JPH07328016A - Surgical manipulator system - Google Patents

Surgical manipulator system

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JPH07328016A
JPH07328016A JP6131811A JP13181194A JPH07328016A JP H07328016 A JPH07328016 A JP H07328016A JP 6131811 A JP6131811 A JP 6131811A JP 13181194 A JP13181194 A JP 13181194A JP H07328016 A JPH07328016 A JP H07328016A
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manipulator
coordinate system
slave
master
manipulators
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Abstract

PURPOSE:To set a surgical manipulator system to the remote control state as intended by an operator by providing the system with a coordinate system converting means converting the setting of at least one of an operating means and the inherent coordinate system of a manipulator for the correspondence between both positions and/or orientations. CONSTITUTION:The task coordinate system 15 of a slave manipulator 3 is set to the relation that the base coordinate system 23 of a master manipulator 16 is moved parallel, and it is controlled so that the point P of the base coordinate system 23 of the tool center point(TCP) of the master manipulator 16 coincides with the point P of the task coordinate system 15 of the TCP of the slave manipulator 3. The task coordinate system 27 of a master manipulator 17 is set to the relation that the base coordinate system 14 of a slave manipulator 4 is moved parallel, and it is set so that the point Q of the task coordinate system 27 of the TCP of the master manipulator 17 corresponds to and coincides with the point Q of the base coordinate system 14 of the TCP of the slave manipulator 4.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、生体の、例えば体腔内
に挿入したマニピュレータを操作手段によって遠隔的に
操作し、診断・処置等の手術を行う手術用マニピュレー
タシステムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surgical manipulator system for remotely operating a manipulator inserted into a body cavity of a living body by operating means to perform a surgery such as diagnosis and treatment.

【0002】[0002]

【従来技術】腹壁等の体壁に穴を開け、この穴を通じて
内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することによ
り、その体腔内での様々な処置を行なう経皮的内視鏡下
手術が、大きな切開を要しない低侵襲なものとして、近
年、注目されている。こうした術式は胆のう摘出手術や
肺の一部を摘出除去する手術等で広く行なわれるように
なってきた。
2. Description of the Related Art A hole is made in a body wall such as an abdominal wall, and an endoscope or a treatment tool is percutaneously inserted into a body cavity through the hole to perform various treatments in the body cavity. In recent years, endoscopic surgery has attracted attention as a minimally invasive procedure that does not require a large incision. Such an operation method has come to be widely used in a cholecystectomy operation or an operation of removing and removing a part of the lung.

【0003】このような手術において、マニピュレータ
に内視鏡や処置具を搭載し、そのマニピュレータによる
内視鏡や処置具を用いた手術を術者に代わって間接的に
行う手術用マニピュレータシステムが、米国特許第5,
217,003号において提案されている。
In such an operation, a manipulator system for a surgical operation in which an endoscope and a treatment tool are mounted on a manipulator and an operation using the endoscope and the treatment tool by the manipulator is indirectly performed on behalf of an operator, US Patent No. 5,
217,003.

【0004】こうした手術用マニピュレータの遠隔操作
では、内視鏡等の観察手段によりモニターに映し出され
た腹腔内の患部の状態を見ながら、操作者がジョイステ
ィックを操作することによって例えば操作方向にマニピ
ュレータを動作させる方式や、あるいはマスターアーム
を用いる、いわゆるマスタースレーブ方式がとられてい
た。
In the remote operation of such a manipulator for surgery, the operator operates the joystick while watching the state of the affected part in the abdominal cavity displayed on the monitor by an observation means such as an endoscope, and the manipulator is operated in the operating direction, for example. A so-called master-slave system in which an operating system or a master arm is used has been adopted.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、ジョイスティ
ックやマスタースレーブ等の遠隔操作手段を用いて手術
用マニピュレータを操作する場合、その遠隔操作手段
と、手術を行うマニピュレータとが物理的に分離されて
いるため、両者の動作方向の対応関係が、両者を設置す
る際の相対的な位置関係により決定されてしまい、その
両者の座標系の向きが一致しないことが多く起きる。例
えば、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータ
の組を複数設けた場合、その複数のマスタマニピュレー
タは1人で操作することが多く、術者のいる同じ側のベ
ットサイドに設置することになるのが普通である。一
方、スレーブマニピュレータはベットサイドの周辺にお
ける設置スペースが制限されるため、複数のマスタマニ
ピュレータは術者のいない反対側のベットサイドにも設
置することになる。
However, when operating a surgical manipulator using remote operation means such as a joystick or a master-slave, the remote operation means and the manipulator performing the operation are physically separated. Therefore, the correspondence relationship between the two operation directions is determined by the relative positional relationship when the two are installed, and the directions of the coordinate systems of the both often do not match. For example, when a plurality of sets of master manipulators and slave manipulators are provided, the plurality of master manipulators are often operated by one person, and it is common to install them on the same bedside as the operator. . On the other hand, since the slave manipulator has a limited installation space around the bedside, a plurality of master manipulators are also installed on the opposite bedside where there is no operator.

【0006】つまり、各スレーブマニピュレータとこれ
に対応するそれぞれのマスタマニピュレータを同じサイ
ドに設置できない状況にある。このため、例えば、操作
者が遠隔操作手段により右に動作させようとしたとき、
手術を行うマニピュレータが左へ動いてしまうといっ
た、動作方向に矛盾が生じ、操作者が意図しない方向に
移動するといった事態が起きる。つまり、このような状
況では、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレー
タのベース座標系は一致しない向きになり、そのベース
座標系を基に位置を対応させようとすると、マスタマニ
ピュレータを操作した場合、それに対応したスレーブマ
ニピュレータは操作者が意図しない方向に移動し、動作
方向の矛盾が生じてしまうのである。
That is, each slave manipulator and its corresponding master manipulator cannot be installed on the same side. Therefore, for example, when the operator tries to move to the right by the remote control means,
The manipulator performing the surgery moves to the left, which causes a contradiction in the operation direction, and causes a situation in which the manipulator moves in a direction unintended by the operator. In other words, in such a situation, the base coordinate system of the master manipulator and the slave manipulator are not in the same direction, and if you try to make the position correspond based on the base coordinate system, when you operate the master manipulator, the slave The manipulator moves in a direction unintended by the operator, resulting in a contradiction in the operation direction.

【0007】もちろん、対応するスレーブマニピュレー
タとマスタマニピュレータを同じサイドに設置した場合
でも、それらのマニピュレータ同志が互いに干渉しない
ように間隔をおいて設置しなければならないから、対応
する向きの位置関係がずれて設置せざるを得なくなる事
情がある。いずれにしても、前記同様な事情があり、操
作性の点で問題があった。
Of course, even when the corresponding slave manipulator and the master manipulator are installed on the same side, the manipulators must be installed at intervals so that they do not interfere with each other, so that the positional relationship of the corresponding directions is displaced. There is a circumstance that it is unavoidable to install it. In any case, there is a situation similar to the above, and there is a problem in terms of operability.

