御方法）
次に、図１９を参照して、外科手術システム１００の制御方法について説明する。

まず、ステップＳ１において、サーボ制御部Ｃ１は、医療器具４に対する操作を受け付ける。

次に、ステップＳ２において、サーボ制御部Ｃ１は、受け付けた操作に対応する医療器具４の入力位置信号ｘ_ｉｎに基づいて、速度信号と、加速度信号とおよび加加速度信号とのうちのいずれか一つの動作速度信号（本実施形態では、加速度信号ａ）を算出する。

次に、ステップＳ３において、サーボ制御部Ｃ１は、算出した加速度信号ａの周波数帯域の成分を増幅させる逆ノッチフィルタＩＮＦを適用して、逆フィルタ後加速度信号ａ_２を算出する。

次に、ステップＳ４において、サーボ制御部Ｃ１は、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対して制限をかけて、制限後加速度信号ａ_３を算出する。なお、サーボ制御部Ｃ１は、速度信号ｖおよび加加速度信号ｂを算出し、速度信号ｖおよび加加速度信号ｂに基づいて、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対する制限の上限値および下限値を算出している。

次に、ステップＳ５において、サーボ制御部Ｃ１は、制限後加速度信号ａ_３に対して、第１の周波数帯域Ｈ_１の成分を減少させるノッチフィルタＮＦを適用してフィルタ後加速度信号ａ_４を算出する。

次に、ステップＳ６において、サーボ制御部Ｃ１は、フィルタ後加速度信号ａ_４に基づいて、医療器具４の位置を示す出力位置信号ｘ_ｏｕｔを算出する。具体的には、サーボ制御部Ｃ１は、フィルタ後加速度信号ａ_４を積分してフィルタ後速度信号ｖ_２を算出し、フィルタ後速度信号ｖ_２を積分することにより出力位置信号ｘ_ｏｕｔを算出する。

次に、ステップＳ７において、サーボ制御部Ｃ１は、フィルタ後速度信号ｖ_２および出力位置信号ｘ_ｏｕｔをフィードバックする。

上記のステップＳ１～Ｓ７の動作は、アーム６０の動作中、常に行われるとともに、複数のアーム６０毎に行なわれる。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

（手術支援ロボット、医療用マニピュレータの効果）
本実施形態では、上記のように、サーボ制御部Ｃ１は、加速度信号ａを算出し、算出した加速度信号ａの第１の周波数帯域Ｈ_１の成分を増幅させる逆ノッチフィルタＩＮＦを適用して、逆フィルタ後加速度信号ａ_２を算出し、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対して制限をかけて、制限後加速度信号ａ_３を算出し、制限後加速度信号ａ_３に対して、第１の周波数帯域Ｈ_１の成分を減少させるノッチフィルタＮＦを適用してフィルタ後加速度信号ａ_４を算出し、フィルタ後加速度信号ａ_４に基づいて、医療器具４の出力位置信号ｘ_ｏｕｔを算出する。ここで、逆ノッチフィルタＩＮＦを適用せずにノッチフィルタＮＦのみを適用した場合、加速度信号ａの第１の周波数帯域Ｈ_１の成分は低減されるので、成分の低減後の加速度信号ａに基づいて医療器具４の出力位置信号ｘ_ｏｕｔを算出することにより、加速度信号ａの振動を低減することが可能である一方、ノッチフィルタＮＦを適用することに起因する制御の遅れ（位相の遅れ）が発生する。そこで、上記のように、逆ノッチフィルタＩＮＦとノッチフィルタＮＦとの両方を適用することにより、逆ノッチフィルタＩＮＦによる制御（位相）の進みと、ノッチフィルタＮＦによる制御（位相）の遅れが相殺されるので、制御の遅れを低減することができる。なお、単に、逆ノッチフィルタＩＮＦとノッチフィルタＮＦとを適用すると加速度信号ａに対して何も作用させない状態となる。そこで、上記のように、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対して制限をかけて制限後加速度信号ａ_３を算出することにより、加速度信号ａの第１の周波数帯域Ｈ_１の成分のうちの比較的大きな成分が除去されるので、除去後の制限後加速度信号ａ_３に基づいて医療器具４の出力位置信号ｘ_ｏｕｔを算出することにより、加速度信号ａ（信号）の振動を低減することができる。これらの結果、遠隔操作装置２側から医療用マニピュレータ１側に送信される信号において、信号（加速度信号ａ）の振動を低減して医療用マニピュレータ１の振動を低減しながら、制御の遅れを低減することができる。

