JP7401075B2

JP7401075B2 - 内視鏡操作システム

Info

Publication number: JP7401075B2
Application number: JP2020098811A
Authority: JP
Inventors: 恵一郎久米; 伸朗坂井; 徹上田
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; University of Occupational and Environmental Health Japan
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; University of Occupational and Environmental Health Japan
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2040-06-05
Also published as: JP2021191379A

Description

本発明は、軟性内視鏡を操作・制御することができる内視鏡操作システムに関するものである。

軟性内視鏡は、大腸や食道、胃、十二指腸などの消化管のポリープ・潰瘍などの検査や、内視鏡的粘膜下層剥離術（ＥＳＤ）に代表される手術に使用される重要な医療機器である。軟性内視鏡による検査を行う操作者は、異常を見逃さないように相当な集中力を要する。また、手術においては、集中力だけでなく、手術時間が長時間に及ぶため体力も必要である。
集中力や体力が必要な検査や手術を行う操作者の負担を軽減する内視鏡操作システムについて、発明者らが特許文献１として提案したものが知られている。

特許文献１に記載の内視鏡操作システムは、軟性内視鏡の動作を指示するためのマスター装置と、マスター装置からの指示により軟性内視鏡を動作させるスレーブ装置と、マスター装置およびスレーブ装置を制御する制御装置４を備えたものである。この制御装置は、マスター装置からのマスター状態信号と、スレーブ装置からのスレーブ状態信号とに基づいた双方向力覚フィードバックにより、マスター装置およびスレーブ装置への駆動信号を生成することで、マスター装置に加えられた操作力をスレーブ装置へ出力し、スレーブ装置に発生した力をマスター装置に出力する、というものである。

特許第５８８０９５２号公報

軟性内視鏡による検査での疼痛の原因の第一は、大腸を腹腔内で支える役割をする腸間膜が内視鏡の挿入により過伸展させられることにより起こる。従って、内視鏡医は、この過伸展をなるべく起こさないように内視鏡を挿入する技術を身に付けるトレーニングを積み重ねる。この挿入操作は、右手によるスコープの回旋・挿抜動作および左手による先端の上下左右の先端アングル操作により行われる。しかし、これをロボット操作するには、軟性内視鏡により腸管を操作する内臓感覚がマスター装置を操作する双方向で伝達されることが必要である。

しかし、特許文献１に記載の内視鏡操作システムでは、軟性内視鏡の進退方向の操作と、軟性内視鏡を軸回転させる操作とが双方向力覚フィードバックされるだけでは、操作者に内臓感覚を感じさせることは難しい。

そこで本発明は、軟性内視鏡により腸管を操作する内臓感覚を、マスター装置を操作する操作者に感じさせることが可能な内視鏡操作システムを提供することを目的とする。

本発明の内視鏡操作システムは、軟性内視鏡の動作を指示するためのマスター装置と、前記マスター装置からの指示により軟性内視鏡を動作させるスレーブ装置と、前記マスター装置および前記スレーブ装置を制御する制御装置とを備え、前記マスター装置は、前記軟性内視鏡の進退方向および軸回転の動作指示する第１操作手段と、前記軟性内視鏡における挿入部の先端部の湾曲方向を指示する第２操作手段と、前記第１操作手段の動作状態、および前記第２操作手段の動作状態を検出して、マスター状態信号を出力するマスター検出手段と、前記第１操作手段および前記第２操作手段への操作力に対する反力を駆動信号により駆動するマスター駆動手段とを備え、前記スレーブ装置は、前記軟性内視鏡を保持する支持手段と、前記軟性内視鏡の進退方向の移動および軸回転と上下ハンドルおよび左右ハンドルの回転とを駆動信号により駆動するスレーブ駆動手段と、前記軟性内視鏡の進退方向の移動および軸回転と前記上下ハンドルおよび左右ハンドルの動作状態を検出して、スレーブ状態信号を出力するスレーブ検出手段とを備え、前記制御装置は、前記マスター装置からのマスター状態信号と、前記スレーブ装置からのスレーブ状態信号とに基づいた双方向力覚フィードバックにより、前記マスター装置および前記スレーブ装置への駆動信号を生成することで、前記マスター装置に加えられた操作力を前記スレーブ装置へ出力し、前記スレーブ装置に発生した力を前記マスター装置に出力することを特徴とするものである。

本発明の内視鏡操作システムによれば、前記マスター装置におけるマスター検出手段が、軟性内視鏡の進退方向および軸回転を指示する第１操作手段の動作状態、および挿入部の湾曲方向を指定する第２操作手段の動作状態を検出して出力するマスター状態信号と、スレーブ装置におけるスレーブ検出手段が、軟性内視鏡の進退方向の移動と軸回転の動作状態、および上下ハンドル、左右ハンドルの動作状態を検出して出力するスレーブ状態信号とに基づいた双方向力覚フィードバックにより、マスター装置およびスレーブ装置への駆動信号を生成する。そうすることで、マスター装置に加えられた操作力をスレーブ装置へ出力し、スレーブ装置に発生した力をマスター装置に出力する。従って、軟性内視鏡の進退方向への移動、軸回転、挿入部の上下方向および左右方向への湾曲等の操作全部に双方向力覚フィードバックを掛けることができる。

前記マスター検出手段は、前記第１操作手段の進退方向の位置および軸回転の位置を示す位置情報と、前記第２操作手段により指定する前記上下ハンドルおよび左右ハンドルの回転の位置を示す位置情報とを、マスター状態信号として出力するものであり、前記スレーブ検出手段は、前記軟性内視鏡の進退方向の位置および軸回転の位置を示す位置情報と、前記上下ハンドルおよび左右ハンドルの回転の位置を示す位置情報とを、スレーブ状態信号として出力するものであり、前記制御装置は、位置情報を微分して速度情報を算出すると共に、前記第１操作手段および前記第２操作手段に加わる外力と前記軟性内視鏡に加わる外力とを外力推定値として算出し、前記位置情報と、前記速度情報と、前記外力推定値とに基づいて、前記第１操作手段および前記第２操作手段と軟性内視鏡とへの加速度指令値を算出し、前記加速度指令値に基づいて前記マスター駆動手段および前記スレーブ駆動手段が駆動されたものとすることができる。
制御装置が、位置情報から速度情報と外力推定値を算出して、位置情報と速度情報と外力推定値とに基づいて第１操作手段および第２操作手段と軟性内視鏡とへの加速度指令値を算出し、加速度指令値とからマスター駆動手段およびスレーブ駆動手段が駆動される加速度制御型にて制御することで、各種の力を測定する各種のセンサを設けることなくマスター装置およびスレーブ装置を制御することができる。

前記制御装置は、前記マスター装置および前記スレーブ装置を制御対象として入力される力情報と、実際の動きを実モデルで逆算した推定入力を演算する実モデル用演算手段の出力との差を減算器により減算して、前記外力推定値を算出することができる。
このように構成することで、信号にノイズが重畳しやすいロードセルを使用しなくても、外力推定値を算出するようにすることができる。

前記マスター装置および前記スレーブ装置における進退方向に移動する可動部にロードセルが設けられ、前記制御装置は、前記ロードセルによる測定値と、前記ロードセルの遠位側の質量により外力推定を行うロードセルモデル用演算手段からの出力とを加算器により加算して、前記外力推定値を算出するようにすることができる。
このように構成することで、ロードセルにより静止摩擦力を測定することができるため、外力推定値に静止摩擦力を反映させることができる。

前記マスター装置および前記スレーブ装置における進退方向に移動する可動部にロードセルが設けられ、前記制御装置は、前記マスター装置および前記スレーブ装置を制御対象として入力する力情報と、実際の動きを実モデルで逆算した推定入力を演算する実モデル用演算手段の出力との差を減算器により減算して、第１外力推定値を算出すると共に、前記ロードセルによる測定値と、前記ロードセルの遠位側の質量により外力推定を行うロードセルモデル用演算手段からの出力とを加算器により加算して、第２外力推定値を算出し、前記第１外力推定値と前記第２外力推定値とを所定の割合で合算して、前記外力推定値として算出するようにすることができる。
第１外力推定値を算出するときにロードセルを使用しないときのメリットと、第２外力推定値を算出するときにロードセルを使用したときのメリットとの両方を併せ持たせることができる。

前記マスター装置は、前記マスター装置の前記第１操作手段への進退方向の操作を前記スレーブ装置と連動させたり、非連動としたりすることを指示する進退方向動作用スイッチを備え、前記制御装置は、前記進退方向動作用スイッチにより非連動が指示されたときに、スレーブ状態信号を停止することができる。
進退方向動作用スイッチが連動と非連動とを指定することにより、第１操作手段の進退方向の移動に対して可動部の移動を微小としたときに、第１操作手段を何回も往復させることで支持手段を操作者の希望の方向に移動させることができる。