【0008】以上の如く、内視鏡や処置具を搭載したマ
ニピュレータを個々の遠隔操作手段を用い、協調作業に
より手術を行う場合にあっては、遠隔操作手段同士の位
置関係、内視鏡と処置具を搭載したマニピュレータ同士
の位置関係、及びそれぞれのマニピュレータを遠隔操作
手段の位置関係により、操作時の動作方向が決定されて
しまい、動作方向の矛盾が生じる、もしくは設置条件に
制約を受けるという問題があった。
As described above, when the manipulator equipped with the endoscope and the treatment tool is operated by the individual remote control means and the surgery is performed by the coordinated work, the positional relationship between the remote control means, the endoscope and Depending on the positional relationship between the manipulators equipped with the treatment tool and the positional relationship between the manipulators and the remote operation means, the operation direction during operation is determined, which causes a contradiction in the operation direction or restrictions on installation conditions. There was a problem.

【0009】本発明は前記事情に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、手術用マニピュレー
タと遠隔操作手段との相対的な位置関係によって動作方
向に関する操作性が損なわれず、操作者の意図するよう
に遠隔操作状態に設定可能な手術用マニピュレータシス
テムを提供することにある。
The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned circumstances, and an object thereof is to maintain the operability in the operation direction without impairing the operability by the relative positional relationship between the surgical manipulator and the remote operation means. It is an object of the present invention to provide a surgical manipulator system that can be set to a remote control state as intended by a person.

【0010】[0010]

【課題を解決する手段および作用】本発明は、術者が操
作できる領域内に設置された操作手段と、術野にアクセ
スするように設置され前記操作手段の操作に追従した動
きを行うマニピュレータと、固有の座標系を基準として
前記操作手段の操作位置及びオリエンテーションを決定
する第1の制御手段と、固有の座標系を基準として前記
第1の制御手段からの情報により、前記マニピュレータ
の位置及びオリエンテーションを決定して前記マニピュ
レータを動かす第2の制御手段と、前記操作手段の固有
の座標系及び前記マニピュレータの固有の座標系の少な
くとも一方の座標系の設定を変換して前記操作手段とマ
ニピュレータの位置及びオリエンテーションの対応をと
る座標系の変換手段とを具備したものである。すなわ
ち、手術用マニピュレータ及び操作手段の個々の動作方
向を定義する座標系を変換可能とし、手術用マニピュレ
ータの座標系と、操作手段の座標系との関係に応じて、
両者の少なくとも一方を変更できるようにしたものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an operating means installed within an area that can be operated by an operator, and a manipulator installed so as to access the operative field and performing a movement following the operation of the operating means. , The first control means for determining the operating position and orientation of the operating means with reference to a unique coordinate system, and the position and orientation of the manipulator based on information from the first control means with reference to the unique coordinate system. Second control means for moving the manipulator, and setting of at least one coordinate system of the unique coordinate system of the operating means and the unique coordinate system of the manipulator are converted to change the positions of the operating means and the manipulator. And a coordinate system conversion means for providing orientation correspondence. That is, it is possible to convert the coordinate system that defines the individual operating directions of the surgical manipulator and the operating means, and according to the relationship between the coordinate system of the operating manipulator and the coordinate system of the operating means,
At least one of the two can be changed.

【0011】[0011]

【実施例】【Example】

(第1の実施例)この実施例は、手術用マニピュレータ
としてのスレーブマニピュレータの動作方向と、その操
作手段であるマスタマニピュレータの動作方向の対応関
係を任意に設定できる手術用マニピュレータシステムに
係るものである。以下、これを図1〜10を参照して説
明する。
(First Embodiment) This embodiment relates to a surgical manipulator system capable of arbitrarily setting the correspondence between the operating direction of a slave manipulator as a surgical manipulator and the operating direction of a master manipulator which is its operating means. is there. Hereinafter, this will be described with reference to FIGS.

【0012】図1はその手術用マニピュレータシステム
の概略的な構成を示しており、同図中、1は手術台(ベ
ット)であり、この手術台1上には患者2が上向きに寝
せられている。手術台1の左右サイドには、第1のスレ
ーブマニピュレータ3と第2のスレーブマニピュレータ
4が別々に設置されている。各スレーブマニピュレータ
3,4は、いずれも複数のアーム5を連結した関節構造
によって構成されており、第1のスレーブマニピュレー
タ3の基台7は手術台1の一方のサイドに固定されてい
る。第2のスレーブマニピュレータ4の基台8は手術台
1の他方のサイドに固定される。つまり、第1のスレー
ブマニピュレータ3と第2のスレーブマニピュレータ4
は患者2の左右サイドからその患者2の術野に向かって
異なる向きで別々に延びる、つまり、逆向きの状態に設
置されている。
FIG. 1 shows a schematic structure of the surgical manipulator system. In FIG. 1, reference numeral 1 is an operating table (bed) on which a patient 2 is laid upward. ing. A first slave manipulator 3 and a second slave manipulator 4 are separately installed on the left and right sides of the operating table 1. Each of the slave manipulators 3 and 4 has a joint structure in which a plurality of arms 5 are connected to each other, and a base 7 of the first slave manipulator 3 is fixed to one side of the operating table 1. The base 8 of the second slave manipulator 4 is fixed to the other side of the operating table 1. That is, the first slave manipulator 3 and the second slave manipulator 4
Are installed separately in different directions from the left and right sides of the patient 2 toward the operative field of the patient 2, that is, they are installed in opposite directions.

【0013】前記各スレーブマニピュレータ3,4の先
端部には、例えば把持鉗子、メス、縫合器、注射器等の
処置具9,10が搭載されている。なお、このような処
置具の代わりに、内視鏡や超音波エコープローブまたは
手術用顕微鏡等の観察手段を搭載してもよい。そして、
このスレーブマニピュレータ3,4の先端部を、患者2
の体内に経皮的に挿入して処置もしくは観察を行う経皮
的内視鏡下手術を行うようになっている。
At the tips of the slave manipulators 3 and 4, treatment tools 9 and 10 such as grasping forceps, a scalpel, a suture instrument, and a syringe are mounted. Note that instead of such a treatment tool, an observation means such as an endoscope, an ultrasonic echo probe, or a surgical microscope may be mounted. And
Attach the tip of the slave manipulators 3 and 4 to the patient 2
Percutaneous endoscopic surgery for percutaneously inserting into the body to perform treatment or observation is performed.

【0014】前述した各スレーブマニピュレータ3,4
における各関節部にはアクチュエータ11とエンコーダ
12が設けられており、それの制御手段によりアクチュ
エータ11を駆動して、このスレーブマニピュレータ
3,4の関節を屈曲動作させる。エンコーダ12はその
関節の回転角度を検出する。これらのスレーブマニピュ
レータ3,4は、それぞれ固有のベース座標系13,1
4を有しており、これらのベース座標系13,14は、
図1で示すように、それぞれのスレーブマニピュレータ
3,4の基部7,8に固定されたX0 、Y0 、Z0 でそ
れぞれ表現される直交座標系である。
Each of the slave manipulators 3 and 4 described above
An actuator 11 and an encoder 12 are provided in each joint portion in FIG. 1, and the actuator 11 is driven by its control means to bend the joints of the slave manipulators 3 and 4. The encoder 12 detects the rotation angle of the joint. These slave manipulators 3 and 4 have their own base coordinate systems 13 and 1 respectively.
4 and these base coordinate systems 13, 14 are
As shown in FIG. 1, it is an orthogonal coordinate system represented by X 0 , Y 0 , and Z 0 fixed to the bases 7 and 8 of the slave manipulators 3 and 4, respectively.

