JP7402894B2 - 外科手術システム及び外科手術マニピュレータアームの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、外科手術システム及び外科手術マニピュレータアームの制御方法に関する。

従来から複数のマニピュレータアームを動作させて外科手術を行う外科手術システムが知られている（例えば特許文献１参照）。

この外科手術システムは、複数のマニピュレータアームの基端部がプラットフォームに着脱可能に取り付けられ、複数のマニピュレータアームは互いに隣り合って配置されている。

特開２０１７－１０４４５２号公報

しかし、特許文献１に記載の外科手術システムは、マニピュレータアームを動作させる際に隣のマニピュレータアーム等の外科手術システムの他の機器や周囲の環境等と干渉しやすいという問題があった。

上記課題を解決するため、ある態様に係る外科手術システムは、シャフト及び前記シャフトと同軸の回動軸を有する先端側ねじり関節を含む外科用器具と、先端部に前記外科用器具を保持する７以上の自由度を有するマニピュレータアームであって、該マニピュレータアームの基端側に配置され、回動軸を有する基端側ねじり関節と、前記基端側ねじり関節と前記先端側ねじり関節との間に配置され、前記先端側ねじり関節の回動軸を含む参照平面と交差し且つ該参照平面に対する向きが固定されている回動軸を有する曲げ関節と、を含む複数の関節と、前記複数の関節を駆動し該複数の関節の位置決めを行う複数のアクチュエータと、を有するマニピュレータアームと、前記マニピュレータアームに対する術者の操作入力を受け付ける操作装置と、前記操作入力に基づいて前記複数のアクチュエータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、遠隔中心を設定し、前記基端側ねじり関節の前記回動軸の延長線又は該延長線の法線方向にオフセットして配置される線である参照線上に参照点を設定し、前記シャフトが前記遠隔中心を通り且つ前記参照平面が前記参照点を通るように前記複数の関節の位置決めを行うよう構成されている。

この構成によれば、先端側ねじり関節の動作によってシャフトを回動させる動作の多くが実現されるようにマニピュレータアームの動作を制御することができ、シャフトを回動させる動作を行う際にマニピュレータアームの姿勢が大きく変化することを防止することができ、結果的にマニピュレータアームと外科手術システムを構成する他の機器や周囲の環境等との干渉を予防することができる。

本発明は、マニピュレータアームと外科手術システムの他の機器や周囲の環境等との干渉を予防することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る外科手術システムの構成例を示す正面図である。 図１の外科手術システムのマニピュレータアームの全体的な構成例を示す斜視図である。 図１の外科手術システムのアームベースの構成例を示す平面図である。 図１の外科手術システムの制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。 図１の外科手術システムの動作例を示す図である。 図１の外科手術システムの動作例を示す図である。 図１の外科手術システムの動作例を示す図である。 実施の形態２に係る外科手術システムの構成例を示す正面図である。 図８の外科手術システムの動作例を示す図である。

以下、各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る外科手術システム１００の全体的な構成を示す概略図である。図２は、図１に示す外科手術システム１００におけるマニピュレータアーム３の全体的な構成を示す概略図である。図３は、アームベース５の構成例を示す平面図である。外科手術システム１００は、ロボット支援手術又はロボット遠隔手術等のように、医師等の術者Ｓが患者側システム１を用いて患者Ｐに内視鏡外科手術を施すシステムである。なお、図１は、ポジショナ７、アームベース５および複数のマニピュレータアーム３が施術前に確立される所定の準備位置（詳しくは後述する）に位置している状態を示している。また、図１は、ポジショナ７と、複数のマニピュレータアーム３との大きさの比率を実際とは異なる比率で記載している。実際には、ポジショナ７に対する複数のマニピュレータアーム３の大きさの比率は、図１に示される構成より小さい。

外科手術システム１００は、患者側システム１と、この患者側システム１を操る操作装置２（後述する図４参照）とを備えている。操作装置２は、患者側システム１から離れて配置され、施術時において患者側システム１は操作装置２によって遠隔操作される。術者Ｓは、マニピュレータアーム３に対する操作入力を含む患者側システム１に行わせる動作を操作装置２に入力し、操作装置２はその動作指令を患者側システム１に送信する。そして、患者側システム１は、操作装置２から送信された動作指令を受け取り、この動作指令に基づいて患者側システム１が具備するエンドエフェクタ４４を移動させる。

操作装置２は、外科手術システム１００と術者Ｓとの間のインターフェースを構成し、患者側システム１を操作するための装置である。操作装置２は、手術室内において手術台１１１の傍らに又は手術台１１１から離れて、あるいは、手術室外に設置されている。操作装置２は、術者Ｓが動作指令を入力するための操作用マニピュレータアームおよび操作ペダル等の操作入力部と、外科用器具４０として患者側システム１に取り付けられる内視鏡アセンブリで撮影された画像を表示するモニタとを含む。術者Ｓは、モニタで患部（施術部位１１０）を視認しながら、操作入力部を操作して操作装置２に動作指令を入力する。操作装置２に入力された動作指令は、有線又は無線により患者側システム１の制御部６００（詳細は後述）に伝達される。

患者側システム１は、外科手術システム１００と患者Ｐとのインターフェースを構成する。患者側システム１は、手術室内において患者Ｐが横たわる手術台１１１の傍らに配置されている。手術室内の手術台１１１の周辺が滅菌された滅菌野である。