前記マスター装置は、前記軟性内視鏡における挿入部の湾曲状態を固定するためのアングルロック用スイッチを備え、前記制御装置は、前記アングルロック用スイッチにより固定が指示されたときに、前記挿入部の先端部の湾曲を指示する上下ハンドルと左右ハンドルとを回転させる前記スレーブ駆動手段をブレーキ状態とすることができる。
アングルロック用スイッチにより固定が指示されることにより、挿入部の先端部の湾曲状態を維持させることができる。

前記マスター装置は、精密動作用スイッチを備え、前記制御装置は、前記精密動作用スイッチからの指示に基づいて、前記第１操作手段の進退方向への移動と軸回転とに対する前記スレーブ装置の支持手段の移動の比率を小さくすることができる。
挿入部を被術者の体内に挿入する際に、また挿入して挿入部を軸回転させる際に、精密動作用スイッチにより支持手段の移動の比率を小さくことにより、スレーブ装置を微小動作とすることができる。

前記スレーブ装置は、前記挿入部を進退方向に沿って支持する懸架部を備え、前記懸架部は、枠体の一辺が開閉して、前記挿入部が出入りする把持部を備えたものとすることができる。
把持部における枠体の一辺が開くので、簡単に挿入部を懸架部から取り出したり、懸架部に取り付けたりすることができる。

本発明の内視鏡操作システムは、軟性内視鏡の進退方向への移動、軸回転、挿入部の上下方向および左右方向への湾曲等の操作全部に双方向力覚フィードバックを掛けることができるので、軟性内視鏡により腸管を操作する内臓感覚を、マスター装置を操作する操作者に感じさせることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る内視鏡操作システム全体の構成を説明するための図である。図１に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置全体の構成を説明するための図である。図２に示すスレーブ装置の基台部から一部を透過した状態の図であり、（Ａ）は、挿入部側から見た図、（Ｂ）は（Ａ）の反対側から見た図である。図３に示すスレーブ装置の可動部から一部を透過した状態の図である。図４に示す可動部から軟性内視鏡を取り外した状態の図である。図４に示す可動部を説明するための図であり、（Ａ）は垂直断面図、（Ｂ）は一部を透過した状態の図である。図２に示すスレーブ装置における懸架部を説明するための図であり、（Ａ）は一部拡大図、（Ｂ）はレール部およびスライド部を説明するための図である。図７に示すスライド部の把持部を説明するための拡大図である。図１に示す内視鏡操作システムのマスター装置全体の構成を説明するための図である。図９に示すマスター装置の基台部から一部を透過した状態の図である。図１０に示すマスター装置の可動部から一部を透過した状態の図であり、（Ａ）は側方から見た図、（Ｂ）は指示部側から見た図である。図１に示す内視鏡操作システムの制御装置を示すブロック図である。図１に示す内視鏡操作システムを示すブロック線図であり、軟性内視鏡を進退方向に移動させる際の図である。図１に示す内視鏡操作システムを示すブロック線図であり、軟性内視鏡を軸回転させる際の図である。図１に示す内視鏡操作システムを示すブロック線図であり、軟性内視鏡における挿入部の先端部を上下方向に動作させる際の図である。図１に示す内視鏡操作システムを示すブロック線図であり、軟性内視鏡における挿入部の先端部を左右方向に動作させる際の図である。図１２に示す制御装置の各部の構成を説明するための図であり、（Ａ）は進退方向制御部および軸回転制御部の構成を示す第１制御部の図、（Ｂ）は第１ハンドル制御部および第２ハンドル制御部の構成を示す第２制御部の図である。図１７（Ａ）に示す第１制御部の第１マスター制御部および第１スレーブ制御部と、図１７（Ｂ）に示す第２制御部の第２マスター制御部および第２スレーブ制御部とに含まれる共通ユニット部の構成の図である。本発明の実施の形態２に係る内視鏡操作システムの共通ユニット部の構成を示す図である。本発明の実施の形態３に係る内視鏡操作システムの共通ユニット部の構成を示す図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る内視鏡操作システムについて、図面に基づいて説明する。
なお、本明細書においては、軟性内視鏡を被術者の体内へ挿入したり、排出したりする方向を進退方向と称し、被術者の体内に挿入される軟性内視鏡の挿入部の軸線回りに回転することを軸回転と称する。
図１に示す内視鏡操作システム１は、被術者側となるスレーブ装置２と、操作側となるマスター装置３と、スレーブ装置２とマスター装置３とを制御する制御装置４と、モータドライバ装置５，６（図１３から図１６参照）と、表示装置７と、入力装置８とを備えている。

まず、スレーブ装置２の構成について、図２から図８に基づいて説明する。
図２に示すように、スレーブ装置２は、スレーブ装置２全体を支持する基台部２１と、進退方向に移動する可動部２２と、軟性内視鏡Ｅの挿入部Ｅ１を進退方向Ｆ１に沿って支持する懸架部２３とを備えている。

基台部２１は、平面視矩形状に形成され、支持脚が設けられたフレーム部２１１と、フレーム部２１１の長手方向（進退方向）に沿って配置されたレール部２１２と、レール部２１２により案内される可動部２２を進退方向に移動させる進退方向駆動部２１３と、進退方向駆動部２１３の動作状態を検知するリニアエンコーダ２１４（図３（Ａ）参照）とを備えている。

フレーム部２１１は、平行な２本の棒状部材２１１ａの両端を連結部材２１１ｂにより固定することで平面視矩形状に形成されている。
レール部２１２（スレーブレール部）は、棒状部材２１１ａの長さ方向に沿って形成された板状部材により形成されている。レール部２１２は、可動部２２が移動するための案内溝として直線状溝が両側面に設けられている。
図３（Ａ）および同図（Ｂ）に示すように、進退方向駆動部２１３（スレーブ駆動手段）は、可動部２２に連結された筒状のコイル部２１３ａと、フレーム部２１１の長さ方向に沿って配置され、コイル部２１３ａの空洞部分を貫通するシャフト部２１３ｂとを備えたコアレスリニア型モータ（リニアスライダ）である。

リニアエンコーダ２１４（スレーブ検出手段）は、磁気を検出する走査ヘッド２１４ａと、フレーム部２１１の長さ方向に沿って配置され、走査ヘッド２１４ａが面上を移動するスケール２１４ｂとを備えている。リニアエンコーダ２１４は、走査ヘッド２１４ａがスケール２１４ｂ上の磁気の変化を読み取ることで、この変化を、位置情報（スレーブ位置）として、進退方向位置信号（スレーブ状態信号）により出力する。

可動部２２は、レール部２１２をスライドする台座部２２１と、台座部２２１により支持され、軟性内視鏡Ｅ（図２参照）を軸回転させる軸回転駆動部２２２と、軸回転駆動部２２２の動作状態を検出するロータリエンコーダ２２３と、軟性内視鏡Ｅを保持する保持部２２４と備えている。
また、可動部２２は、図５に示すように、軟性内視鏡Ｅのハンドル部を駆動する２つのハンドル駆動部２２５と、軟性内視鏡Ｅのハンドル部の回転の動作状態を検出するハンドル検出部２２６（スレーブ検出手段）とを備えている。

台座部２２１は、レール部２１２に取り付けられた移動ステージである。
図４に示すように、軸回転駆動部２２２（スレーブ駆動手段）は、保持部２２４に取り付けられた大ギア２２２１と、大ギア２２２１と噛み合う小ギア２２２２と、小ギア２２２２に回転軸が連結された駆動源となるモータ２２２３とを備えている。
ロータリエンコーダ２２３（スレーブ検出手段）は、モータ２２２３の回転軸に連結されている。ロータリエンコーダ２２３は、モータ２２２３よる可動部２２の回転を検出し、スレーブ装置２の軸回転の位置情報（スレーブ位置）を軸回転の位置信号（スレーブ状態信号）により軸回転の動作状態として出力する。
図３（Ａ）に示すように、保持部２２４（支持手段）は、軟性内視鏡Ｅの操作部Ｅ２を担持する棚部２２４１と、挿入部Ｅ１と操作部Ｅ２との連結部分を囲って保持する筒部２２４２とを備えている。筒部２２４２は、軸線に沿った境界によって２分割され、蓋を開けるように開閉して軟性内視鏡Ｅを脱着することができる。

図５と図６（Ａ）および同図（Ｂ）とに示すように、ハンドル駆動部２２５（スレーブ駆動手段）は、軟性内視鏡Ｅのハンドル部（上下ハンドルＥ３１，左右ハンドルＥ３２）の凹凸が嵌合する嵌合部２２５１と、嵌合部２２５１とピン（図示せず）により連結する中継部２２５２と、中継部２２５２の外周に配置され、中継部２２５２に連結された大ギア２２５３と、大ギア２２５３に噛み合う小ギア２２５４と、小ギア２２５４が回転軸に連結された駆動源となるモータ２２５５と備えている。