【0015】また、同図1中、X、Y、Zで表現された
座標系15は、スレーブマニピュレータ3,4のタスク
座標系であり、このタスク座標系は後述するようにその
設定が任意に変更可能な座標系である。スレーブマニピ
ュレータ3,4を操作する制御手段はその固有の座標系
を基準としてこれに対応するマスタマニピュレータ1
6,17の制御手段からの情報により、そのスレーブマ
ニピュレータ3,4の位置及びオリエンテーションを決
定してスレーブマニピュレータ3,4を動かす。
Further, in FIG. 1, a coordinate system 15 represented by X, Y and Z is a task coordinate system of the slave manipulators 3 and 4, and the task coordinate system is arbitrarily set as will be described later. It is a coordinate system that can be changed. The control means for operating the slave manipulators 3 and 4 is based on its own coordinate system, and the corresponding master manipulator 1 is used as a reference.
The positions and orientations of the slave manipulators 3 and 4 are determined by the information from the control means 6 and 17 to move the slave manipulators 3 and 4.

【0016】第1のスレーブマニピュレータ3を設置し
た手術台1の右サイドには、術者が位置するが、この右
サイドには、第1のマスタマニピュレータ16と第2の
マスタマニピュレータ17が設置されている。第1のマ
スタマニピュレータ16と第2のマスタマニピュレータ
17はその手術台1に対して直接、またはその周辺に位
置した操作台18に固定される。
The operator is located on the right side of the operating table 1 on which the first slave manipulator 3 is installed, and the first master manipulator 16 and the second master manipulator 17 are installed on this right side. ing. The first master manipulator 16 and the second master manipulator 17 are fixed to the operating table 1 directly or on an operation table 18 located around the operating table 1.

【0017】ところで、操作台18は、術者の都合に応
じて適宜の位置に移動することが可能である。また、通
常、操作台18は手術室の床に設置されるが、天井に吊
持してもよいものである。いずれにしても、これらのマ
スタマニピュレータ16,17は、同一の術者が操作す
ることができるように、手術台1の一方のサイド周辺に
設置される。
By the way, the operation console 18 can be moved to an appropriate position according to the convenience of the operator. Further, the operation console 18 is usually installed on the floor of the operating room, but it may be suspended on the ceiling. In any case, these master manipulators 16 and 17 are installed around one side of the operating table 1 so that the same operator can operate them.

【0018】これらのマスタマニピュレータ16,17
は、いずれも複数のアーム19を連結した関節構造によ
って構成されており、各々の関節部にはアクチュエータ
21とエンコーダ22が設けられており、それの制御手
段によりアクチュエータ21を駆動して、マスタマニピ
ュレータ16,17の関節を屈曲動作させる。エンコー
ダ22はその各関節の回転角度が検出する。これらのマ
スタマニピュレータ16,17はそれぞれ固有のベース
座標系23,24を有しており、これらのベース座標系
23,24は、図1で示すように、それぞれのマスタマ
ニピュレータ16,17の基部25,26に固定された
0 、Y0 、Z0 でそれぞれ表現される直交座標系であ
る。
These master manipulators 16 and 17
Are each configured by a joint structure in which a plurality of arms 19 are connected to each other. An actuator 21 and an encoder 22 are provided in each joint portion, and the actuator 21 is driven by the control means of the actuator 21 and the encoder 22 to generate a master manipulator. The joints 16 and 17 are bent. The encoder 22 detects the rotation angle of each joint. These master manipulators 16 and 17 have their own base coordinate systems 23 and 24, and these base coordinate systems 23 and 24 are, as shown in FIG. 1, the bases 25 of the respective master manipulators 16 and 17. , 26 fixed in X 0 , Y 0 , and Z 0 , respectively.

【0019】また、図1中、X、Y、Zで表現された座
標系27は、マスタマニピュレータ16,17のタスク
座標系であり、これは後述するようにその設定が任意に
変更可能な座標系である。マスタマニピュレータ16,
17を操作する制御手段はその固有の座標系を基準とし
て、その制御手段により、そのマスタマニピュレータ1
6,17の位置及びオリエンテーションを決定してスレ
ーブマニピュレータ3,4を動かす。
Further, in FIG. 1, a coordinate system 27 represented by X, Y and Z is a task coordinate system of the master manipulators 16 and 17, and the coordinates thereof can be arbitrarily changed as will be described later. It is a system. Master manipulator 16,
The control means for operating the reference numeral 17 controls the master manipulator 1 based on its own coordinate system.
The positions and orientations of 6 and 17 are determined and the slave manipulators 3 and 4 are moved.

【0020】図2は、スレーブマニピュレータ3,4
と、マスタマニピュレータ16,17の動作を制御する
システムの構造を示す。すなわち、それぞれスレーブマ
ニピュレータ3,4を制御する制御装置31と、マスタ
マニピュレータ16,17を制御する制御装置32が設
けられており、各制御装置31,32は、それぞれMP
U(micro processor unit)33,34、アクチュエー
タ駆動回路35,36、およびインターフェース回路3
7,38を有して構成される。
FIG. 2 shows slave manipulators 3 and 4.
And the structure of the system which controls the operation of the master manipulators 16 and 17. That is, a control device 31 that controls the slave manipulators 3 and 4 and a control device 32 that controls the master manipulators 16 and 17 are provided, and each of the control devices 31 and 32 is an MP.
U (micro processor unit) 33, 34, actuator drive circuits 35, 36, and interface circuit 3
7, 38.

【0021】マスタマニピュレータ16,17の先端部
の先端、つまり、作用点であるTCP( tool center p
oint )は、ベース座標系23,24、またはタスク座
標系27における空間上の座標データとして、MPU3
4で計算される。これは、前述のエンコーダ22により
検出された関節角の幾何学的なベクトル合成によって求
められる。この空間データは、マスタマニピュレータ1
6,17のインターフェース回路38を介し、スレーブ
マニピュレータ3,4のインターフェース回路37に通
信される。さらに、マスタマニピュレータ16,17の
座標データは、MPU33に送られ、ここで、スレーブ
マニピュレータ3,4の動作指令が計算される。
The tips of the tip end portions of the master manipulators 16 and 17, that is, TCP (tool center p) which is the point of action.
oint) is MPU3 as coordinate data in space in the base coordinate system 23, 24 or the task coordinate system 27.
Calculated as 4. This is obtained by the geometric vector synthesis of the joint angles detected by the encoder 22 described above. This spatial data is the master manipulator 1
Communication is made with the interface circuits 37 of the slave manipulators 3 and 4 via the interface circuits 38 of 6 and 17. Further, the coordinate data of the master manipulators 16 and 17 is sent to the MPU 33, where the operation commands of the slave manipulators 3 and 4 are calculated.