また、本実施形態では、上記のように、サーボ制御部Ｃ１は、第１の周波数帯域Ｈ_１よりも小さい第２の周波数帯域Ｈ_２の成分に対して、第２の周波数帯域Ｈ_２の成分を減少させるフィルタＦを適用する。これにより、第１の周波数帯域Ｈ_１の成分に対して逆ノッチフィルタＩＮＦとノッチフィルタＮＦとの両方が適用されることにより制御の遅れが低減されているので、この制御の低減の分、フィルタＦによる第２の周波数帯域Ｈ_２の成分を減少させる度合いを大きくしても（つまり、フィルタＦによる制御の遅れが増大しても）、外科手術システム１００の全体の制御の遅れが増大するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１の周波数帯域Ｈ_１は、操作用マニピュレータアーム２１を操作するユーザの手ぶれに対応する周波数帯域であり、第２の周波数帯域Ｈ_２は、医療用マニピュレータ１の固有振動数に対応する周波数帯域である。これにより、操作用マニピュレータアーム２１を操作するユーザの手ぶれに起因する信号（加速度信号ａ）の振動が低減されるので、ユーザの手ぶれに起因する医療用マニピュレータ１の振動を抑制することができる。また、医療用マニピュレータ１の固有振動数の振動が低減されるので、医療用マニピュレータ１の固有振動を低減することができる。

また、本実施形態では、上記のように、サーボ制御部Ｃ１は、医療器具４の入力位置信号ｘ_ｉｎを微分することにより、加速度信号ａを算出する。これにより、加速度信号ａが低減されるので、ユーザの手ぶれに起因する医療用マニピュレータ１の振動を抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、サーボ制御部Ｃ１は、入力位置信号ｘ_ｉｎに基づいて速度信号ｖおよび加加速度信号ｂを算出し、算出した加速度信号ａに対して逆ノッチフィルタＩＮＦを適用して逆フィルタ後加速度信号ａ_２を算出し、算出した速度信号ｖおよび加加速度信号ｂに基づいて、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対する制限の上限値および下限値を算出する。これにより、速度信号ｖと加加速度信号ｂとの両方に基づいて、逆ノッチフィルタＩＮＦを適用したい周波数帯域を目立たせるように（言い換えると、逆ノッチフィルタＩＮＦを適用したくない周波数帯域に逆ノッチフィルタＩＮＦが適用されるのを抑制するように）、制限の上限値および下限値を調整することができる。

また、本実施形態では、上記のように、サーボ制御部Ｃ１は、加速度信号ａの振幅に応じた制限の上限値および下限値を算出する。これにより、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対する制限が一定値の場合と異なり、振幅（波形状）を有する逆フィルタ後加速度信号ａ_２を適切に制限することができる。

また、本実施形態では、上記のように、サーボ制御部Ｃ１は、ノッチフィルタＮＦが適用されたフィルタ後加速度信号ａ_４に基づいて、フィルタ後速度信号ｖ_２および出力位置信号ｘ_ｏｕｔを算出し、フィルタ後速度信号ｖ_２および出力位置信号ｘ_ｏｕｔを、フィードバックする。これにより、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対して制限がかけられることに起因して、医療器具４の入力位置信号ｘ_ｉｎに対応する位置と、アーム６０の位置とがずれた場合でも、フィードバック制御により位置ずれを低減することができる。