嵌合部２２５１は、上下ハンドルＥ３１に嵌合する第１嵌合部２２５１ａと、左右ハンドルＥ３２に嵌合する第２嵌合部２２５１ｂとを備えている。
中継部２２５２は、第１嵌合部２２５１ａに連結する第１中継部２２５２ａと、第２嵌合部２２５１ｂに連結する第２中継部２２５２ｂとを備えている。
大ギア２２５３は、第１中継部２２５２ａに連結された第１大ギア２２５３ａと、第２中継部２２５２ｂに連結された第２大ギア２２５３ｂとを備えている。
小ギア２２５４は、第１大ギア２２５３ａに噛み合う第１小ギア２２５４ａと、第２大ギア２２５３ｂに噛み合う第２小ギア２２５４ｂとを備えている。
モータ２２５５は、第１小ギア２２５４ａを駆動する第１モータ２２５５ａと、第２小ギア２２５４ｂを駆動する第２モータ２２５５ｂとを備えている。

ハンドル検出部２２６（スレーブ検出手段）は、第１モータ２２５５ａの回転軸に連結された第１ロータリエンコーダ２２６１と、第２モータ２２５５ｂの回転軸に連結された第２ロータリエンコーダ２２６２とを備えている。

図２に示すように、懸架部２３は、軟性内視鏡Ｅの被術者の体内に挿入される長尺の挿入部Ｅ１を支持するものである。懸架部２３は、基台部２１の一方の側部に設けられた略Ｌ字状の３本の支柱部２３１と、支柱部２３１のそれぞれの上部に架設された一対のレール部２３２と、軟性内視鏡Ｅの挿入部Ｅ１を保持し、レール部２３２に案内されるスライド部２３３とを備えている。
図７（Ａ）および同図（Ｂ）に示すように、一対のレール部２３２は、上下２列に並べられている。レール部２３２は、天面および底面に長さ方向に沿った溝２３２ａが形成されている。
スライド部２３３は、レール部２３２の一対の溝２３２ａに嵌合する一対の凸部が形成され、溝２３２ａに沿って移動する。スライド部２３３は、レール部２３２の長さ方向に沿って、上段のレール部２３２と下段のレール部２３２の交互に並べられている。

スライド部２３３は、レール部２３２を移動する足部２３３１と、一端部に形成された足部２３３１から、レール部２３２の長さ方向と直交する方向に延びる板状の腕部２３３２と、腕部２３３２の他端部に形成された把持部２３３３とを備えている。
図８に示すように、把持部２３３３は、四角形の枠体に形成され、挿入部Ｅ１を内部に貫通させることで保持する。把持部２３３３は、四辺に対応する棒状部材２３３３ａ～２３３３ｄと、棒状部材２３３３ａに回転自在に取り付けられたリング部材２３３３ｅと、棒状部材２３３３ａ～２３３３ｄを各角部で支持する支持部材２３３３ｆ～２３３３ｈと備えている。

支持部材２３３３ｆは、開口を上方に向けたコ字状に形成されている。支持部材２３３３ｆは、一対の突出部の間に棒状部材２３３３ａが跨って配置されている。
支持部材２３３３ｆの一対の突出部の先端部には、棒状部材２３３３ｂ，２３３３ｃの一端部が固定されている。棒状部材２３３３ｂの他端部には、棒状部材２３３３ｂを中心に回転するＬ字状の支持部材２３３３ｇが設けられている。また、棒状部材２３３３ｃの他端には、水平方向に向いて切り欠き部が形成された支持部材２３３３ｈが設けられている。
支持部材２３３３ｇが棒状部材２３３３ｂを中心に回転して、棒状部材２３３３ｄが支持部材２３３３ｈの切り欠き部から出入りすることで、ゲート部２３３０が形成されている。

次に、マスター装置３について、図９から図１１に基づいて説明する。
図９に示すように、マスター装置３は、マスター装置３全体を支持する基台部３１と、進退方向Ｆ２に移動する可動部３２とを備えている。

基台部３１（支持手段）は、平面視矩形状に形成されたフレーム部３１１と、フレーム部３１１の長手方向（進退方向Ｆ２）に沿って配置されたレール部３１２と、レール部３１２により案内される可動部３２を進退方向Ｆ２に移動させる進退方向駆動部３１３と、進退方向駆動部３１３の動作状態を検知するリニアエンコーダ３１４（図１０参照）とを備えている。

フレーム部３１１は、平行な２本の棒状部材３１１ａの両端を連結部材３１１ｂにより固定することで平面視矩形状に形成されている。
レール部３１２（マスターレール部）は、棒状部材３１１ａの長さ方向に沿って形成された板状部材により形成されている。レール部３１２は、可動部３２が移動するための案内溝として直線状溝が両側面に設けられている。
図１０に示すように、進退方向駆動部３１３（マスター駆動手段）は、可動部３２に連結された筒状のコイル部３１３ａと、フレーム部３１１の長さ方向に沿って配置され、コイル部３１３ａの空洞部分を貫通するシャフト部３１３ｂとを備えたコアレスリニア型モータ（リニアスライダ）である。

リニアエンコーダ３１４（マスター検出手段）は、磁気を検出する走査ヘッド３１４ａと、フレーム部３１１の長さ方向（図９参照）に沿って配置され、走査ヘッド３１４ａが面上を移動するスケール３１４ｂとを備えている。リニアエンコーダ３１４は、走査ヘッド３１４ａがスケール３１４ｂ上の磁気の変化を読み取ることで、この変化を、位置情報（マスター位置）として、進退方向位置信号（マスター状態信号）により出力する。

可動部３２は、レール部３１２をスライドする台座部３２１（支持手段）と、台座部３２１上に設けられた支持部材と軸受により支持され、軟性内視鏡Ｅ（図２参照）を進退方向へ指示したり、軸回転を指示したりするための指示部３２２（回旋ハンドル）と、操作者の操作力に反力を駆動する軸回転駆動部３２３と、指示部３２２の軸回転の動作状態を検出するロータリエンコーダ３２４（図１１（Ａ）参照）と、軟性内視鏡Ｅの上下ハンドルＥ３１（図６（Ａ）参照）の駆動および左右ハンドルＥ３２の駆動を指示するためのハンドル指示部３２５とを備えている。

台座部３２１は、レール部３１２および進退方向駆動部３１３のコイル部３１３ａに取り付けられた移動ステージである。
指示部３２２（第１操作手段）は、操作者が把持して、可動部３２を、進退方向へ移動させたり、軸回転させたりする把手である。
図１１（Ａ）および同図（Ｂ）に示すように、軸回転駆動部３２３（マスター駆動手段）は、指示部３２２の軸線に沿って延びるシャフト３２３１と、シャフト３２３１により回転する大ギア３２３２と、大ギア３２３２に噛み合う小ギア３２３３と、小ギア３２３３が回転軸に連結されたモータ３２３４とを備えている。

ロータリエンコーダ３２４（マスター検出手段）は、指示部３２２による可動部３２の軸回転を検出し、マスター装置３の軸回転の位置情報（マスター位置）を軸回転の位置信号（マスター状態信号）により軸回転の動作状態として出力する。

ハンドル指示部３２５は、操作者が前後左右に移動させて、挿入部Ｅ１（図２参照）の先端部の湾曲方向を指示する操作棒３２５１（第２操作手段）と、操作棒３２５１の前後方向への傾斜に対する操作力に反力を駆動する第１操作棒駆動部３２５２と、操作棒３２５１の前後方向への傾斜に対する動作状態を位置情報として検出する第１ロータリエンコーダ３２５３と、操作棒３２５１の左右方向への傾斜に対する操作力に反力を駆動する第２操作棒駆動部３２５４と、操作棒３２５１の左右方向への傾斜に対する動作状態を位置情報として検出する第２ロータリエンコーダ３２５５とを備えている。

第１操作棒駆動部３２５２（マスター駆動手段）は、前後方向への傾斜角度に応じて回転する第１軸部３２５２ａと、第１軸部３２５２ａからの回転を伝達する第１ギア群３２５２ｂと、第１ギア群３２５２ｂに連結された第１モータ３２５２ｃとを備えている。
第１ロータリエンコーダ３２５３（マスター検出手段）は、第１モータ３２５２ｃの回転軸に連結されている。
第２操作棒駆動部３２５４（マスター駆動手段）は、前後方向への傾斜角度に応じて回転する第２軸部３２５４ａと、第２軸部３２５４ａからの回転を伝達する第２ギア群３２５４ｂと、第２ギア群３２５４ｂに連結された第２モータ３２５４ｃとを備えている。
第２ロータリエンコーダ３２５５（マスター検出手段）は、第２モータ３２５４ｃの回転軸に連結されている。