【0022】すなわち、スレーブマニピュレータ3,4
の先端部の先端、つまり、作用点であるTCPは、ベー
ス座標系13,14またはそのタスク座標系15におけ
る空間上の座標データとしてMPU33で計算されてい
るが、これが、対応するマスタマニピュレータ16,1
7の座標データと一致するように、両者の偏差が動作指
令として計算される。この動作指令はアクチュエータ駆
動回路35に送られ、スレーブマニピュレータ3,4の
アクチュエータ11を動作させる。
That is, the slave manipulators 3, 4
The tip of the tip, that is, the TCP, which is the point of action, is calculated by the MPU 33 as coordinate data in space in the base coordinate systems 13 and 14 or the task coordinate system 15, and this is the corresponding master manipulator 16, 1
The deviation between the two is calculated as an operation command so as to match the coordinate data of 7. This operation command is sent to the actuator drive circuit 35 to operate the actuators 11 of the slave manipulators 3 and 4.

【0023】一方、スレーブマニピュレータ3,4のM
PU33で計算された偏差は、スレーブマニピュレータ
3,4のインターフェース回路37を介して、マスタマ
ニピュレータ16,17のインターフェース回路38へ
通信される。
On the other hand, M of the slave manipulators 3 and 4
The deviation calculated by the PU 33 is communicated to the interface circuit 38 of the master manipulators 16 and 17 via the interface circuit 37 of the slave manipulators 3 and 4.

【0024】この偏差は、さらにマスタマニピュレータ
16,17のMPU34に送られ、ここで、マスタマニ
ピュレータ16,17の力指令が計算される。この力指
令は、アクチュエータ駆動回路36へ送られ、マスタマ
ニピュレータ16,17のアクチュエータ21にその移
動を抑える向きの力を発生させる。これによりマスタマ
ニピュレータ16,17に力感覚を与える。
This deviation is further sent to the MPU 34 of the master manipulators 16 and 17, where the force command of the master manipulators 16 and 17 is calculated. This force command is sent to the actuator drive circuit 36, and causes the actuators 21 of the master manipulators 16 and 17 to generate a force in the direction of suppressing the movement. This gives a sense of force to the master manipulators 16 and 17.

【0025】そこで、図1において、マスタマニピュレ
ータ16の操作により、スレーブマニピュレータ3は、
対応する動作を行う。つまり、マスタマニピュレータ1
6の操作により、そのマスタマニピュレータ16に対応
する比例的に対応する動作をスレーブマニピュレータ3
が行うという、いわゆるマスタスレーブ方式の動作関係
にある。
Therefore, in FIG. 1, the slave manipulator 3 is operated by operating the master manipulator 16.
Take the corresponding action. In other words, master manipulator 1
By the operation of 6, the slave manipulator 3 performs a proportionally corresponding operation corresponding to the master manipulator 16.
There is a so-called master-slave system operation relationship.

【0026】この実施例においては、スレーブマニピュ
レータ3では図1中で示すタスク座標系15が、マスタ
マニピュレータ16のベース座標系23を平行移動させ
た関係となるよう設定されており、マスタマニピュレー
タ16のTCPのベース座標系23における点Pが、ス
レーブマニピュレータ3のTCPのタスク座標系15に
おける点pに一致するように制御されるため、マスタマ
ニピュレータ16を操作する方向とスレーブマニピュレ
ータ3が移動する向きとは一致する。
In this embodiment, the slave manipulator 3 is set so that the task coordinate system 15 shown in FIG. 1 has a relationship in which the base coordinate system 23 of the master manipulator 16 is translated. Since the point P in the TCP base coordinate system 23 is controlled so as to coincide with the point p in the TCP task coordinate system 15 of the slave manipulator 3, there are a direction in which the master manipulator 16 is operated and a direction in which the slave manipulator 3 moves. Match.

【0027】一方、図1で示すように、マスタマニピュ
レータ17のタスク座標27は、スレーブマニピュレー
タ4のベース座標系14を平行移動させた関係となるよ
うに後述する設定方法で座標設定がなされており、さら
に、マスタマニピュレータ17のTCPのタスク座標系
27における点Qが、スレーブマニピュレータ4のTC
Pのベース座標系14における点qに対応一致するよう
に設定されている。このため、ベース座標系14,24
の向きが異なるにも拘らず、マスタマニピュレータ17
を操作する方向とスレーブマニピュレータ4が動く向き
とを一致させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the task coordinates 27 of the master manipulator 17 are set by the setting method described later so that the base coordinate system 14 of the slave manipulator 4 is translated. Furthermore, the point Q in the TCP task coordinate system 27 of the master manipulator 17 is the TC of the slave manipulator 4.
It is set so as to correspond to the point q in the base coordinate system 14 of P. Therefore, the base coordinate systems 14, 24
Despite the different orientations of the master manipulator 17
The direction in which is operated and the direction in which the slave manipulator 4 moves can be matched.

【0028】次に、この実施例においてのマスタマニピ
ュレータ16,17およびスレーブマニピュレータ3,
4のタスク座標系の設定を変更する方法について述べ
る。これにはベクトルやマトリックスを用いる幾つかの
方法が考えられるが、ここでは、以下の3つの例を挙げ
て説明する。 (第1の設定方法)この最初の設定方法は、いわゆる3
点タッチアップ法であり、これを図3および図4を参照
して説明する。図3で示すマニピュレータ40を想定し
て説明する。ここで想定したマニピュレータ40のベー
ス座標系41におけるTCPの位置データは、そのマニ
ピュレータ40を構成するアーム43の長さ、およびそ
の関節に設けられたエンコーダ44での検出角度から求
められる。
Next, the master manipulators 16 and 17 and the slave manipulators 3 in this embodiment.
A method of changing the setting of the task coordinate system of 4 will be described. Several methods using vectors and matrices are conceivable for this, but here, the following three examples will be described. (First Setting Method) This first setting method is the so-called 3
This is a point touch-up method, which will be described with reference to FIGS. 3 and 4. Description will be given assuming the manipulator 40 shown in FIG. The TCP position data in the base coordinate system 41 of the manipulator 40 assumed here is obtained from the length of the arm 43 that constitutes the manipulator 40 and the angle detected by the encoder 44 provided at the joint.

【0029】そこで、手術環境に応じて空間上において
新たなタスク座標45を設定するには、まず、その設定
したいタスク座標45の原点P1を任意的に決め、その
定めた原点P1の位置に、マニピュレータ40のTCP
を合わせるように、そのマニピュレータ40を動作させ
る。その制御装置31,32はその原点P1のベース座
標系41における位置データを読み取ってこれを記憶す
る。これにより、新たに設定しようとするタスク座標系
45の原点P1の位置が定義できる。
Therefore, in order to set a new task coordinate 45 in space according to the surgical environment, first, the origin P1 of the task coordinate 45 desired to be set is arbitrarily determined, and the position of the determined origin P1 is set. TCP of manipulator 40
The manipulator 40 is operated so that The control devices 31 and 32 read the position data of the origin P1 in the base coordinate system 41 and store it. Thereby, the position of the origin P1 of the task coordinate system 45 to be newly set can be defined.