患者側システム１は、ポジショナ７と、ポジショナ７の先端部に取り付けられたアームベース（プラットフォーム）５と、アームベース５に着脱可能に取り付けられた複数の患者側マニピュレータアーム（以下、単に「アーム３」という）と、シャフト４３と、エンドエフェクタ４４とを備えている。ポジショナ７は、所定の基台から延び、所定の基台とアームベース５との間を連結するものである。本実施の形態において、ポジショナ７は、垂直多関節ロボットとして構成されており、複数の自由度（７自由度）を有する多軸関節（７軸関節）アームとして構成される。そして、ポジショナ７は、所定の基台である移動可能な台車７０に対してアームベース５の位置を３次元的に移動（互いに直行するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動）させることができる。ポジショナ７、アームベース５、及びアーム３の基端部からアーム３のホルダ３６までの部材は、図示しない滅菌ドレープで覆われ、これらポジショナ７、アームベース５、及びアーム３の基端部から後述するホルダ３６までの部材が手術室内の滅菌野から遮蔽される。

複数のアーム３は、それぞれ長軸状のシャフトを含む外科用器具４０を保持可能な器具保持部（ホルダ３６）を含む。複数のアーム３のうち１本のアーム３のホルダ３６には、内視鏡アセンブリが保持される。複数のアーム３のうち余のアーム３のホルダ３６には、インストゥルメント４２が着脱可能に保持される。以下、内視鏡アセンブリが取り付けられたアーム３を「カメラアーム」ということがあり、インストゥルメント４２が取り付けられたアーム３を「インストゥルメントアーム」ということがある。図３に示すように、本実施の形態における患者側システム１は、１本のカメラアームと３本のインストゥルメントアームとの、合わせて４本のアーム３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを備えている。なお、それぞれのアーム３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの何れかの事項であることを明示的に説明するときは数字符号「３」の後に「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ｄ」を付して説明する。一方、４つのアーム３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄに共通する事項であることを説明するときは数字符号「３」の後に「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ｄ」を付さないで説明する。後述する参照線ＲＬ及び参照点ＲＤについても同様に説明する。

そして、アーム３は、シャフト４３の位置及び姿勢を変更する機能を担う機構をいう。上述の通り、ホルダ３６と外科用器具４０とは着脱可能であり、後述する器具ベース４５及び第９関節Ｊ３９は、外科用器具４０に含まれる要素として説明するが、これら器具ベース４５及び第９関節Ｊ３９は、アーム３に含まれる要素としてもよい。

上記の患者側システム１において、アームベース５は、複数のアーム３の拠点となる「ハブ」としての機能を有している。本実施の形態では、ポジショナ７およびアームベース５によって、複数のアーム３を移動可能に支持するマニピュレータアーム支持体１０が構成されている。ただし、ポジショナ７は垂直多関節ロボットでなくてもよい。例えば、ポジショナ７は、アームベース５を支持するための直動レール、昇降装置、あるいは、天井又は壁に取り付けられたブラケットであってもよい。ポジショナ７が接続される所定の基台は、台車７０のように移動可能な構成に限られない。例えば、所定の基台は、手術室の壁、床又はこれらに固定された固定物でもよい。

上記の患者側システム１では、ポジショナ７から内視鏡アセンブリ又は各インストゥルメント４２まで、要素が一連に繋がっている。本明細書では、上記一連の要素において、ポジショナ７（より詳細には、ポジショナ７の台車７０との接続部であるベース９０）へ向かう側の端部を「基端部」ということがあり、その反対側の端部を「先端部」ということがある。基端は近位端と言い換えられてもよく、先端は遠位端と言い換えられてもよい。

患者側システム１は、制御部６００により動作制御される。制御部６００は、例えばマイクロコントローラ等のコンピュータにより構成され、ＣＰＵ等の演算器（演算回路）を有する。制御部６００は、集中制御する単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。台車本体７１の内部には、ＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリを有し、制御部６００および動作制御に用いられる制御プログラムおよび各種データが記憶される記憶部６０２が格納されている。また、台車本体７１には、主に施術前におけるポジショナ７、アームベース５および複数のアーム３の位置および姿勢（後述する準備姿勢）を設定入力するための操作部６０４が設けられる。操作部６０４は、例えばタッチパネル等により構成される。

以下、アームベース５、および複数のマニピュレータアーム３について詳細に説明する。

図３に示すように、アームベース５は、アームベース本体５０と、アームベース本体５０の上部（基端側）に取り付けられ、ポジショナ７の先端部が取り付けられるポジショナ取り付け部５１と、アームベース本体５０の下部（先端側）に取り付けられ、複数のアーム３の基端部が取り付けられる少なくとも１つのアーム取り付け部５２と、を備えている。アームベース５は、ポジショナ７の先端部に対して相対回転可能に構成される。本実施の形態において、複数（４つ）のアーム３に応じて複数（４つ）のアーム取り付け部５２がアームベース５に設けられている。アームベース５は、長尺状である。複数のアーム３のベース８０が複数のアーム取り付け部５２に固定されることにより、複数のアーム３の基端部（後述する第１リンク８１）は、後述する第１関節Ｊ３１の回転軸回りに相対回転可能に構成される。

具体的には、複数のアーム取り付け部５２は、複数のアーム３の基端部（ベース８０）が所定の第１方向Ｄ１に一列に配列されている。第１方向Ｄ１は、所定の第１平面Ｓ１上に設定される（含まれる）方向である。本実施の形態において、第１平面Ｓ１は、アームベース５が準備位置（図１）に位置した状態で床面（水平面）Ｇに平行な仮想の平面であり、第１方向Ｄ１は、例えば長尺状のアームベース５の長手方向であり水平方向であるがこれに限られるものではない。また、第１方向Ｄ１は、アーム３の後述する第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１の法線方向である。すなわち、複数のアーム取り付け部５２は、アームベース５が準備位置に位置した状態で上から見た場合に第１方向Ｄ１（図１における紙面奥行き方向）に一列に配列されて、第１方向Ｄ１と直交する第２方向Ｄ２に向いている。アーム取り付け部５２の並びは、一列に限定されるものではなく、２列に並んで配置されていてもよい。また、一部のアーム取り付け部５２が第２方向Ｄ２にオフセットされていてもよい。また、一部のアーム取り付け部５２が第３方向Ｄ３にオフセットされていてもよい。第３方向Ｄ３は、例えば鉛直方向である（図３において、紙面と直交する方向）。