第１ロータリエンコーダ３２５３および第２ロータリエンコーダ３２５５は、操作棒３２５１による軸回転駆動部３２３による上下ハンドルＥ３１および左右ハンドルＥ３２（図６（Ａ）参照）の回転を検出し、マスター装置３の上下ハンドルＥ３１および左右ハンドルＥ３２の位置情報（マスター位置）をハンドルの回転の位置信号（マスター状態信号）によりハンドルの回転の動作状態として出力する。

また、可動部３２は、進退方向動作用スイッチ３２６と、アングルロック用スイッチ３２７と、精密動作用スイッチ３２８とを備えている。
進退方向動作用スイッチ３２６は、図９に示すマスター装置３の指示部３２２への進退方向の操作をスレーブ装置２と連動させたり、非連動としたりすることを指示するスイッチである。
アングルロック用スイッチ３２７は、挿入部Ｅ１の先端部の動作にブレーキを掛けたブレーキ状態としたり、操作棒３２５１の操作に従って先端部が湾曲するフリー状態としたりすることが選択できるスイッチである。
精密動作用スイッチ３２８は、マスター装置３の指示部３２２への操作に対するスレーブ装置２への動作比率を、通常モードと精密モードとの２段階から選択するスイッチである。

次に、制御装置４について図１２に基づいて説明する。
制御装置４は、内視鏡制御プログラムが動作するコンピュータにより実現されている。制御装置４は、図１２に示すように、進退方向制御部４１と、軸回転制御部４２と、第１ハンドル制御部４３と、第２ハンドル制御部４４と、表示制御部４５と、入力制御部４６と、記憶部４７と、出力部４８とを備えている。

進退方向制御部４１は、図２に示す軟性内視鏡Ｅ（図２参照）の進退方向Ｆ１への移動、図９に示す指示部３２２の進退方向Ｆ１への移動を制御するものである。進退方向制御部４１は、図９に示す進退方向動作用スイッチ３２６が連動状態を指定するときには、マスター装置３の操作棒３２５１の移動に応じて、図２に示すスレーブ装置２の可動部２２を進退方向に移動させ、進退方向動作用スイッチ３２６が非連動状態を指定するときには、操作棒３２５１を移動させても、可動部２２を移動させない制御を行う。
進退方向制御部４１は、精密動作用スイッチ３２８からの指示に基づいて、マスター装置３の指示部３２２の進退方向への移動に対するスレーブ装置２の可動部２２の移動の比率を小さくする。

図１２に示す軸回転制御部４２は、図２に示す軟性内視鏡Ｅの軸回転、図９に示す指示部３２２の軸回転を制御するものである。軸回転制御部４２は、図９に示す精密動作用スイッチ３２８からの指示に基づいて、マスター装置３の指示部３２２の軸回転に対する図２に示すスレーブ装置２の可動部２２の軸回転の比率を小さくする。

図１２に示す第１ハンドル制御部４３は、軟性内視鏡Ｅ（図２参照）の上下ハンドルＥ３１（図６（Ａ）参照）への操作を制御するものである。第２ハンドル制御部４４は、軟性内視鏡Ｅの左右ハンドルＥ３２（図６（Ａ）参照）への操作を制御するものである。
第１ハンドル制御部４３および第２ハンドル制御部４４は、図９に示すアングルロック用スイッチ３２７からの指示に基づいて、挿入部Ｅ１の先端部の湾曲を指示する上下ハンドルＥ３１と左右ハンドルＥ３２（図６（Ａ）参照）とを回転させるハンドル駆動部２２５（図５参照）をブレーキ状態としたり、フリー状態としたりする。

進退方向制御部４１、軸回転制御部４２、第１ハンドル制御部４３および第２ハンドル制御部４４からの駆動信号はモータドライバ装置５，６を介してスレーブ装置２，マスター装置３へ送られる。
表示制御部４５は、進退方向制御部４１、軸回転制御部４２、第１ハンドル制御部４３および第２ハンドル制御部４４から情報を受けて、表示装置７へ表示する機能を備えている。入力制御部４６は、入力装置８からの入力情報に基づいて制御装置４全体を制御する。

記憶部４７は、マスター装置３により操作されたときの進退方向および軸回転の位置と力、挿入部の上下方向および左右方向の屈曲の位置と力のそれぞれのデータが格納される。記憶部４７は、高速でアクセスが可能で大容量なハードディスクやフラッシュメモリとすることができる。
出力部４８は、記憶部４７に格納されたデータを外部へＬＡＮ（Local Area Network）やＵＳＢ（Universal Serial Bus）を介して出力する。出力部４８の出力形式は任意のものが採用できるが、例えば、ＣＳＶ（Comma Separated Values）としたり、バイナリデータとしたりすることができる。
記憶部４７により各データが保存でき、出力部４８によりデータが取り出せるので、熟練の操作者の操作を、未熟な操作者が、後で学習して、習熟度を向上させることができる。

モータドライバ装置５，６は、制御装置４からの駆動信号を受け、各モータを駆動する制御電流を発生する。また、モータドライバ装置５，６は、それぞれの動作状態の信号を受け、適正な制御を行う機能を有している。モータドライバ装置５，６は一般の市販品が使用でき、状況に応じて省略することも可能である。

表示装置７は、制御装置４からの表示信号に基づいてディスプレイに表示するものである。表示装置７は、ＣＲＴやＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイとすることができる。入力装置８は、制御装置４がコンピュータであれば、キーボードとすることができる。また、入力装置８は、始動・停止・いくつかの制御キーを備えた操作盤とすることができる。

以上のように構成された本発明の実施の形態１に係る内視鏡操作システムの動作および使用状態について、図１３から図１６に基づいて説明する。図１３から図１６は、それぞれ、軟性内視鏡Ｅを進退方向へ動作させたとき、軸回転させたとき、挿入部の先端を上下方向や左右方向に動作させたときのブロック線図を示すものである。

操作者が、図９に示すマスター装置３の指示部３２２を把持して、可動部３２を進退方向へ移動させると、図１３に示すように、リニアエンコーダ２１４から進退方向の位置情報が制御装置４の進退方向制御部４１へ出力される。
進退方向制御部４１は、図１０に示すリニアエンコーダ２１４から進退方向の位置情報に応じて、図２に示すスレーブ装置２の可動部２２を進退方向駆動部２１３により同方向へ移動させる。
スレーブ装置２の可動部２２が進退方向へ移動すると、または、進退方向に沿った外力がスレーブ装置２に加わると、その状態が、図１３に示すリニアエンコーダ２１４から進退方向の位置情報として、進退方向制御部４１に出力される。
進退方向制御部４１は、リニアエンコーダ２１４からの位置情報に応じて、図９に示すマスター装置３の可動部３２を進退方向駆動部３１３により同方向へ移動させる。

操作者が、図９に示すマスター装置３の指示部３２２を把持して、可動部３２を軸回転させると、図１４に示すように、ロータリエンコーダ２２３から軸回転の位置情報が制御装置４の軸回転制御部４２へ出力される。
軸回転制御部４２は、ロータリエンコーダ２２３から軸回転の位置情報に応じて、図２に示すスレーブ装置２の可動部２２を軸回転駆動部２２２により同方向へ軸回転させる。
スレーブ装置２の可動部２２が軸回転すると、または、軸回転に沿った外力がスレーブ装置２に加わると、その状態が、図１４に示すロータリエンコーダ２２３から軸回転の位置情報として、軸回転制御部４２に出力される。
軸回転制御部４２は、ロータリエンコーダ２２３からの位置情報に応じて、図９に示すマスター装置３の可動部３２を軸回転駆動部３２３により同方向へ軸回転させる。

次に、操作者が、図１０に示すマスター装置３の操作棒３２５１を指により前後方向に移動させると、図１５に示すように、第１ロータリエンコーダ３２５３から操作棒３２５１の前後方向への傾斜に対する位置情報が制御装置４の第１ハンドル制御部４３に出力される。
第１ハンドル制御部４３は、第１ロータリエンコーダ３２５３からの位置情報に応じて、図２に示すスレーブ装置２に搭載された軟性内視鏡Ｅの上下ハンドルＥ３１（図６（Ａ）参照）を、ハンドル駆動部２２５（図５参照）により同方向へ回転させる。
ハンドル駆動部２２５により上下ハンドルＥ３１が回ると、または、挿入部Ｅ１の上下方向への湾曲に対する外力が挿入部Ｅ１に加わり、ハンドル駆動部２２５に伝達されると、その状態が、図１５に示す第１ロータリエンコーダ２２６１から回転の位置情報として、第１ハンドル制御部４３に出力される。
第１ハンドル制御部４３は、第１ロータリエンコーダ２２６１からの位置情報に応じて、図９に示すマスター装置３の操作棒３２５１を第１操作棒駆動部３２５２（図１１（Ｂ）参照）により同方向へ回転させる。