【0030】ついで、このタスク座標系45のX軸を手
術環境に適すると思う任意の方向を選定し、その仮に決
めたX軸上で、+側の任意の点P2の位置に、TCPを
合わせるべく、マニピュレータ40を動作させる。そし
て、点P2にTCPを合わせ、そのときのベース座標系
41における点P2の位置データを読み取ってこれを記
憶する。また、原点P1から点P2に向かう第1のベク
トル(P12 )を求めることにより、タスク座標系4
5のX軸が定義される。なお、ベクトルの表示として2
点を示す2文字の上に記す矢印は省略する。以下、同じ
である。
Then, the X-axis of the task coordinate system 45 is selected as an arbitrary direction suitable for the operating environment, and the TCP is aligned with the position of an arbitrary point P2 on the + side on the temporarily determined X-axis. Therefore, the manipulator 40 is operated. Then, the TCP is aligned with the point P2, and the position data of the point P2 in the base coordinate system 41 at that time is read and stored. Further, by obtaining the first vector (P 1 P 2 ) from the origin P1 to the point P2, the task coordinate system 4
An X-axis of 5 is defined. In addition, as a vector display, 2
The arrow above the two letters indicating the dot is omitted. The same applies hereinafter.

【0031】さらに、新たに設定しようとするタスク座
標系45の空間で、例えば手術環境に適すると仮に想定
されるXY軸の平面上で、Y成分が+である任意の点P
3を決め、この仮に決めた点P3の位置に、TCPを合
わせるようにマニピュレータ40を動作させる。そし
て、点P3のベース座標系41における位置データを読
み取ってこれを記憶する。
Furthermore, in the space of the task coordinate system 45 to be newly set, for example, on the plane of the XY axes which is assumed to be suitable for the surgical environment, an arbitrary point P whose Y component is + is given.
3 is determined, and the manipulator 40 is operated so that TCP is aligned with the position of the temporarily determined point P3. Then, the position data of the point P3 in the base coordinate system 41 is read and stored.

【0032】そして、点P1から点P3に向かう第2の
ベクトル(P13 )を求め、さらに、前述した第1の
ベクトル(P12 )との外積{ベクトル(P12
×ベクトル(P13 )}のベクトルを求めると、この
ベクトルの方向がZ軸の方向になる。 さらに、{ベク
トル(P12 )×ベクトル(P13 )×ベクトル
(P12 )}のベクトルを求めると、これの方向がY
軸の方向となる。
Then, a second vector (P 1 P 3 ) extending from the point P1 to the point P3 is obtained, and further, an outer product {vector (P 1 P 2 ) with the above-mentioned first vector (P 1 P 2 ) is obtained.
When the vector of × vector (P 1 P 3 )} is obtained, the direction of this vector becomes the Z-axis direction. Furthermore, when the vector {vector (P 1 P 2 ) × vector (P 1 P 3 ) × vector (P 1 P 2 )} is obtained, the direction of this is Y
It is the direction of the axis.

【0033】以上の方法により、マニピュレータ40の
TCPの位置合わせにより、空間上の任意のタスク座標
系45が定義される。また、図4で示す式(1)〜
(4)を用いてベース座標系41に対する設定したいタ
スク座標系45への座標マトリックスMを計算で求め、
タスク座標系45におけるTCPの位置ベクトルQを求
める際、既知のベース座標系41におけるTCPの位置
ベクトルPに対し、『Q=M-1P』の式のように、座標
マトリックスM-1を左から乗じて求めてもよい。図5は
以上のタスク座標系を設定する手順を示したものであ
る。 (第2の設定方法)次に、第2の設定方法について、図
6および図7を参照して説明する。この方法によりタス
ク座標系を設定するマニピュレータ40を図6で示すよ
うに想定する。
By the above method, the TCP alignment of the manipulator 40 defines an arbitrary task coordinate system 45 in space. Further, equations (1) to (1) shown in FIG.
Using (4), the coordinate matrix M for the task coordinate system 45 to be set for the base coordinate system 41 is calculated,
When the TCP position vector Q in the task coordinate system 45 is obtained, the coordinate matrix M -1 is moved to the left with respect to the TCP position vector P in the known base coordinate system 41, as in the expression "Q = M -1 P". It may be obtained by multiplying from. FIG. 5 shows a procedure for setting the above task coordinate system. (Second Setting Method) Next, the second setting method will be described with reference to FIGS. 6 and 7. A manipulator 40 for setting a task coordinate system by this method is assumed as shown in FIG.

【0034】このマニピュレータ40のベース座標系4
1と、手術環境に応じて空間上に新たに設定したいタス
ク座標系45との、変換座標マトリックスMは一般に下
式のように表現される。
The base coordinate system 4 of this manipulator 40
The transformed coordinate matrix M of 1 and the task coordinate system 45 to be newly set in the space according to the surgical environment is generally expressed by the following equation.

【0035】[0035]

【数1】 [Equation 1]

【0036】ここで、p(px 、py 、pz )は、座標
系の原点のベクトル o(ox 、oy 、oz )は、座標系の原点の接近ベクト
ル a(ax 、ay 、az )は、座標系の原点の方向ベクト
ル n(nx 、ny 、nz )は、座標系の原点の法線ベクト
ル である。
Where p (p x , p y , p z ) is the vector of the origin of the coordinate system o (o x , o y , o z ) is the approach vector of the origin of the coordinate system a (a x , ay , az ) is the direction vector of the origin of the coordinate system n ( nx , ny , nz ) is the normal vector of the origin of the coordinate system.

【0037】これらの変数は、このマニピュレータ40
を設置した位置、およびタスク座標系45の定義位置の
関係を計測することにより、計算によって容易に求める
ことが可能である。つまり、マニピュレータ40の制御
装置内のMPUのレジスタに設定することで、上式を計
算し、タスク座標系45におけるTCPの位置ベクトル
Qを求める際に、既知のベース座標系41におけるTC
Pの位置ベクトルPに対し、『Q=M-1P』の式のよう
に、座標マトリックスM-1を左から乗じて求めればよ
い。 (第3の設定方法)最後に、第3の設定方法について、
図8ないし図10を参照して説明する。この設定方法を
説明するため、図8および図9で示すようなマニピュレ
ータ40を想定する。
These variables correspond to this manipulator 40.
It is possible to easily obtain by calculation by measuring the relationship between the position at which is installed and the defined position of the task coordinate system 45. That is, by setting the register in the MPU in the control device of the manipulator 40, the above equation is calculated, and when the TCP position vector Q in the task coordinate system 45 is obtained, TC in the known base coordinate system 41 is calculated.
The position vector P of P may be obtained by multiplying the coordinate matrix M −1 from the left as in the expression “Q = M −1 P”. (Third setting method) Finally, regarding the third setting method,
This will be described with reference to FIGS. 8 to 10. In order to explain this setting method, assume a manipulator 40 as shown in FIGS. 8 and 9.