図２には、患者側システム１が備える複数のアーム３のうちのインストゥルメント４２が取り付けられた１本のアーム３の概略構成が示されている。なお、本実施の形態では、患者側システム１が具備する複数のアーム３は何れも同様又は類似の構成を有するが、複数のアーム３のうち少なくとも１本が他のアーム３と異なる構成（例えば異なる自由度を有する等）を有してもよい。図２に示すように、アーム３は、アーム本体３０と、アーム本体３０の先端部に連結された並進ユニット３５と、並進ユニット３５の先端側に設けられた長軸状の外科用器具４０を保持可能なホルダ（器具保持部）３６と、インストゥルメント４２の器具ベース４５とを備えている。複数のアーム本体３０は、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動可能なように構成されている。

アーム３は、アームベース５に対し着脱可能に構成されている。

アーム本体３０は、アームベース５に着脱可能に取り付けられるベース８０と、ベース８０から先端部に向けて順次連結された複数のアームリンク部を備えている。アーム本体３０は、一のアームリンク部が他の一のアームリンク部に対して回動するように順に連結されることにより複数の関節部を構成する。複数のアームリンク部は、第１リンク８１～第６リンク８６を含む。複数の関節部は、第１関節Ｊ３１～第７関節Ｊ３７を含む。なお、本実施の形態における複数の関節部は、回転軸を備えた回転関節により構成されているが、少なくとも一部の関節部が直動関節により構成されてもよい。

より詳細には、ベース８０の先端部に、ねじり（ロール）関節である第１関節Ｊ３１（基端側ねじり関節）を介して第１リンク８１の基端部が連結されている。第１リンク８１の先端部に、曲げ（ピッチ）関節である第２関節Ｊ３２を介して第２リンク８２の基端部が連結されている。第２リンク８２の先端部に、ねじり関節である第３関節Ｊ３３を介して第３リンク８３の基端部が連結されている。第３リンク８３の先端部に、曲げ関節である第４関節Ｊ３４を介して第４リンク８４の基端部が連結されている。第４リンク８４の先端部に、ねじり関節である第５関節Ｊ３５を介して第５リンク８５の基端部が連結されている。第５リンク８５の先端部に、曲げ関節である第６関節Ｊ３６を介して第６リンク８６の基端部が連結されている。第６リンク８６の先端部に、曲げ関節である第７関節Ｊ３７（先端側曲げ関節）を介して並進ユニット３５の基端部が連結されている。

本実施の形態において、第１リンク８１は、隣接する関節Ｊ３１，Ｊ３２間において折り曲げられた形状を有している。言い換えると、第１リンク８１は、第１関節Ｊ３１の回転軸と第２関節Ｊ３２の回転軸とが交差しないように構成されている。すなわち、第１リンク８１は、第１部分８１ａと、第２部分８１ｂとを有する。このうち、第１部分８１ａは、基端側の第１関節Ｊ３１から所定の第１方向（第１関節Ｊ３１の回転軸方向）に延びる。また、第２部分８１ｂは、第１部分８１ａの先端部から第１部分８１ａの延出方向に交差する第２方向（かつ第２関節Ｊ３２の回転軸に直交する方向）に延びて先端側の第２関節Ｊ３２に接続される。第１リンク８１における第１方向と第２方向とのなす角は、例えば１２０度以上かつ１６０度以下（例えば１４０度）である。なお、第１部分８１ａと第２部分８１ｂとは滑らかに繋がっている。これにより、一部のアームリンク部が折り曲げられた形状を有していても、複数のアームリンク部内に電気配線等のワイヤを通し易くすることができる。

更に、第４リンク８４は、隣接する関節Ｊ３４，Ｊ３５間において折り曲げられた形状を有し、当該部分がアーム本体３０の肘３１である。言い換えると、第４リンク８４は、第４関節Ｊ３４の回転軸と第５関節Ｊ３５の回転軸とが交差しないように構成されている。そして、第４関節Ｊ３４の回転軸及び第５関節Ｊ３５の回転軸に直交する方向において、第４関節Ｊ３４の回転軸に対して第５関節Ｊ３５の回転軸はオフセットされている。すなわち、第４リンク８４は、第１部分８４ａと、第２部分８４ｂとを有する。このうち、第１部分８４ａは、基端側の第４関節Ｊ３４から所定の第１方向（第４関節Ｊ３４の回転軸および第５関節Ｊ３５の回転軸の双方に直交する方向）に延びる。また、第２部分８４ｂは、第１部分８４ａの先端部から第１部分８４ａの延出方向に交差する第２方向（第５関節Ｊ３５の回転軸方向）に延びて先端側の第５関節Ｊ３５に接続される。第４リンク８４における第１方向と第２方向とのなす角は、例えば７０度以上かつ１１０度以下（例えば９０度）である。なお、第１部分８４ａと第２部分８４ｂとは滑らかに繋がっている。

その他のリンク８２，８３，８５，８６は、隣接する関節部間において直線状に形成されている。言い換えると、その他のリンク８２，８３，８５，８６は、隣接する関節部の回転軸同士が交差するように構成されている。