更に、操作者が、マスター装置３の操作棒３２５１を指により左右方向に移動させると、図１６に示すように、第２ロータリエンコーダ３２５５から操作棒３２５１の左右方向への傾斜に対する位置情報が制御装置４の第２ハンドル制御部４４に出力される。
第２ハンドル制御部４４は、第２ロータリエンコーダ３２５５からの位置情報に応じて、図２に示すスレーブ装置２に搭載された軟性内視鏡Ｅの左右ハンドルＥ３２（図６（Ａ）参照）を、ハンドル駆動部２２５（図５参照）により同方向へ回転させる。
ハンドル駆動部２２５により左右ハンドルＥ３２が回ると、または、挿入部Ｅ１の左右方向への湾曲に対する外力が挿入部Ｅ１に加わり、ハンドル駆動部２２５に伝達されると、その状態が、図１６に示す第２ロータリエンコーダ２２６２から回転の位置情報として、第２ハンドル制御部４４に出力される。
第２ハンドル制御部４４は、第２ロータリエンコーダ２２６２からの位置情報に応じて、マスター装置３の操作棒３２５１を第２操作棒駆動部３２５４により同方向へ回転させる。

ここで、進退方向制御部４１と、軸回転制御部４２と、第１ハンドル制御部４３、第２ハンドル制御部４４にて行われるバイラテラル制御について、図１７（Ａ）および同図（Ｂ）に基づいて説明する。
図１２に示す進退方向制御部４１と、軸回転制御部４２との構成が同じであるため、図１７（Ａ）に、第１制御部４１０として示している。また、第１ハンドル制御部４３による軟性内視鏡Ｅにおける上下ハンドルＥ３１の回転制御と、第２ハンドル制御部４４による左右ハンドルＥ３２の回転制御とは、構成が同じであるため、図１７（Ｂ）に、第２制御部４２０として示している。

まず、図１７（Ａ）に示す第１制御部４１０について説明する。
第１制御部４１０には、マスター装置３の進退方向または軸回転が制御される第１マスター制御部４１１が含まれている。また、第１制御部４１０には、スレーブ装置２の進退方向または軸回転が制御される第１スレーブ制御部４１２が含まれている。
この第１マスター制御部４１１および第１スレーブ制御部４１２は、図１８に示す局所制御部である共通ユニット部４３０Ａにより構成される。従って、第１マスター制御部４１１としての共通ユニット部４３０Ａにおける制御対象は指示部３２２（図９参照）であり、第１スレーブ制御部４１２としての共通ユニット部４３０Ａにおける制御対象は軟性内視鏡Ｅ（図２参照）である。

例えば、位置センサ（図３および図１０に示すリニアエンコーダ２１４，３１４、図４および図１１ロータリエンコーダ２２３，３２４）により制御対象（スレーブ装置２，マスター装置３）の動作の状態を取得する。
この取得された動作の状態は、基本的には駆動源（図２および図９に示す進退方向駆動部２１３，３１３（リニア型モータ）、図２および図９に示す軸回転駆動部２２２，３２３）からの力と、外力による力の和となる。
位置センサにより動作のデータには、その２つが混在しているため、動作のデータから駆動源からの力を差し引いた外力からの力を抽出するのが、「外乱オブザーバ」であり、更に、位置力・抵抗力・摩擦力まで考慮したのが「外力推定オブザーバ」である。

上記のように、制御対象の動作を位置センサ（リニアエンコーダ２１４，３１４、ロータリエンコーダ２２３，３２４）により取得した位置情報ｘは、図１８に示す微分フィルタ４３１により微分されることで、以下の式により速度情報ｘ’が算出される。この位置情報ｘと速度情報ｘ’は、共通ユニット部４３０Ａの出力となる。

次に、制御対象に入力した力情報Ｆ_outであり、遅れ要素４３２を加味した力情報Ｆ_outと、実際の動き（速度情報ｘ’）を理想モデル（ノミナルモデル）の動きとしたときに、理想モデルによる動きから逆算した推定入力を、遅れ要素を加味して演算するノミナルモデル用演算手段４３３の出力との差を減算器４３４により力情報Ｆ_distを算出して、入力部に差し戻す。
そうすることで、制御対象でなく理想モデルの動きに強制的に合わせる（ロバスト制御）。ノミナルモデルでは抵抗や摩擦が考慮されていないため、制御対象への入力の力情報Ｆoutは、加速度参照値ｘ”_refに質量ｍを乗算器４３５にて乗算した力情報Ｆ_refから力情報Ｆ_distを減算器４３６により減算した力であり、この力情報Ｆ_outに基づいて制御対象が制御される。従って、制御対象は、抵抗（ｃ）や摩擦（Ｆ_fric）のない動き、つまり加速度指令値に基づいて動くことになる。

そこで、制御対象に入力する力情報Ｆ_outであり、遅れ要素４３７を加味した力情報Ｆ_outと、実際の動きを実モデルで逆算した推定入力を、遅れ要素を加味して演算する実モデル用演算手段４３８（摩擦モデルを加味した力情報Ｆ_fric、抵抗ｃを加味した力）の出力との差を減算器４３９により外力推定値Ｆ_extとして出力する（外力推定オブザーバ）。

このように、共通ユニット部４３０Ａでは、加速度参照値Ｘ”_refを入力することにより動作した制御対象の位置情報ｘと、速度情報ｘ’とを出力すると共に、外力推定値Ｆ_extとを出力する。

共通ユニット部４３０Ａである、図１７（Ａ）に示す第１マスター制御部４１１から速度情報ｘ_mが出力され、第１スレーブ制御部４１２から速度情報ｘ_sが出力される。第１マスター制御部４１１からの位置情報ｘ_mと速度情報ｘ'_mとは、移動量を増幅するためのスケーラと称される乗算器４１０１ａ，４１０１ｂに入力され、乗算器４１０１ａ，４１０１ｂから減算器４１０２ａ，４１０２ｂに入力される。乗算器４１０１ａ，４１０１ｂにより乗算される定数は、精密動作用スイッチ３２８（図１１参照）により選択することができる。

また、図１７（Ａ）に示す第１マスター制御部４１１からの位置情報ｘ_sと速度情報ｘ'_sとは、減算器４１０２ａ，４１０２ｂに入力される。
減算器４１０２ａ，４１０２ｂにより、位置情報ｘ_mと速度情報ｘ'_mから位置情報ｘ_sと速度情報ｘ'_sが減算される。これにより、マスター装置３とスレーブ装置２の位置のずれ、速度のずれが算出される。
減算器４１０２ａ，４１０２ｂからの出力は、乗算器４１０３ａ，４１０３ｂにより比例定数が乗算されることでずれを早く修正するように動作させることができる。そして、乗算器４１０３ａ，４１０３ｂのそれぞれの出力は、加算器４１０４により加算されることで、位置と速度とに基づく加速度指令値が算出される。

第１マスター制御部４１１からの外力推定値Ｆ_m‐extと、第１スレーブ制御部４１２からの外力推定値Ｆ_s‐extとが加算器４１０５により加算される。例えば、釣り合い状態では、いずれか一方の外力推定値の符号が負であるため、実質的には加算器４１０５により減算される。
外力推定値Ｆ_m‐extと外力推定値Ｆ_s‐extとの差分は、除算器４１０６により質量が除算されることで、加速度指令値となる加速度が算出される。

そして、除算器４１０６からの出力は、減算器４１０７ａにより加算器４１０４からの出力と加算されることで第１マスター制御部４１１への加速度指令値を算出する。
また、除算器４１０６からの出力は、加算器４１０４からの出力と加算器４１０７ｂにより加算されることで第１スレーブ制御部４１２への加速度指令値を算出する。
これにより、スレーブ装置２とマスター装置３とで、進退方向の位置または軸回転の位置にずれが生じている場合に、スレーブ装置２には早く修正するようにプラス方向に指示され、マスター装置３には加速を抑えるようにマイナス方向に指示される。

本実施の形態１では、減算器４１０７ａからの加速度指令値が第１マスター制御部４１１への加速度指令値ｘ’’_m-ref、加算器４１０７ｂからの加速度指令値が第１スレーブ制御部４１２への加速度指令値ｘ’’_s-refとしていない。
本実施の形態１では、減算器４１０７ａからの加速度指令値に減算器４１０８ａにより力情報Ｆ_m-pos(x)を減算して補正を掛けている。これは、コアレスリニア型モータにより形成された進退方向駆動部３１３（図９参照）では、シャフト部３１３ｂに内蔵された磁石の不均一さから生じるコイル部３１３ａとの位置関係のずれを解消させるためである。

また、本実施の形態１では、加算器４１０７ｂからの加速度指令値に減算器４１０８ａにより力情報Ｆ_s-pos(x)＋Ｆ_grav(x)を減算して補正を掛けている。力情報Ｆ_s-pos(x)は、力情報Ｆ_m-pos(x)と同様に、進退方向駆動部２１３（図３参照）での位置関係のずれを解消させるための補正値である。また、力情報Ｆ_grav(x)は、可動部２２の重心が軸回転で重力の影響を排除するための補正値である。