【0038】マニピュレータ40に搭載するツール46
に固有な座標系としてツール座標系47が次のように定
義される。これは、TCPを常に原点とし、ツール46
の系に固定された座標系であり、マニピュレータ40の
動作を行う際に都合の良い方向で定義されている。例え
ば、図8および図9でのツール46として内視鏡を想定
した場合、図8で示すように、その内視鏡の長手方向を
X軸とし、内視鏡のオフセット方向にZ軸、これらに直
交する方向にY軸を設けておけば、内視鏡を長手方向に
移動したい場合には、ツール座標系47のX軸方向の移
動を指令すれば良いことになる。
A tool 46 mounted on the manipulator 40
A tool coordinate system 47 is defined as a coordinate system unique to the following. This always uses TCP as the origin, and tool 46
The coordinate system is fixed to the system of No. 1 and is defined in a direction convenient for the operation of the manipulator 40. For example, when an endoscope is assumed as the tool 46 in FIGS. 8 and 9, as shown in FIG. 8, the longitudinal direction of the endoscope is the X axis, and the Z axis is the offset direction of the endoscope. If the Y axis is provided in the direction orthogonal to the direction, when it is desired to move the endoscope in the longitudinal direction, it is sufficient to command the movement of the tool coordinate system 47 in the X axis direction.

【0039】数式で、このツール座標系47を表現する
場合、図10で示すように、ベース座標系41に対する
座標変換マトリックスにより、『H・T』の式で表現さ
れる。この式の文字は本来太い文字で表現されるが、こ
こでは通常の文字で表現する。以下においても同じであ
る。
When the tool coordinate system 47 is expressed by a mathematical expression, it is expressed by the expression "HT" by the coordinate conversion matrix for the base coordinate system 41 as shown in FIG. Characters in this expression are originally expressed in bold characters, but here they are expressed in normal characters. The same applies below.

【0040】ここで、Tは、マニピュレータのエンドエ
フェクタ取付面に固定されたメカニカルインターフェー
ス座標系に対する座標変換マトリックスであり、これ
は、マニピュレータのアームの長さ、エンコーダにより
検出される関節角度等により幾何学的に求められる。ま
た、『H』は、メカニカルインターフェース座標系に対
するツール座標系の座標変換マトリックスであり、前式
(A)と同様の形式で表現され、各成分の変数はツール
の形状と、選定したツール座標系の方向より求めれば良
い。さらに、タスク座標系におけるTCPの位置ベクト
ルQを求める際には、既知のベース座標系41における
TCPの位置ベクトルPに対し、『Q=M-1P』の式の
ように、座標マトリックスM-1を左から乗じて求めれば
よい。
Here, T is a coordinate transformation matrix for the mechanical interface coordinate system fixed to the end effector mounting surface of the manipulator, and this is a geometrical transformation according to the arm length of the manipulator, the joint angle detected by the encoder, and the like. Scientifically required. Further, “H” is a coordinate transformation matrix of the tool coordinate system with respect to the mechanical interface coordinate system, and is expressed in the same format as the above expression (A), and the variables of each component are the shape of the tool and the selected tool coordinate system. It can be obtained from the direction of. Further, when the TCP position vector Q in the task coordinate system is obtained, the coordinate matrix M is expressed by the equation “Q = M −1 P” with respect to the TCP position vector P in the known base coordinate system 41. Multiply by 1 from the left.

【0041】以上の方法により、ツール座標系47が定
義される。ここでは、ある瞬間のツール座標系47をタ
スク座標系として定義し、さらに、これを利用して、マ
スタスレーブ方式の動作指令に利用する。すなわち、ま
ず、空間上の任意の点P1にマニピュレータ40のTC
Pがある場合において、そのツール座標系47をタスク
座標系として定義する。それ以後、マニピュレータ40
が動作し、ツール座標系が、図8中、P2に示される座
標系(x´:y´:z´)に移っても、P1におけるツ
ール座標系47はタスク座標系として記憶されている。
The tool coordinate system 47 is defined by the above method. Here, the tool coordinate system 47 at a certain moment is defined as a task coordinate system, and this is further used for the operation command of the master-slave system. That is, first, TC of the manipulator 40 is set to an arbitrary point P1 in the space.
When there is P, the tool coordinate system 47 is defined as the task coordinate system. After that, the manipulator 40
8 operates and the tool coordinate system moves to the coordinate system (x ′: y ′: z ′) shown by P2 in FIG. 8, the tool coordinate system 47 in P1 is stored as the task coordinate system.

【0042】次に、前者の後者に対する座標変換マトリ
ックスKを求める。図8では、スレーブマニピュレータ
の座標変換マトリックスKを『Ks』、マスタマニピュ
レータの座標変更マトリックスKをKmとすると、Ks
がKmに一致するようにスレーブマニピュレータを動作
されることにより、それぞれのマニピュレータにおい
て、タスク座標系を定義した時点からの現在位置までの
相対的な位置関係を対応させることができる。
Next, the coordinate transformation matrix K for the former and the latter is obtained. In FIG. 8, if the coordinate conversion matrix K of the slave manipulator is “Ks” and the coordinate change matrix K of the master manipulator is Km, then Ks
By operating the slave manipulators so as to match Km, it is possible to make each manipulator correspond to the relative positional relationship from the time when the task coordinate system is defined to the current position.

【0043】これには、次の効果がある。つまり、マス
タスレーブ方式により手術用マニピュレータを遠隔的操
作する場合に、両者の位置関係が常に一致することは難
しい。例えば両者の電源がオフの状態で、機械的に両者
の位置関係がズレてしまう場合がある。特に、マスタマ
ニピュレータの関節にアクチュエータがなく、エンコー
ダのみ設けて、いわゆるユニラテラル方式のマスタスレ
ーブ方式により遠隔操作する場合には、重力や操作者の
力によりマスタマニピュレータの位置は簡単にズレてし
まう。
This has the following effects. That is, when the surgical manipulator is remotely operated by the master-slave method, it is difficult for the positional relationship between the two to always match. For example, there is a case where the positional relationship between the two is mechanically displaced when the power supplies of the both are off. In particular, when there is no actuator in the joint of the master manipulator and only the encoder is provided for remote control by a so-called unilateral master-slave system, the position of the master manipulator easily shifts due to gravity or the force of the operator.

【0044】しかし、両者の位置関係がズレた状態か
ら、マスタスレーブ方式により一致させるように動作さ
せると、予期せぬ方向へ動作する等、問題ある。一方、
図8に示す方法によると、位置がズレてもマスタスレー
ブによる動作を開始する時点で、マスタマニピュレータ
およびスレーブマニピュレータの両者のツール座標系と
タスク座標系として設定し、このタスク座標系から現在
位置のツール座標系Km,Ksを一致させるようにスレ
ーブマニピュレータを動作させることにより、前述のよ
うに予期せぬ方向へ動作することはない。 (第2の実施例)この実施例は、手術用マニピュレータ
と、その操作手段であるセンサの動作方向に対応させる
関係に座標を設定する制御システムの例である。
However, if the positional relationship between the two is shifted and the master-slave system is operated so as to make them coincide with each other, there is a problem that the operation is performed in an unexpected direction. on the other hand,
According to the method shown in FIG. 8, even if the position shifts, at the time when the operation by the master slave starts, it is set as the tool coordinate system and the task coordinate system of both the master manipulator and the slave manipulator, and the current position is set from this task coordinate system. By operating the slave manipulator so as to match the tool coordinate systems Km and Ks, the slave manipulator does not operate in an unexpected direction as described above. (Second Embodiment) This embodiment is an example of a control system that sets coordinates in a relationship that corresponds to the operation direction of a surgical manipulator and a sensor that is its operating means.