各アームリンク部は、そのアームリンク部より基端部側に接続されるアームリンク部（又はベース８０）より長手方向に直交する断面の面積が小さくなるように構成される。これにより、アーム本体３０は、基端部から先端部に向かうに従って段々細くなるように構成される。更に、曲げ関節である各関節Ｊ３２，Ｊ３４，Ｊ３６は、基端部側のアームリンク部８１，８３，８５の先端部が関節部における回転軸方向中央部を基準として回転軸方向一方側に位置するように構成される。また、先端部側のアームリンク部８２，８４，８６の基端部が関節部における回転軸方向中央部を基準として回転軸方向他方側において基端部側のアームリンク部８１，８３，８５の先端部に対面するように位置するように構成される。

その上で、当該関節部における回転軸方向の幅、すなわち、基端部側のアームリンク部８１，８３，８５の先端部の回転軸方向外端部と、先端部側のアームリンク部８２，８４，８６の基端部の回転軸方向外端部との間の距離が、基端部側のアームリンク部８１，８３，８５の先端部より基端部側に位置する部分の長手方向に直交する断面の直径（最大寸法）より短い。

このように、各関節部およびそれの先端部側のアームリンク部が基端部側のアームリンク部に比べて幅狭に構成される。これによって、患者Ｐの施術部位１１０に近接するほど狭くなるワークスペースにおいて、各アーム本体３０の移動範囲（他のアーム本体３０と干渉しない範囲）を増大させることができる。

アーム本体３０の外殻は、塗装により耐薬品性を有する部材で形成されている。また、アーム本体３０の点検穴等の開口部は、樹脂製のカバーで覆われている。当該カバーを樹脂等の部材で形成することにより、アーム本体３０の強度に寄与しない部分の軽量化を図ることができる。これにより、カバーが万が一にも落下したり、アーム本体３０が他のアーム本体３０又は施術補助者等にぶつかっても、その衝撃を軽減することができる。なお、アーム本体３０の外殻自体が樹脂部材で構成される部分を含んでもよい。

並進ユニット３５は、並進ユニット３５の先端部に取り付けられたホルダ３６を後述する長軸方向Ｄｔに並進移動させることにより、ホルダ３６に取り付けられたインストゥルメント４２を後述するシャフト４３の延在方向に並進移動させる機構である。

並進ユニット３５は、アーム本体３０の第６リンク８６の先端部に、曲げ関節である第７関節Ｊ３７を介して連結される基端側リンク６１と、先端側リンク６２と、基端側リンク６１と先端側リンク６２との間で連動して動く連結リンク６３と、連動機構とを有する。第７関節Ｊ３７は、長軸方向Ｄｔに直交する方向に延びている。並進ユニット３５の駆動源は、基端側リンク６１に設けられている。連結リンク６３は、長軸方向Ｄｔに沿って延びている。

並進ユニット３５は、基端側リンク６１と連結リンク６３との長軸方向Ｄｔにおける相対位置が変化する。これとともに、並進ユニット３５は、連動機構により、連結リンク６３と先端側リンク６２との長軸方向Ｄｔにおける相対位置が変化する。これによって、並進ユニット３５は、基端側リンク６１に対して先端側リンク６２に設けられたホルダ３６に取り付けられたインストゥルメント４２の長軸方向Ｄｔに関する位置を変化させることができる。そして、並進ユニット３５は、インストゥルメント４２を挿入方向に進出させたり、引抜方向に後退させたりできる。より具体的には、連結リンク６３は、長軸方向Ｄｔに延びる一対のガイドレールを有している。そして、一方のガイドレールは長軸方向Ｄｔにスライド可能に基端側リンク６１に支持され、他方のガイドレールは長軸方向Ｄｔにスライド可能に先端側リンク６２を支持している。そして、連動機構は、基端側リンク６１に対して一方のガイドレール上で基端側リンク６１が長軸方向Ｄｔ一方側にスライドすることによって、他方のガイドレール上で先端側リンク６２を長軸方向Ｄｔ他方側にスライドさせる。連動機構は、倍速機構であり、例えばプーリおよびタイミングベルトを用いた構成でもよいし、ギアトレインを含む機構でもよい。このように、並進ユニット３５は基端側リンク６１に対して先端側リンク６２及びホルダ３６を連結し、これら先端側リンク６２及びホルダ３６を長軸方向Ｄｔに直進動作させる直動関節である第８関節Ｊ３８である。

ホルダ３６は、後述する外科用器具４０の器具ベース４５を着脱可能に保持する。ホルダ３６は、回転駆動する駆動軸を有し、後述するシャフト４３を回動させる駆動力を生成する。

インストゥルメント４２は、基端部に設けられた器具ベース４５と、基端部が器具ベース４５に連なるシャフト４３と、シャフト４３の先端部に連なるエンドエフェクタ（処置具）４４とを有している。更に、インストゥルメント４２は、インストゥルメント４２をホルダ３６に取り付けることによって、ホルダ３６の駆動軸と接続され、駆動軸の駆動力を伝達する駆動力伝達部を備えている。インストゥルメント４２には長軸方向Ｄｔが規定されており、器具ベース４５、シャフト４３、およびエンドエフェクタ４４はこの順に長軸方向Ｄｔに沿って配置される。インストゥルメント４２のエンドエフェクタ４４は、動作する関節を有する器具（例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、および、クリップアプライヤー等）、ならびに、関節を有しない器具（例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、および、吸引オリフィス等）を含む群より選択される。そして、器具ベース４５に、ねじり（ロール）関節である第９関節Ｊ３９（先端側ねじり関節）を介してシャフト４３の基端部が連結されている。第９関節Ｊ３９の回動軸Ｒ９は、シャフト４３の中心軸Ｃと同軸に配置された回動軸を有する。なお、関節の回動軸とは、回転する軸（shaft）の幾何学的な（仮想の）軸線（geometric (imaginary) axis）の意である。また、上述の通り、本実施の形態において、これら器具ベース４５及び第９関節Ｊ３９は、シャフト４３の位置決めを行うためのアーム３に含まれる要素としてもよい。