（外科手術システムの制御方法の効果）
本実施形態では、上記のように、外科手術システム１００の制御方法では、算出した加速度信号ａに逆ノッチフィルタＩＮＦを適用し、逆フィルタ後加速度信号ａ_２に対して制限をかけ、制限後加速度信号ａ_３に対して、ノッチフィルタＮＦを適用する。これにより、遠隔操作装置２側から医療用マニピュレータ１側に送信される信号において、信号（加速度信号ａ）の振動を低減して医療用マニピュレータ１の振動を低減しながら、制御の遅れを低減することができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、サーボ制御部Ｃ１によって、非線形ノッチフィルタが適用される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、医療用マニピュレータ１の制御部３１や遠隔操作装置２において、非線形ノッチフィルタを適用するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、加速度信号ａに対して非線形ノッチフィルタを適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、速度信号ｖ、または、加加速度信号ｂに対して非線形ノッチフィルタを適用してもよい。

また、上記実施形態では、速度信号ｖおよび加加速度信号ｂに基づいて、制限の上限値および下限値を算出する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、速度信号ｖおよび加加速度信号ｂ以外の指標に基づいて制限の上限値および下限値を算出してもよい。

また、上記実施形態では、アーム６０が４つ設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、アーム６０の数は、少なくとも１つ以上設けられていれば他の任意の数であってもよい。

また、上記実施形態では、アーム部６１およびポジショナ４０が７軸多関節ロボットから構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、アーム部６１およびポジショナ４０が７軸多関節ロボット以外の軸構成（例えば、６軸や８軸）の多関節ロボットなどから構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、医療用マニピュレータ１が、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０と、アーム６０とを備えている例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０は必ずしも必要なく、医療用マニピュレータ１が、アーム６０だけで構成されてもよい。

本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、従来の回路、および／または、それらの組み合わせ、を含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウェアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウェアである。ハードウェアは、本明細書に開示されているハードウェアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウェアであってもよい。ハードウェアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、またはユニットはハードウェアとソフトウェアの組み合わせであり、ソフトウェアはハードウェアおよび／またはプロセッサの構成に使用される。

１ 医療用マニピュレータ（患者側装置）
２ 遠隔操作装置（操作者側装置）
４ 医療器具
２１ 操作用マニピュレータアーム（操作部）
６０ アーム
１００ 外科手術システム（手術支援システム）
ａ 加速度信号（動作速度信号）
ａ_２ 逆フィルタ後加速度信号（第１フィルタ後信号、第１フィルタ後加速度信号）
ａ_３ 制限後加速度信号（制限後信号）
ａ_４ フィルタ後加速度信号（第２フィルタ後信号、第２フィルタ後加速度信号）
ｂ 加加速度
Ｆ フィルタ（第３フィルタ）
Ｈ_１ 第１の周波数帯域（所定の周波数帯域）
Ｈ_２ 第２の周波数帯域
ＩＮＦ 逆ノッチフィルタ（第１フィルタ）
ＮＦ ノッチフィルタ（第２フィルタ）
ｖ 速度
ｖ_２ フィルタ後速度
ｘ_ｉｎ 入力位置信号
ｘ_ｏｕｔ 出力位置信号

Claims (9)