【0045】図11は、手術用マニピュレータ51と、
その操作手段である3次元位置センサ手段52とからな
るシステムの概略的な構成を示している。手術用マニピ
ュレータ51は、例えば前述した第1の実施例の場合の
スレーブマニピュレータと同様の構成からなり、手術台
の一方のサイドに設置されて、同様に使用される。ま
た、前述した第1の実施例と同様の制御装置によって制
御されるようになっている。
FIG. 11 shows an operating manipulator 51,
The schematic configuration of a system including the three-dimensional position sensor means 52 which is the operation means is shown. The surgical manipulator 51 has the same configuration as, for example, the slave manipulator in the case of the above-described first embodiment, is installed on one side of the operating table, and is similarly used. The control device is the same as that of the first embodiment described above.

【0046】一方、操作手段である3次元位置センサ手
段52は、マニピュレータを遠隔的に操作する手段とし
て用いる3次元位置センサであり、手術用マニピュレー
タ51、例えばスレーブマニピュレータの操作手段とし
て作用するものである。
On the other hand, the three-dimensional position sensor means 52, which is the operating means, is a three-dimensional position sensor used as a means for remotely operating the manipulator, and acts as an operating means for the surgical manipulator 51, for example, a slave manipulator. is there.

【0047】3次元位置センサはソースコイル53およ
びセンスコイル54からなり、これらはいずれも互いに
直交する3つの各軸を中心として巻回した3軸直交の3
つの磁界発生または受信用コイル要素を含む略立方体状
のものとして作られている。ソースコイル53の各コイ
ル要素には、図示しないドライブ回路によって時間差を
とり順次、パルス電流が印加され、これにより、図13
で示すように、ソースコイル53を含むシステム空間内
に、x,y,zの各軸方向の基準磁界を順次発生させる
発信部を構成する。また、センスコイル54は、そのソ
ースコイル53で発生する各基準磁界を検出してそれ自
身の位置と向きを検出する受信部を構成する。
The three-dimensional position sensor comprises a source coil 53 and a sense coil 54, all of which are wound around three axes which are orthogonal to each other and which are orthogonal to each other in three axes.
It is made as a substantially cubic shape containing two magnetic field generating or receiving coil elements. A pulse current is sequentially applied to each coil element of the source coil 53 with a time difference by a drive circuit (not shown).
As shown in FIG. 5, a transmitter that sequentially generates the reference magnetic fields in the x-, y-, and z-axis directions is configured in the system space including the source coil 53. Further, the sense coil 54 constitutes a receiving unit that detects each reference magnetic field generated in the source coil 53 and detects the position and orientation of itself.

【0048】この場合、ソースコイル53とセンスコイ
ル54、少なくとも、センスコイル54は、図11に示
すように手56で握り締めることができる程度の大きさ
を有する。また、身体の一部、例えば、頭部に取り付け
ることもできる程度の大きさであってもよい。なお、セ
ンスコイル54を操作者の頭部、あるいは頭部に取り付
けたHMD(Head Mounted Display)に固定し、頭の動
きによりスレーブマニピュレータを操作することも可能
である。
In this case, the source coil 53 and the sense coil 54, or at least the sense coil 54, has such a size that it can be gripped with the hand 56 as shown in FIG. The size may be such that it can be attached to a part of the body, for example, the head. The sense coil 54 can be fixed to the operator's head or an HMD (Head Mounted Display) attached to the head, and the slave manipulator can be operated by the movement of the head.

【0049】このように3次元位置センサ手段52は、
磁界を発生させる発信部としてのソースコイル53と、
このソースコイル53で発生する磁界を受信する受信部
としてのセンスコイル54とを備える。この3次元位置
センサ手段52は、図12で示すように、ソースコイル
53に対するセンスコイル54の相対的な位置と向きを
検知する相対位置検出回路58を備える。さらに、3次
元位置センサ手段52のソースコイル53とセンスコイ
ル54により検出された3次元的な相対位置情報によ
り、マニピュレータ51を遠隔的に動作させるマニピュ
レータ制御部59を備える。そして、そのソースコイル
53から得られた動作指令により、マニピュレータ51
を動作させる遠隔操作システム55の構成を示すもので
ある。
Thus, the three-dimensional position sensor means 52 is
A source coil 53 as a transmitter for generating a magnetic field,
The source coil 53 is provided with a sense coil 54 as a receiving unit that receives a magnetic field. As shown in FIG. 12, the three-dimensional position sensor means 52 includes a relative position detection circuit 58 that detects the relative position and orientation of the sense coil 54 with respect to the source coil 53. Further, a manipulator control unit 59 for remotely operating the manipulator 51 based on the three-dimensional relative position information detected by the source coil 53 and the sense coil 54 of the three-dimensional position sensor means 52 is provided. Then, the manipulator 51 is operated by the operation command obtained from the source coil 53.
2 shows a configuration of a remote control system 55 for operating the.

【0050】しかして、図13で示すように、センスコ
イル54の各磁気受信用コイル要素にはその各軸方向に
前記基準磁界により誘導電流が発生する。この誘導電流
に基づいて相対位置検出回路58が磁場のベクトルを検
出してそれを演算することにより、ソースコイル53と
センスコイル54の3次元的相対位置を求められるもの
である。
Therefore, as shown in FIG. 13, an induced current is generated in each magnetic receiving coil element of the sense coil 54 in each axial direction by the reference magnetic field. The relative position detection circuit 58 detects the vector of the magnetic field based on this induced current and calculates it to obtain the three-dimensional relative position of the source coil 53 and the sense coil 54.

【0051】求められた結果は、マニピュレータ制御部
59に伝送される。マニピュレータ制御部59は、3次
元位置センサ手段52により検出されたセンスコイル5
4の3次元的相対位置に応じて手術用マニピュレータ5
1を動作させる。
The obtained result is transmitted to the manipulator control unit 59. The manipulator control unit 59 detects the sense coil 5 detected by the three-dimensional position sensor means 52.
Manipulator 5 for surgery according to the three-dimensional relative position of 4
1 is operated.

【0052】この実施例の操作手段を前述した第1の実
施例の例に適用する場合、図14で示すようになる。す
なわち、発信部であるソースコイル53を手術台1にお
ける同じサイドにそれぞれ固定し、受信部としてのセン
スコイル54を操作者が手にもってあるいは頭に取り付
けて操作する。
When the operating means of this embodiment is applied to the above-mentioned first embodiment, it becomes as shown in FIG. That is, the source coils 53, which are transmitters, are fixed to the same side of the operating table 1, and the sense coil 54, which is a receiver, is operated by the operator holding it in his hand or by attaching it to his / her head.

【0053】一方のスレーブマニピュレータ3は、これ
に対応して設けた第1の3次元位置センサ手段52aの
ソースコイル53とセンスコイル54の3次元的相対位
置に対応して動作する。また、第1の3次元位置センサ
手段52aのベース座標系61とは別にタスク座標系6
2を設定する。
One slave manipulator 3 operates corresponding to the three-dimensional relative positions of the source coil 53 and the sense coil 54 of the first three-dimensional position sensor means 52a provided corresponding thereto. The task coordinate system 6 is provided separately from the base coordinate system 61 of the first three-dimensional position sensor means 52a.
Set 2.