なお、上述の通り、第７関節Ｊ３７と第９関節Ｊ３９との間に位置する第８関節Ｊ３８は直動関節であるので、第７関節Ｊ３７の回動軸Ｒ７に対する第９関節Ｊ３９の回動軸Ｒ９の向きは固定されている。そして、第７関節Ｊ３７の回動軸Ｒ７は、長軸方向Ｄｔに延びる第９関節Ｊ３９の回動軸Ｒ９を含む参照平面ＲＰと直交する。すなわち、本実施の形態においては、第７関節Ｊ３７が参照平面ＲＰを規定する曲げ関節を構成する。なお、回動軸Ｒ７と参照平面ＲＰとが成す角は直角に限定されず、回動軸Ｒ７と参照平面ＲＰとは交差していればよい。したがって、第７関節Ｊ３７を回動させることによって、シャフト４３を起倒する方向に揺動させることができる。

アーム３がインストゥルメントアームの場合、ホルダ３６には、インストゥルメント４２が着脱可能に保持される。ホルダ３６に保持されたインストゥルメント４２のシャフト４３は、長軸方向Ｄｔに沿って延在する。また、アーム３がカメラアームの場合、ホルダ３６には、シャフト４３の先端にカメラを有する内視鏡アセンブリが着脱可能に保持される。ここで、カメラアームに設けるホルダ３６は、インストゥルメントアームに設けるホルダ３６と同じ形状および構造を有しているが、異なる形状又は構造を有していてもよい。

図４は、図１に示す外科手術システム１００の制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。上記構成のアーム本体３０には、アーム本体３０の各関節Ｊ３１～Ｊ３７に対応して、駆動用のサーボモータ（図４ではＳＭと表記）Ｍ３１～Ｍ３７、サーボモータＭ３１～Ｍ３７の回転角を検出するエンコーダ（図４ではＥＮと表記）Ｅ３１～Ｅ３７、および、サーボモータＭ３１～Ｍ３７の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図示せず）が設けられる。

なお、図４では、関節Ｊ３１～Ｊ３７のうち、アーム本体３０の第１関節Ｊ３１および第７関節Ｊ３７が代表的に示され、その他の関節Ｊ３２～Ｊ３６の制御系統は省略されている。更に、並進ユニット３５には、第８関節Ｊ３８の並進動作のためのサーボモータＭ３８（連動機構を駆動するサーボモータ）と、第９関節Ｊ３９の回動動作のためのサーボモータＭ３９と、サーボモータＭ３８，Ｍ３９の回転角を検出するエンコーダＥ３８，Ｅ３９と、サーボモータＭ３８，Ｍ３９の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図示せず）とが設けられる。

なお、エンコーダＥ３１～Ｅ３９は、サーボモータＭ３１～Ｍ３９の回転位置（回転角）を検出する回転位置検出手段の一例として設けられており、エンコーダＥ３１～Ｅ３９に代えてレゾルバ等の回転位置検出手段が用いられてもよい。

制御部６００は、動作指令に基づいて複数のアーム３の移動を制御するアーム制御部６０１を含む。アーム制御部６０１にはサーボ制御部Ｃ３１～Ｃ３９が電気的に接続され、増幅回路等を介してサーボモータＭ３１～Ｍ３９に係る複数のアクチュエータが電気的に接続されている。

上記構成において、施術時に操作装置２に入力された動作指令に基づいて、アーム制御部６０１にアーム３の先端部の位置姿勢指令が入力される。アーム制御部６０１は、位置姿勢指令とエンコーダＥ３１～Ｅ３９で検出された回転角とに基づいて、位置指令値を生成して出力する。この位置指令値を取得したサーボ制御部Ｃ３１～Ｃ３９は、エンコーダＥ３１～Ｅ３９で検出された回転角および位置指令値に基づいて駆動指令値（トルク指令値）を生成して出力する。この駆動指令値を取得した増幅回路は、駆動指令値に対応した駆動電流をサーボモータＭ３１～Ｍ３９へ供給する。このようにして、アーム３の先端部が、位置姿勢指令と対応する位置および姿勢に到達するように、各サーボモータＭ３１～Ｍ３９がサーボ制御される。

また、制御部６００には、アーム制御部６０１にデータを読み出し可能な記憶部６０２が設けられ、操作装置２を介して入力された手術情報が予め記憶されている。この手術情報には、手術で使用される複数のアーム３の組み合わせが含まれている。

また、記憶部６０２には、アーム３の先端部に保持される外科用器具４０（内視鏡アセンブリ又は各インストゥルメント）の長軸方向Ｄｔに沿った長さ等の情報が記憶される。これにより、アーム制御部６０１は、アーム３の先端部の位置姿勢指令に基づいて、当該アーム３の先端部に保持された外科用器具４０の先端部の位置を把握可能となっている。

更に、記憶部６０２には、アームベース５および複数のアーム３の施術前に確立される所定の準備位置（例えば図１に示す各要素７，５，３の位置および姿勢）が予め記憶される。記憶部６０２には、複数の準備位置が、施術の内容（種類）、施術部位等に応じて記憶され得る。

＜外科手術システムの動作例＞
図５～図７は、外科手術システム１００の動作例を示す図である。図５及び図６においては、アーム３のうちアーム３Ｂ及びアーム３Ｂに関連する要素を図示し、それ以外の要素については適宜省略して図示している。また、図７においては、アーム３のうちアーム３Ａ及びアーム３Ａに関連する要素を図示し、それ以外の要素については適宜省略して図示している。