1. 手術支援システムであって、
   先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置である医療用マニピュレータと、
   前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、
   受け付けられた前記操作に対応する前記医療器具の位置を示す入力位置信号に基づいて、前記医療器具の位置を示す出力位置信号を出力し、前記医療器具の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記入力位置信号に基づいて、前記医療器具の動作速度に関する信号である動作速度信号を算出し、
   算出された前記動作速度信号の、前記医療用マニピュレータの振動に対応する周波数帯域を含む第１の周波数帯域に対応する成分を増幅させる第１フィルタを前記動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出し、
   前記第１フィルタ後信号のうち制限値を超える部分を除去するように前記第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出し、
   前記制限後信号に対して、前記第１フィルタによる位相の進みを相殺するように前記第１の周波数帯域に対応する成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出し、
   前記第２フィルタ後信号に基づいて、前記出力位置信号を算出する、手術支援システム。
2. 請求項１に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、前記第１の周波数帯域よりも小さい第２の周波数帯域に対応する成分に対して、前記第２の周波数帯域に対応する成分を減少させる第３フィルタを適用する、手術支援システム。
3. 請求項２に記載の手術支援システムであって、
   前記第１の周波数帯域は、前記操作部を操作するユーザの手ぶれに対応する予め定められた周波数帯域であり、
   前記第２の周波数帯域は、前記医療用マニピュレータの固有振動数に対応する周波数帯域である、手術支援システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、前記入力位置信号を微分することにより、前記動作速度信号としての加速度信号を算出する、手術支援システム。
5. 請求項４に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、
   前記入力位置信号に基づいて、前記動作速度信号として、速度信号および加加速度信号を算出し、
   算出した前記加速度信号に対して前記第１フィルタを適用することにより前記第１フィルタ後信号として第１フィルタ後加速度信号を算出し、
   算出した前記速度信号および前記加加速度信号に基づいて、前記第１フィルタ後加速度信号に対する前記制限値の上限値および下限値を算出する、手術支援システム。
6. 請求項５に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、前記加速度信号の振幅の変化に応じた前記制限値の上限値および下限値を算出する、手術支援システム。
7. 請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、
   前記入力位置信号に基づいて、前記動作速度信号として、速度信号を算出し、
   前記加速度信号に対して前記第１フィルタを適用することにより前記第１フィルタ後信号として第１フィルタ後加速度信号を算出し、
   前記第１フィルタ後加速度信号に対して制限をかけて前記制限後信号を算出し、
   前記制限後信号に対して前記第２フィルタを適用することにより前記第２フィルタ後信号として第２フィルタ後加速度信号を算出し、
   前記第２フィルタ後加速度信号に基づいて、第２フィルタ後速度信号および前記出力位置信号を算出し、
   前記第２フィルタ後速度信号を前記速度信号にフィードバックし、前記出力位置信号を前記入力位置信号にフィードバックする、手術支援システム。
8. 先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置である医療用マニピュレータと、前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置とを備える手術支援システムの制御装置であって、
   受け付けられた前記操作に対応する前記医療器具の位置を示す入力位置信号に基づいて、前記医療器具の位置を示す出力位置信号を出力し、前記医療器具の動作を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記入力位置信号に基づいて、前記医療器具の動作速度に関する信号である動作速度信号を算出し、
   算出された前記動作速度信号の、前記医療用マニピュレータの振動に対応する周波数帯域を含む第１の周波数帯域に対応する成分を増幅させる第１フィルタを前記動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出し、
   前記第１フィルタ後信号のうち制限値を超える部分を除去するように前記第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出し、
   前記制限後信号に対して、前記第１フィルタによる位相の進みを相殺するように前記第１の周波数帯域に対応する成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出し、
   前記第２フィルタ後信号に基づいて、前記出力位置信号を算出する、手術支援システムの制御装置。
9. 先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置である医療用マニピュレータと、前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置とを備える手術支援システムの制御方法であって、
   前記医療器具に対する操作を受け付けるステップと、
   受け付けられた前記操作に対応する前記医療器具の位置を示す入力位置信号に基づいて、前記医療器具の動作速度に関する信号である動作速度信号を算出するステップと、
   算出された前記動作速度信号の、前記医療用マニピュレータの振動に対応する周波数帯域を含む所定の周波数帯域に対応する成分を増幅させる第１フィルタを前記動作速度信号に対して適用して、第１フィルタ後信号を算出するステップと、
   前記第１フィルタ後信号のうち制限値を超える部分を除去するように前記第１フィルタ後信号に対して制限をかけて、制限後信号を算出するステップと、
   前記制限後信号に対して、前記第１フィルタによる位相の進みを相殺するように前記所定の周波数帯域に対応する成分を減少させる第２フィルタを適用して第２フィルタ後信号を算出するステップと、
   前記第２フィルタ後信号に基づいて、前記医療器具の位置を示す出力位置信号を算出するステップと、を備える、手術支援システムの制御方法。

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