減算器４１０８ａからの加速度指令値ｘ’’_m-ref、減算器４１０７ａからの加速度指令値ｘ’’_m-refは、図１８に示す共通ユニット部４３０Ａへの加速度参照値ｘ’’_m-refとなる。この加速度参照値ｘ’’_m-refから算出される力情報Ｆ_outに基づいて、スレーブ装置２であれば、進退方向駆動部２１３および軸回転駆動部２２２が駆動され、マスター装置３であれば、進退方向駆動部３１３および軸回転駆動部３２３が駆動される。

次に、図１７（Ｂ）に示す第２制御部４２０について説明する。なお、図１７（Ｂ）に示す第２制御部４２０においては、図１７（Ａ）に示す第１制御部４１０と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。

図１７（Ｂ）に示す第２制御部４２０には、図９に示すマスター装置３の進退方向Ｆ２または軸回転が制御される第２マスター制御部４２１が含まれている。また、第２制御部４２０には、スレーブ装置２の進退方向またはおよび軸回転が制御される第２スレーブ制御部４２２が含まれている。
この第２マスター制御部４２１および第２スレーブ制御部４２２は、図１７（Ａ）に示す第１制御部４１０と同様に、図１８に示す共通ユニット部４３０Ａにより構成される。
従って、第２マスター制御部４２１としての共通ユニット部４３０Ａにおける制御対象は操作棒３２５１あり、第２スレーブ制御部４２２としての共通ユニット部４３０Ａにおける制御対象は軟性内視鏡Ｅの上下ハンドルＥ３１および左右ハンドルＥ３２と、挿入部Ｅ１の先端部である。

第２制御部４２０においては、第２マスター制御部４２１からの位置情報ｘ_mとｘ’_mとに定数を乗算する乗算器４１０１ａ，４１０１ｂの定数が第１制御部４１０より大きく設定されている。また、外力推定値Ｆ_m‐extは乗算器４１０１ｃにより定数が乗算される。

また、第２制御部４２０には、第２スレーブ制御部４２２からの外力推定値Ｆ_s‐extと、入力である外力推定値Ｆ_s‐extが所定値となるまで出力せずに、所定値以上となると外力推定値Ｆ_s‐extに比例する仮想静摩擦を出力とした力とを選択するスイッチ４２０１を備えている。このスイッチ４２０１は、アングルロック用スイッチ３２７と連動している。

乗算器４１０１ｃにより定数と乗算される第２マスター制御部４２１からの外力推定値Ｆ_m‐extは、スイッチ４２０１からの出力と、スイッチ４２０２からの出力とが加算器４２０３により加算される。スイッチ４２０２は、アングルロック用スイッチ３２７により挿入部Ｅ１の先端部をブレーキ状態としたときには、外力が０となる出力を選択したり、挿入部Ｅ１の先端部をフリー状態としたときには、湾曲方向に基づいた所定の外力となる出力を選択したりするものである。
このように、実質的に加算器４２０３により外力推定値Ｆ_m‐extから外力推定値Ｆ_s‐extを減算しているため、その分の摩擦力を動摩擦として加えることで、ロック状態とフリー状態との間での違和感のない操作感を仮想的に実現することが可能である。

減算器４１０７ａからの加速度指令値ｘ’’_m-refは、図１８に示す共通ユニット部４３０Ａへの加速度参照値ｘ’’_m-refとなる。
この加速度参照値ｘ’’_m-refから算出される力情報Ｆ_outに基づいて、スレーブ装置２であれば、ハンドル駆動部２２５が駆動され、マスター装置３であれば、第１操作棒駆動部３２５２および第２操作棒駆動部３２５４が駆動される。

このように、制御装置４は、マスター装置３における以下の（１）～（４）に示す動作状態を検出して出力するマスター状態信号と、スレーブ装置２における（５）～（７）に示す動作状態を検出して出力するスレーブ状態信号とに基づいた双方向力覚フィードバックにより、マスター装置３およびスレーブ装置２への駆動信号を生成する。
（１）図１０に示すリニアエンコーダ３１４が、軟性内視鏡Ｅ（図２参照）の進退方向Ｆ１を指示する指示部３２２の動作状態
（２）図１１（Ａ）に示すロータリエンコーダ３２４が、軟性内視鏡Ｅの軸回転を指示する指示部３２２の動作状態
（３）図１１（Ｂ）に示す第１ロータリエンコーダ３２５３が、挿入部Ｅ１の上下方向への湾曲を指定する操作棒３２５１の前後方向の動作状態
（４）図１１（Ｂ）に示す第２ロータリエンコーダ３２５５が、挿入部Ｅ１の左右方向への湾曲を指定する操作棒３２５１の左右方向の動作状態
（５）図３（Ａ）に示すリニアエンコーダ２１４が、軟性内視鏡Ｅの進退方向の移動の動作状態
（６）図４に示すロータリエンコーダ２２３が、軟性内視鏡Ｅの軸回転の動作状態
（７）図５に示すハンドル検出部２２６が、上下ハンドル、左右ハンドルの動作状態

そうすることで、マスター装置３に加えられた操作力をスレーブ装置２へ出力し、スレーブ装置２に発生した力をマスター装置３に出力する。従って、軟性内視鏡Ｅの進退方向への移動、軸回転、挿入部Ｅ１の上下方向および左右方向への湾曲等の操作全部に双方向力覚フィードバックを掛けることができる。

従って、内視鏡操作システム１は、内視鏡検査医の感覚に、臓器側からの力覚・反力（力・挿入速度・加速度）が正確にフィードバックされるだけでなく、臓器側にも挿入操作による力・挿入速度・加速度が等質・等量で同時に伝達されるので、この双方向力覚フィードバックにおけるバイラテラル制御より操作者はより実際の感触に近い操作感覚が得られるので、精度の高い操作性を図ることができる。よって、内視鏡操作システム１は、軟性内視鏡により腸管を操作する内臓感覚を、マスター装置を操作する操作者に感じさせることが可能である。また、用手的に内視鏡挿入操作をしている操作者の使用を満足させることができる。また、「内蔵感覚」を手掛かりとした経験を要する内視鏡挿入操作が遠隔操作で可能となる。

大腸内視鏡挿入法では「軸保持短縮法」という方法が知られている。この「軸保持短縮法」は、
（１）軟性内視鏡が大腸内を進行する際に、腸管の長軸方向から進行が外れないように、腸管の長軸方向への進行・挿入を維持しながら（軸保持操作）、
（２）先端では襞をひとつひとつ畳み込みながら堅実に進み、
（３）直腸Ｓ状結腸移行部、Ｓ状結腸、Ｓ状結腸下行結腸移行部を含めた大腸の屈曲部では、回旋（主に右回旋）を併用しながら腸管短縮を行って、挿入していくものである。

術者は、この（１）～（３）の３つの主要要素を習得するが、このうち（１）が一番の課題である。上級者は、（１）を経験上必須の基本と体得しているので、即ち（２）および（３）をする上でも軸を失わないようにするため、ほぼ直立不動の姿勢で挿入できるようになる。しかし、初級者や（１）が感覚的に理解できていない術者は、（２）と（３）を進行させることに集中するあまりに全身を使って行う。
つまり、無駄な動きが多くなり、そうこうするうちに軸保持を失い（または最初から軸を意識していない）、その結果（２）および（３）でも進むことができないことが多くなることで、軟性内視鏡を無理に押しながら挿入部を挿入してしまうため、腸間膜を過伸展させて苦痛の原因となる。

マスター装置３は、進退方向駆動部３１３（図１０参照）がリニアスライダにより形成され、且つ指示部３２２（回旋ハンドル）も同じ進退方向に移動するように固定されている。また、スレーブ装置２も同様に、可動部２２が進退方向に移動するように固定されている。そのため、この構成による操作では（１）の軸保持操作は進退方向に規制される。従って、術者は（１）を意識することなく、（２）と（３）のみに集中すれば、軟性内視鏡の挿入できることになる。（１）が不十分であると、（２）および（３）も難しくしてしまうという面もある。
つまり、この内視鏡操作システム１の装置構成が、無駄な動きを吸収するため、難題である軸保持操作が装置構成により実現できるため、習得すべき技量の中心は（２）と（３）となり、技量の均一化の早期実現が可能である。
その上で、内視鏡操作システム１では、力覚フィードバック機能を有しているため、（２）および（３）を行う場合でも、無理な動きを抑制することができる。

本実施の形態１に係る内視鏡操作システム１（図１参照）では、図９に示すマスター装置３が、進退方向動作用スイッチ３２６を備えており、進退方向動作用スイッチ３２６が連動と非連動とを指定することにより、図１２に示す制御装置４の進退方向制御部４１が、マスター装置３の指示部３２２（図９参照）の移動に応じて、図２に示すスレーブ装置２の可動部２２を同方向に移動させたり、移動させなかったりする。
進退方向動作用スイッチ３２６が非連動を指示したときには、進退方向制御部４１は、図１３に示すように、スレーブ状態信号を停止し、モータドライバ装置５から進退方向駆動部２１３への制御電流を停止する。そうすることで、スレーブ装置２はフリー状態となる。