図１に示すように、上記構成の患者側システム１を用いた施術において、まず、施術補助者（術者Ｓ自身が行ってもよい）は、台車７０を用いて患者側システム１を手術台１１１の近くに移動させる。このとき、ポジショナ７、アームベース５および複数のアーム３は、台車７０に対して設定される所定の収納位置（図示せず）に位置している。

手術台１１１に横たわる患者Ｐの体表には、複数のスリーブ（カニューレスリーブ）１１２が例えば横並びに一直線に並ぶように位置して留置されている。図１において、スリーブ１１２は紙面奥行き方向に一列に配列されている。ただし、この配置に限定されるものではない。

そして、アームベース本体５０が患者Ｐの上方に位置し、アーム取り付け部５２に取り付けられたアーム３の第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１が概ね水平方向に向くようにポジショナ７を制御してアームベース本体５０を配置する。第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１と水平面のなす角は、例えばマイナス３０度～プラス３０度の範囲内である。また、複数のアーム取り付け部５２が向く方向である第２方向Ｄ２が、複数のスリーブ１１２が並ぶ方向と概ね平行となる姿勢をとるように、ポジショナ７を制御してアームベース本体５０を配置する。

そして、施術補助者は、各アーム３と１対１の対応関係で関連付けられる遠隔中心ＲＣ（所定の中心点）を制御部６００に設定する作業を行う。この作業において、施術補助者は、ホルダ３６に教示用の外科用器具４０を取り付け、例えば教示用の外科用器具４０の先端がスリーブ１１２の孔の中央に位置するように移動させる。そして、施術補助者は、遠隔中心ＲＣを設定する指示を操作部６０４に入力する。これによって、制御部６００は、この時のアーム３の姿勢及び教示用の外科用器具４０の器具ベース４５に対するシャフト４３の先端の位置関係、ベース８０の位置及び姿勢、各アームリンク部のパラメータに係る情報に基づき、順変換を行い、遠隔中心ＲＣの位置を算出する。

なお、第１方向Ｄ１において、アーム３の順番通りに各アーム３に関連付けられる遠隔中心ＲＣが並ぶようにアーム３とスリーブ１１２とは１対１の対応関係で関連付けられる。すなわち、第１方向Ｄ１において右から１番目のアーム３Ａには、第１方向Ｄ１において右から１番目のスリーブ１１２が関連付けられている。そして、このスリーブ１１２の遠隔中心ＲＣが算出されることによって、アーム３Ａと第１方向Ｄ１において右から１番目の遠隔中心ＲＣが関連付けられる。アーム３Ｂ、３Ｃ、３Ｄについても同様である。

そして、施術補助者又は術者Ｓは、教示用の外科用器具４０を内視鏡アセンブリやインストゥルメント４２に付け替える。このような予備的動作を行うことにより、施術部位１１０となる患者Ｐの体表に留置されたスリーブ１１２と各アーム３に取り付けられた外科用器具４０とが所定の初期位置関係となるように、ポジショナ７、アームベース５および複数のアーム３の位置決めが行われる。

アーム３は、この初期姿勢において、ベース８０が概ね水平方向に延びる。そして、折り曲げられた第１リンク８１に連なる第２リンク８２及び第３リンク８３は、斜め下方向に延びる。より具体的には、第２リンク８２及び第３リンク８３は、第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１が延びる方向（第２方向Ｄ２）のうちベース８０の基端部から先端部に向かう側（図６において患者Ｐの足先側）且つ下方に延びる。そして、第４リンク８４、第５リンク８５及び第６リンク８６は、肘３１を頂点として折り返して斜め下方向に延びる。より具体的には、第４リンク８４、第５リンク８５及び第６リンク８６は、第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１が延びる方向のうちベース８０の先端部から基端部に向かう側（図６において患者Ｐの頭側）且つ下方に延びる。なお、後述する追加的な拘束条件を満たすようにアーム３の初期姿勢が決定されてもよい。

本実施の形態において、患者側システム１（ポジショナ７、アームベース５および複数のアーム３）が収納位置から準備位置となるまでの間、制御部６００は、操作装置２による操作を受け付けない。そして、患者側システム１が準備位置に位置した後、制御部６００は、操作装置２による操作を受け付け可能となる。患者側システム１が準備位置に位置した後の施術時において、制御部６００は、原則としてポジショナ７およびアームベース５を静止させた状態で、術者Ｓが操作装置２を操作した入力に基づいてアーム制御部６０１は動作指令を生成する。そして、アーム制御部６０１は、操作装置２からの動作指令に応じて、各アーム３を動作させて外科用器具４０の位置および姿勢を適宜変化させるように動作制御する。このとき、アーム制御部６０１は、スリーブ１１２に挿通した外科用器具４０が遠隔中心ＲＣを通るように外科用器具４０の姿勢に制限を加えてアーム３を制御する。これによって、スリーブ１１２が患者Ｐの体表の面内方向に移動することを規制することができる。

この施術時における外科用器具４０を目標位置において目標姿勢をとるように移動させる動作は、関節Ｊ３１～Ｊ３９の９軸を含む関節の動作を含む動作により実現される。このように、アーム３は、７自由度を超える自由度を有し、冗長性を有するので、外科用器具４０のシャフト４３にある目標位置・目標姿勢に対応するアーム３の姿勢は一意に決まるものではない。特に、シャフト４３をその中心軸Ｃを中心とする周方向に回動させる動作は、中心軸Ｃと同軸に設けられている第９関節Ｊ３９を回動させて実現する他に、アーム本体３０の先端を中心軸Ｃを中心とする周方向に回動させる動作によっても実現できる。したがって、制御部６００は、アーム本体３０の動作及び第９関節Ｊ３９の動作を組み合わせて、シャフト４３を中心軸Ｃを中心とする周方向に回動させるように制御する。そして、制御部６００は、シャフト４３をその中心軸Ｃを中心とする周方向に回動させる動作を実現しうる動作のうち以下の追加的な拘束条件を満たすように、アーム本体３０及び第９関節Ｊ３９を動作させる。

追加的な拘束条件の設定において、図５に示すように、まず、アーム制御部６０１は、各アーム３のそれぞれについて参照点ＲＤを設定する。図３に示すように、アーム３Ｂの参照点ＲＤＢは、アーム３Ｂの第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１の延長線である参照線ＲＬＢ上に配置される。アーム３Ａの参照点ＲＤＡは、アーム３Ａの第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１に対して第１方向Ｄ１（回動軸Ｒ１の法線方向）の一方側（＋方向）にオフセットして配置された参照線ＲＬＡ上に配置される（図７も参照）。なお、本動作例においては、第１方向Ｄ１は水平方向でもある。なお、第１方向Ｄ１はアームベース５の長手方向に平行でもある。また、アーム３Ｃの参照点ＲＤＣは、アーム３Ｃの第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１に対して第１方向Ｄ１の他方側（－方向）にオフセットして配置された参照線ＲＬＣ上に配置される。更に、アーム３Ｄの参照点ＲＤＤは、アーム３Ｄの第１関節Ｊ３１の回動軸Ｒ１に対して第１方向Ｄ１の他方側（－方向）にオフセットして配置された参照線ＲＬＤ上に配置される。また、各アーム３の参照線ＲＬのオフセット距離は個別の値に設定される。これによって、隣のアーム３等の外科手術システム１００の他の機器や助手などの周囲の環境等との干渉を適切に予防することができる。

次に、図６に示すように、アーム制御部６０１は、参照点ＲＤから目標位置において目標姿勢をとるシャフト４３の中心軸Ｃまでの垂線ｖｈの長さＬが所定の下限長さＬｍｉｎよりも短いか否かを判定する。そして、アーム制御部６０１は、垂線ｖｈの長さが下限長さＬｍｉｎよりも短いと判定すると、垂線ｖｈの長さが所定の長さＬｍｉｎよりも長くなるように、参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置をシャフト４３の中心軸Ｃから遠ざける方向に移動させる。なお、アーム制御部６０１は、垂線ｖｈの長さが下限長さＬｍｉｎよりも長いと判定すると、この処理を実行しない。なお、アーム制御部６０１は、上記判定を行うことなく、垂線ｖｈの長さＬと参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置との関係を規定する連続関数に基づいて、参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置を決定してもよい。

次に、図５に示すように、アーム制御部６０１は、参照平面ＲＰが参照点ＲＤを通るように、関節Ｊ３１～Ｊ３９の位置決めを行う。上述の通り、参照平面ＲＰとは、長軸方向Ｄｔに延びる第９関節Ｊ３９の回動軸Ｒ９を含み、第７関節Ｊ３７の回動軸Ｒ７と直交する平面である。

これによって、並進ユニット３５及び器具ベース４５は、参照点ＲＤと遠隔中心ＲＣとを結ぶ軸線Ｒｖ周りに揺動するように姿勢が拘束される。したがって、シャフト４３をその中心軸Ｃを中心とする周方向に回動させる動作を実現するにあたり、アーム本体３０の先端を中心軸Ｃを中心とする周方向に回動させる動作の割合を少なくすることができる。また、第９関節Ｊ３９を回動させてシャフト４３を回動させる動作の割合を大きくすることができる。よって、第７関節Ｊ３７と直交する方向に連なる並進ユニット３５に参照点ＲＤから外側に向かう方向に向く姿勢をとらせることができる。これによって並進ユニット３５及び器具ベース４５がアーム本体３０の側方（第１方向Ｄ１）に張り出す姿勢をとることを抑制することができる。その結果、隣のアーム３等の外科手術システム１００の他の機器や周囲の環境等との干渉を予防することができる。また、アーム本体３０の第６リンク８６が第７関節Ｊ３７からアーム３の中心方向に向く姿勢をアーム３にとらせることができるため、アーム本体３０のリンク長を有効に使用でき、動作範囲を広くすることができる。また、複数のアーム３がアームベース本体５０から扇形状に広がる姿勢をとるので、隣接するアーム間の干渉を低減させることができる。

更に、図６に示すように、例えばシャフト４３が遠隔中心ＲＣ周りに起きるように揺動し、シャフト４３が参照点ＲＤに近づくと、シャフト４３を中心軸Ｃ周りに回動させる動作において、アーム本体３０の先端を中心軸Ｃまわりに移動させる動作の回転半径が小さくなる。その結果、アーム本体３０の動作が過敏になり、並進ユニット３５及び器具ベース４５がアーム本体３０の急激な動作による大きな振動発生や追従性の低下が発生する場合があった。しかし、アーム制御部６０１は、垂線ｖｈの長さＬが下限長さＬｍｉｎよりも短いと判定すると、垂線ｖｈの長さが所定の長さＬｍｉｎよりも長くなるように、参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置を移動させる。したがって、シャフト４３が参照点ＲＤに近づいた時にアーム本体３０の先端を中心軸Ｃまわりに移動させる動作の回転半径が小さくなることを防止することができ、これによって、アーム本体３０の過敏な動作を抑制することができる。また、アーム制御部６０１が垂線ｖｈの長さＬと参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置との関係を規定する連続関数に基づいて参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置を決定する場合は、過敏な動作の発生を避けることができる。

このように、アーム制御部６０１は、外科用器具４０のシャフト４３が目標位置において目標姿勢をとるようにアーム３を制御する。新たな目標位置及び目標姿勢が設定されると、アーム制御部６０１は、再び垂線ｖｈの長さＬが所定の下限長さＬｍｉｎよりも短いか否かの判定処理以下の処理を実行する。