例えば、図９に示す進退方向動作用スイッチ３２６を連動状態にして指示部３２２を前進させて、スレーブ装置２の可動部２２を前進させた後に、進退方向動作用スイッチ３２６を非連動状態にして操作棒３２５１を後退させ、そして、進退方向動作用スイッチ３２６を連動状態にして操作棒３２５１を前進させることで、可動部２２を引き続いて前進させることができる。
従って、指示部３２２の進退方向の移動に対して可動部２２の移動を微小としたときに、指示部３２２を何回も往復させることで可動部２２を操作者の希望の方向に移動させることができる。

また、図９に示すマスター装置３は、アングルロック用スイッチ３２７を備えており、アングルロック用スイッチ３２７からの指示に基づいて、挿入部Ｅ１の先端部の湾曲を指示する上下ハンドルＥ３１（図６（Ａ）参照）と左右ハンドルＥ３２とを回転させるハンドル駆動部２２５（図５参照）をブレーキ状態としたり、フリー状態としたりする。そのため、挿入部Ｅ１の先端部の湾曲状態を維持させることができる。
従って、図２に示す挿入部Ｅ１を被術者の体内に挿入した状態で挿入部Ｅ１の湾曲状態を固定すれば、操作者が誤って操作棒３２５１を動かして、挿入部Ｅ１の先端部の湾曲状態が変化してしまうことを抑止することができる。

更に、図９に示すマスター装置３は、精密動作用スイッチ３２８を備えており、精密動作用スイッチ３２８からの指示に基づいて、マスター装置３の指示部３２２の進退方向への移動と軸回転とに対するスレーブ装置２の可動部２２の移動の比率を小さくする。そのため、挿入部Ｅ１を被術者の体内に挿入する際に、また挿入して挿入部Ｅ１を軸回転させる際に、精密動作用スイッチ３２８により精密モードを指定することで微小動作とすることができる。従って、操作者は、指示部３２２による進退方向への移動と軸回転との操作を慎重に行うことができる。

図８に示すように、把持部２３３３が、棒状部材２３３３ｄが、棒状部材２３３３ｂを中心に回転することで、把持部２３３３の四角枠の一辺が開くので、簡単に挿入部Ｅ１を懸架部２３から取り出したり、懸架部２３に取り付けたりすることができる。
従って、操作開始する際のセットアップ時間を短縮することができ、緊急時にもスレーブ装置２から挿入部Ｅ１を取り外して、術者が軟性内視鏡Ｅを持って対応することができる。

なお、本実施の形態に係るスレーブ装置２では、軟性内視鏡Ｅを保持させてマスター装置３により操作するアタッチメント式であったが、コンピュータ上でスレーブ装置を機能させることもできる。
つまり、スレーブ装置は、コンピュータを、軟性内視鏡、前記軟性内視鏡を保持する支持手段、スレーブ駆動信号により前記軟性内視鏡を駆動するスレーブ駆動手段、前記軟性内視鏡の動作状態を検出して、スレーブ状態信号として出力するスレーブ検出手段として機能させる、スレーブ装置のシミュレーションプログラムを動作させたものとすることができる。
スレーブ装置を、シミュレーションプログラムをコンピュータで動作させたものとすることで、内視鏡操作システムを訓練用のシミュレーション装置とすることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る内視鏡操作システムを図面に基づいて説明する。
本実施の形態２に係る内視鏡操作システムは、ロードセルにより力を測定した測定値に基づいて、外力推定値を算出するものである。
なお、図１９においては、図１８と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態２に係る内視鏡操作システムでは、図１８に示す局所制御部である共通ユニット部４３０Ａの代わりに、図１９に示す共通ユニット部４３０Ｂが採用されている。
従って、図１７（Ａ）に示す第１制御部４１０および図１７（Ｂ）に示す第２制御部３２０は、第１マスター制御部４１１および第１スレーブ制御部４１２と、第２マスター制御部４２１および第２スレーブ制御部４２２とが、共通ユニット部４３０Ｂとなる。

図１８に示す共通ユニット部４３０Ａでは、遅れ要素４３２を加味した力情報Ｆ_outとしていたが、図１９に示す共通ユニット部４３０Ｂでは、ロードセルにより測定された測定値であり、力の遅れ要素４３７を加味した測定値としている。
また、図１８に示す共通ユニット部４３０Ａでは、実際の動きを実モデルで逆算した推定入力を、遅れ要素を加味して演算する実モデル用演算手段４３８としているが、図１９に示す共通ユニット部４３０Ｂでは、ロードセルの遠位側の質量Ｍｐにより外力推定を行うロードセルモデル用演算手段４３８ｘとしている。
ロードセルモデル用演算手段４３８ｘは、ロードセルの遠位側の質量Ｍｐによる慣性力を打ち消すためのものである。この場合、ロードセルの遠位側の質量Ｍｐには、何も接触するものがないため、摩擦モデルの考慮は不要である。

そして、図１８に示す共通ユニット部４３０Ａでは、遅れ要素４３７を加味した力情報Ｆ_outと実モデル用演算手段４３８との出力を減算器４３９により減算しているが、図１９による示す共通ユニット部４３０Ｂでは、遅れ要素４３７を加味したロードセルによる測定値と、ロードセルモデル用演算手段４３８ｘからの出力とを加算する加算器４３９ｘとしている。
これは、ロードセルからの測定値が示す向きと、制御対象からの位置から演算された力の向きが、反対であるときには実質的に、加算器４３９ｘによる減算となるからである。

ロードセルは、少なくとも進退方向に移動する、スレーブ装置２の可動部２２（図２参照）と、マスター装置３の可動部３２（図９参照）とのいずれかの箇所に設置するのが望ましい。
図１８に示す共通ユニット部４３０Ａでは、加速度から外力推定値を演算しているため、外力推定値に静止摩擦力を考慮させることができない。しかし、ロードセルであれば、動作していなくても力が測定できるため、外力推定値に静止摩擦力を加味させることができる。
特に、進退方向を移動する、スレーブ装置２の可動部２２は、軟性内視鏡を保持しており、また、マスター装置３の可動部３２も指示部３２２（回旋ハンドル）を備えているため、重量がある。
従って、ロードセルにより測定された力（測定値）や、ロードセルモデル用演算手段４３８ｘにより算出された力により、外力推定値を演算することで、更に実際の感触に近い操作感覚が得ることができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る内視鏡操作システムを図面に基づいて説明する。
本実施の形態３に係る内視鏡操作システムにおける、図２０に示す共通ユニット部４３０Ｃは、実施の形態１に係る共通ユニット部４３０Ａ（図１８参照）と、実施の形態２に係る共通ユニット部４３０Ｂ（図１９参照）との両方の機能を備えたものである。
なお、図２０においては、図１８および図１９と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。

図２０に示す共通ユニット部４３０Ｃは、外力推定値Ａ（第１外力推定値）の演算では、図１８に示す共通ユニット部４３０Ａと同じように、遅れ要素４３７を加味した力情報Ｆｏｕｔと実モデル用演算手段４３８との出力を減算器４３９により減算している。また、外力推定値Ｂ（第２外力推定値）では図１９に示す共通ユニット部４３０Ｂと同じように、遅れ要素４３７を加味したロードセルによる測定値と、ロードセルモデル用演算手段４３８ｘからの出力とを加算器４３９ｘにより加算している。

この外力推定値Ａを、（１－ｋ）倍する乗算器４４１からの出力と、外力推定値Ｂとｋ倍する乗算器４４２からの出力とを加算器４４３により加算する。なお、ｋは０以上、１以下の数である。このようにして、外力推定値Ａと外力推定値Ｂとを所定の割合で合算することができる。

例えば、ロードセルからの信号には電気的なノイズが重畳しやすいが、加速度から外力推定値を演算する共通ユニット部４３０Ａでは、その心配を排除することができる。
また、ロードセルを用いた共通ユニット部４３０Ｂでは、外力推定値に静止摩擦力を反映させることができる。
従って、共通ユニット部４３０Ｃは、図１８に示す共通ユニット部４３０Ａと図１９に示す共通ユニット部４３０Ｂとのメリットを併せ持つことができる。