（実施の形態２）
図８は、実施の形態２に係る外科手術システム２００の構成例を示す正面図である。
実施の形態２に係る外科手術システム２００のアーム取り付け部２５２は、第２方向Ｄ２において、ポジショナ取り付け部２５１と同じ側を向くように設けられている。なお、その余の外科手術システム２００の患者側システム２０１及び操作装置２０２の構成は、上記実施の外科手術システム１００の患者側システム１及び操作装置２と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

図９は、外科手術システム２００の動作例を示す図である。外科手術システム２００の動作例は、外科手術システム１００と同様である。図９においては、アーム３Ａ及びアーム３Ａに関連する要素を図示し、その余のアームは省略して図示している。更に、図９においては、患者Ｐを省略して表しているが、アーム３に対する患者Ｐの姿勢は、図５及び図６と同様である。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

Ｊ３１ 第１関節
Ｊ３７ 第７関節
Ｊ３９ 第９関節
Ｒ１ （第１関節の）回動軸
Ｒ７ （第７関節の）回動軸
Ｒ９ （第９関節の）回動軸
ＲＣ 遠隔中心
ＲＤ 参照点
ＲＬ 参照線
ＲＰ 参照平面
Ｓ 術者
２ 操作装置
３ アーム
４３ シャフト
４４ エンドエフェクタ
１００ 外科手術システム
６００ 制御部

Claims (11)

1. シャフト及び前記シャフトと同軸の回動軸を有する先端側ねじり関節を含む外科用器具と、
   先端部に前記外科用器具を保持する７以上の自由度を有するマニピュレータアームであって、該マニピュレータアームの基端側に配置され、回動軸を有する基端側ねじり関節と、前記基端側ねじり関節と前記先端側ねじり関節との間に配置され、前記先端側ねじり関節の回動軸を含む参照平面と交差し且つ該参照平面に対する向きが固定されている回動軸を有する曲げ関節と、を含む複数の関節と、前記複数の関節を駆動し該複数の関節の位置決めを行う複数のアクチュエータと、を有するマニピュレータアームと、
   前記マニピュレータアームに対する術者の操作入力を受け付ける操作装置と、
   前記操作入力に基づいて前記複数のアクチュエータを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、遠隔中心を設定し、前記基端側ねじり関節の前記回動軸の延長線又は該延長線の法線方向にオフセットして配置される線である参照線上に参照点を設定し、前記シャフトが前記遠隔中心を通り且つ前記参照平面が前記参照点を通るように前記複数の関節の位置決めを行う、外科手術システム。
2. 前記曲げ関節の回動軸は、前記参照平面と直交し、
   前記参照点は、前記参照平面と前記参照線が交差する点である、請求項１に記載の外科手術システム。
3. 前記制御部は、前記参照点から前記シャフトの中心軸までの垂線の長さが所定の長さよりも短いときは、該垂線の長さが所定の長さよりも長くなるように、前記参照線上の前記参照点の位置を移動させる、請求項１又は２に記載の外科手術システム。
4. 前記制御部は、前記シャフトの前記中心軸から遠ざけるように、前記参照線上の前記参照点の位置を移動させる、請求項３に記載の外科手術システム。
5. 複数の前記マニピュレータアームを更に備え、
   各前記マニピュレータアームの前記参照線のオフセット距離は個別の値に設定される、請求項１乃至４の何れか１項に記載の外科手術システム。
6. 前記曲げ関節と前記先端側ねじり関節との間に配置された直動関節を含む、請求項１乃至５の何れか１に記載の外科手術システム。
7. 前記参照線は、前記基端側ねじり関節の前記回動軸の延長線の法線方向且つ水平方向にオフセットして配置される線である、請求項１乃至６の何れか１項に記載の外科手術システム。
8. 複数の前記マニピュレータアームの前記基端側を保持する長尺状のアームベースを更に備え、
   前記参照線は、前記基端側ねじり関節の前記回動軸の延長線の法線方向且つ前記アームベースの長手方向と平行にオフセットして配置される線である、請求項１乃至７の何れか１項に記載の外科手術システム。
9. 前記遠隔中心は、前記制御部が前記マニピュレータアームを動作させて前記外科用器具の位置および姿勢を変化させたときに、前記外科用器具が通るように配置された点である、請求項１乃至８の何れか１項に記載の外科手術システム。
10. 操作部を更に備え、
    前記遠隔中心は、前記操作部の入力に基づき設定される点である、請求項９に記載の外科手術システム。
11. シャフト及び前記シャフトと同軸の回動軸を有する先端側ねじり関節を含む外科用器具と、
    先端部に前記外科用器具を保持する７以上の自由度を有するマニピュレータアームであって、該マニピュレータアームの基端側に配置され、回動軸を有する基端側ねじり関節と、前記基端側ねじり関節と前記先端側ねじり関節との間に配置され、前記先端側ねじり関節の回動軸を含む参照平面と交差し且つ該参照平面に対する向きが固定されている回動軸を有する曲げ関節と、を含む複数の関節と、前記複数の関節を駆動し該複数の関節の位置決めを行う複数のアクチュエータと、を有する外科手術マニピュレータアームの制御方法であって、
    遠隔中心を設定し、
    前記基端側ねじり関節の前記回動軸の延長線又は該延長線の法線方向にオフセットして配置される線である参照線上に参照点を設定し、
    受け付けた術者の操作入力に基づいて前記シャフトが前記遠隔中心を通る目標位置及び目標姿勢を設定し、
    前記シャフトが前記目標位置において前記目標姿勢をとり且つ前記参照平面が前記参照点を通るように前記複数の関節の位置決めを行う、外科手術マニピュレータアームの制御方法。

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