本発明の内視鏡操作システムは、経口的消化管内視鏡だけでなく、下部消化管内視鏡へも適用が可能であり、内視鏡による検査、手術、操作の訓練に好適である。

１内視鏡操作システム
２スレーブ装置
２１基台部
２１１フレーム部
２１１ａ棒状部材
２１１ｂ連結部材
２１２レール部
２１３進退方向駆動部
２１３ａコイル部
２１３ｂシャフト部
２１４リニアエンコーダ
２１４ａ走査ヘッド
２１４ｂスケール
２２可動部
２２１台座部
２２２軸回転駆動部
２２２１大ギア
２２２２小ギア
２２２３モータ
２２３ロータリエンコーダ
２２４保持部
２２４１棚部
２２４２筒部
２２５ハンドル駆動部
２２５１嵌合部
２２５１ａ嵌合部
２２５１ｂ第２嵌合部
２２５２中継部
２２５２ａ第１中継部
２２５２ｂ第２中継部
２２５３大ギア
２２５３ａ第１大ギア
２２５３ｂ第２大ギア
２２５４小ギア
２２５４ａ第１小ギア
２２５４ｂ第２小ギア
２２５５モータ
２２５５ａ第１モータ
２２５５ｂ第２モータ
２２６ハンドル検出部
２２６１第１ロータリエンコーダ
２２６２第２ロータリエンコーダ
２３懸架部
２３１支柱部
２３２レール部
２３２ａ溝
２３３スライド部
２３３１足部
２３３２腕部
２３３３把持部
２３３３ａ，２３３３ｂ，２３３３ｃ，２３３３ｄ棒状部材
２３３３ｆ，２３３３ｇ，２３３３ｈ支持部材
２３３３ｅリング部材
２３３０ゲート部
３マスター装置
３１基台部
３１１フレーム部
３１１ａ棒状部材
３１１ｂ連結部材
３１２レール部
３１３進退方向駆動部
３１３ａコイル部
３１３ｂシャフト部
３１４リニアエンコーダ
３１４ａ走査ヘッド
３１４ｂスケール
３２可動部
３２１台座部
３２２指示部
３２３軸回転駆動部
３２３１シャフト
３２３２大ギア
３２３３小ギア
３２３４モータ
３２４ロータリエンコーダ
３２５ハンドル指示部
３２５１操作棒
３２５２第１操作棒駆動部
３２５２ａ第１軸部
３２５２ｂ第１ギア群
３２５２ｃ第１モータ
３２５３第１ロータリエンコーダ
３２５４第２操作棒駆動部
３２５４ａ第２軸部
３２５４ｂ第２ギア群
３２５４ｃ第２モータ
３２５５第２ロータリエンコーダ
３２６進退方向動作用スイッチ
３２７アングルロック用スイッチ
３２８精密動作用スイッチ
４制御装置
４１進退方向制御部
４２軸回転制御部
４３第１ハンドル制御部
４４第２ハンドル制御部
４５表示制御部
４６入力制御部
４７記憶部
４８出力部
４１０第１制御部
４１１第１マスター制御部
４１２第１スレーブ制御部
４１０１ａ，４１０１ｂ，４１０１ｃ乗算器
４１０２ａ，４１０２ｂ減算器
４１０３ａ，４１０３ｂ乗算器
４１０４加算器
４１０５加算器
４１０６除算器
４１０７ａ減算器
４１０７ｂ加算器
４１０８ａ減算器
４２０第２制御部
４２０１，４２０２スイッチ
４２０３加算器
４２１第２マスター制御部
４２２第２スレーブ制御部
４３０Ａ，４３０Ｂ，４３０Ｃ共通ユニット部
４３１微分フィルタ
４３２遅れ要素
４３３ノミナルモデル用演算手段
４３４減算器
４３５乗算器
４３６減算器
４３７遅れ要素
４３８実モデル用演算手段
４３８ｘロードセルモデル用演算手段
４３９減算器
４３９ｘ加算器
４４１，４４２乗算器
４４３加算器
５，６モータドライバ装置
７表示装置
８入力装置
Ｅ軟性内視鏡
Ｅ１挿入部
Ｅ２操作部
Ｅ３１上下ハンドル
Ｅ３２左右ハンドル
Ｆ１，Ｆ２進退方向

Claims

軟性内視鏡の動作を指示するためのマスター装置と、前記マスター装置からの指示により軟性内視鏡を動作させるスレーブ装置と、前記マスター装置および前記スレーブ装置を制御する制御装置とを備え、
前記マスター装置は、前記軟性内視鏡の進退方向および軸回転の動作指示する第１操作手段と、前記軟性内視鏡における挿入部の先端部の湾曲方向を指示する第２操作手段と、前記第１操作手段の動作状態、および前記第２操作手段の動作状態を検出して、マスター状態信号を出力するマスター検出手段と、前記第１操作手段および前記第２操作手段への操作力に対する反力を駆動信号により駆動するマスター駆動手段とを備え、
前記スレーブ装置は、前記軟性内視鏡を保持する支持手段と、前記軟性内視鏡の進退方向の移動および軸回転と上下ハンドルおよび左右ハンドルの回転とを駆動信号により駆動するスレーブ駆動手段と、前記軟性内視鏡の進退方向の移動および軸回転と前記上下ハンドルおよび左右ハンドルの動作状態を検出して、スレーブ状態信号を出力するスレーブ検出手段と、前記挿入部を進退方向に沿って支持する懸架部とを備え、
前記懸架部は、枠体の一辺が開閉して、前記挿入部が出入りする把持部を備えており、
前記制御装置は、前記マスター装置からのマスター状態信号と、前記スレーブ装置からのスレーブ状態信号とに基づいた双方向力覚フィードバックにより、前記マスター装置および前記スレーブ装置への駆動信号を生成することで、前記マスター装置に加えられた操作力を前記スレーブ装置へ出力し、前記スレーブ装置に発生した力を前記マスター装置に出力する内視鏡操作システム。
前記マスター検出手段は、前記第１操作手段の進退方向の位置および軸回転の位置を示す位置情報と、前記第２操作手段により指定する前記上下ハンドルおよび左右ハンドルの回転の位置を示す位置情報とを、マスター状態信号として出力するものであり、
前記スレーブ検出手段は、前記軟性内視鏡の進退方向の位置および軸回転の位置を示す位置情報と、前記上下ハンドルおよび左右ハンドルの回転の位置を示す位置情報とを、スレーブ状態信号として出力するものであり、
前記制御装置は、位置情報を微分して速度情報を算出すると共に、前記第１操作手段および前記第２操作手段に加わる外力と前記軟性内視鏡に加わる外力とを外力推定値として算出し、前記位置情報と、前記速度情報と、前記外力推定値とに基づいて、前記第１操作手段および前記第２操作手段と軟性内視鏡とへの加速度指令値を算出し、前記加速度指令値に基づいて前記マスター駆動手段および前記スレーブ駆動手段が駆動される請求項１記載の内視鏡操作システム。
前記制御装置は、前記マスター装置および前記スレーブ装置を制御対象として入力される力情報と、実際の動きを実モデルで逆算した推定入力を演算する実モデル用演算手段の出力との差を減算器により減算して、前記外力推定値を算出する請求項２記載の内視鏡操作システム。
前記マスター装置および前記スレーブ装置における進退方向に移動する可動部にロードセルが設けられ、
前記制御装置は、前記ロードセルによる測定値と、前記ロードセルの遠位側の質量により外力推定を行うロードセルモデル用演算手段からの出力とを加算器により加算して、前記外力推定値を算出する請求項２記載の内視鏡操作システム。
前記マスター装置および前記スレーブ装置における進退方向に移動する可動部にロードセルが設けられ、
前記制御装置は、前記マスター装置および前記スレーブ装置を制御対象として入力する力情報と、実際の動きを実モデルで逆算した推定入力を演算する実モデル用演算手段の出力との差を減算器により減算して、第１外力推定値を算出すると共に、前記ロードセルによる測定値と、前記ロードセルの遠位側の質量により外力推定を行うロードセルモデル用演算手段からの出力とを加算器により加算して、第２外力推定値を算出し、前記第１外力推定値と前記第２外力推定値とを所定の割合で合算して、前記外力推定値として算出する請求項２記載の内視鏡操作システム。
前記マスター装置は、前記マスター装置の前記第１操作手段への進退方向の操作を前記スレーブ装置と連動させたり、非連動としたりすることを指示する進退方向動作用スイッチを備え、
前記制御装置は、前記進退方向動作用スイッチにより非連動が指示されたときに、スレーブ状態信号を停止する請求項１または２記載の内視鏡操作システム。
前記マスター装置は、前記軟性内視鏡における挿入部の湾曲状態を固定するためのアングルロック用スイッチを備え、
前記制御装置は、前記アングルロック用スイッチにより固定が指示されたときに、前記挿入部の先端部の湾曲を指示する上下ハンドルと左右ハンドルとを回転させる前記スレーブ駆動手段をブレーキ状態とする請求項１から３のいずれかの項に記載の内視鏡操作システム。
前記マスター装置は、精密動作用スイッチを備え、
前記制御装置は、前記精密動作用スイッチからの指示に基づいて、前記第１操作手段の進退方向への移動と軸回転とに対する前記スレーブ装置の前記支持手段の移動の比率を小さくする請求項１から４のいずれかの項に記載の内視鏡操作システム。