【0054】このタスク座標系62におけるセンスコイ
ル54に設けたセンサ座標系63の3次元的位置関係を
表すベクトルPが、一方のスレーブマニピュレータ3
の、ベース座標系13に対するTCPの3次元的位置関
係を表すベクトルPに一致するようにしてスレーブマニ
ピュレータ3を動作させる。ここでのタスク座標系62
の設定は任意に変更可能であり、例えば、センスコイル
54に設けた直交座標系であるセンサ座標系63を利用
して設定する。例えば、ある瞬間におけるセンサ座標系
63をタスク座標系62として定義する。
The vector P representing the three-dimensional positional relationship of the sensor coordinate system 63 provided on the sense coil 54 in the task coordinate system 62 is one slave manipulator 3
The slave manipulator 3 is operated so as to match the vector P representing the three-dimensional positional relationship of TCP with respect to the base coordinate system 13. Task coordinate system 62 here
Can be changed arbitrarily. For example, the sensor coordinate system 63, which is an orthogonal coordinate system provided on the sense coil 54, is used for the setting. For example, the sensor coordinate system 63 at a certain moment is defined as the task coordinate system 62.

【0055】このようにタスク座標系62を所望の位置
に設定することにより、図14に示すように、スレーブ
マニピュレータ3のベース座標系13におけるTCPの
位置関係と、タスク座標系62に対するセンサ座標系6
3の位置関係が平行移動の関係となり、操作者は操作し
やすい。
By setting the task coordinate system 62 at a desired position in this manner, as shown in FIG. 14, the TCP positional relationship in the base coordinate system 13 of the slave manipulator 3 and the sensor coordinate system with respect to the task coordinate system 62 are set. 6
The positional relationship of 3 becomes a parallel movement relationship, and the operator can easily operate it.

【0056】一方、他のスレーブマニピュレータ4は、
第2の3次元位置センサ手段52bのソースコイル53
とセンスコイル54の3次元的相対位置に対応して動作
する。この第2の3次元位置センサ手段52bのベース
座標系61における、センサコイル54に設けたセンサ
座標系63の3次元的位置関係を表すベクトルQが、そ
のスレーブマニピュレータ4の任意に設定可能なタスク
座標系65に対するTCPの3次元的位置関係を表すベ
クトルqに一致するように、スレーブマニピュレータ4
を設定し、対応関係で動作させる。すなわち、タスク座
標系65は、前述した第1の実施例においての第1また
は第2の設定方法によって任意に設定可能であり、この
設定を行うことにより、図14に示すようにベクトルQ
とベクトルqが平行移動の関係となり、操作者は操作し
やすい。 (第3の実施例)前述した第2の実施例では、操作手段
としてのセンサとして磁気コイルを用いたセンサを使用
した例を示したが、本発明は他の方式のセンサでも構わ
ない。この第3の実施例では、視線を検知するセンサに
より、手術用マニピュレータの操作を行うようにした例
を示すものである。
On the other hand, the other slave manipulators 4 are
Source coil 53 of second three-dimensional position sensor means 52b
And the sense coil 54 operates corresponding to the three-dimensional relative position. In the base coordinate system 61 of the second three-dimensional position sensor means 52b, the vector Q representing the three-dimensional positional relationship of the sensor coordinate system 63 provided in the sensor coil 54 is a task that can be set arbitrarily by the slave manipulator 4. The slave manipulator 4 is made to match the vector q representing the three-dimensional positional relationship of TCP with respect to the coordinate system 65.
Set and operate in correspondence. That is, the task coordinate system 65 can be arbitrarily set by the first or second setting method in the above-described first embodiment, and by performing this setting, the vector Q as shown in FIG.
And the vector q have a relation of parallel movement, and the operator can easily operate. (Third Embodiment) In the above-described second embodiment, an example in which a sensor using a magnetic coil is used as a sensor as an operating means is shown, but the present invention may be a sensor of another system. The third embodiment shows an example in which the sensor for detecting the line of sight is used to operate the surgical manipulator.

【0057】図15において、70は経皮的に腹腔内に
挿入するマニピュレータであり、このマニピュレータ7
0の先端には、体腔内を立体観察可能とする立体視観察
手段としての立体視スコープ71が付設されている。
In FIG. 15, reference numeral 70 denotes a manipulator which is percutaneously inserted into the abdominal cavity.
At the tip of 0, a stereoscopic scope 71 as a stereoscopic observing means for stereoscopically observing the inside of the body cavity is attached.

【0058】図16および図17(a)には、前記立体
視スコープ71の撮像した左右画面の信号を処理する図
示しない制御装置が処理した信号を左右画像それぞれに
表示するHMD(Head Mounted Display)72を示して
おり、さらに、HMD72には、操作者の眼球73a,
73bの視線方向をそれぞれ検出する視線検知センサ7
4a,74bが設けられている。
16 and 17 (a), an HMD (Head Mounted Display) that displays the signals processed by a controller (not shown) that processes the signals of the left and right screens captured by the stereoscopic scope 71 on the left and right images respectively. 72, the HMD 72 further includes an operator's eyeball 73a,
Line-of-sight detection sensor 7 that detects the line-of-sight direction of 73b
4a and 74b are provided.

【0059】この視線検知センサ74a,74bは、前
述した第1の実施例の場合と同様に、制御装置(図示せ
ず)の演算処理部(図示せず)に接続される。この演算
処理部は、視線検知センサ74a,74bが検知した信
号を基に眼球73a,73bの各視線を求め、対象物の
位置を算出する対象物位置算出回路を備えて構成されて
いる。なお、前記対象物位置算出回路は、求めた対象物
の位置を基に、前記立体視スコープ71の前記可変焦点
光学系を駆動制御する、いわゆるオートフォーカス制御
も行う。
The line-of-sight detection sensors 74a and 74b are connected to an arithmetic processing unit (not shown) of a control device (not shown) as in the case of the first embodiment described above. This arithmetic processing unit is configured to include an object position calculation circuit that calculates each position of the eyeballs 73a and 73b based on the signals detected by the line-of-sight detection sensors 74a and 74b and calculates the position of the object. The object position calculation circuit also performs so-called autofocus control for driving and controlling the variable focus optical system of the stereoscopic scope 71 based on the obtained position of the object.

【0060】前記視線検知センサ74a,74bの具体
例としては、図18(a)に示すように、CCDカメラ
78で眼球73a,73bを観察するものがあり、そし
て、これは画像処理によりその眼球73a、73bの位
置と、瞳孔75a,75bの中心位置の相対関係から検
出する視線を検出する方式である。
As a specific example of the line-of-sight detection sensors 74a and 74b, as shown in FIG. 18A, a CCD camera 78 is used to observe the eyeballs 73a and 73b. This is a method of detecting the line of sight detected from the relative relationship between the positions of 73a and 73b and the central positions of the pupils 75a and 75b.

【0061】また、別の構成としては、図18(b)に
示すように、眼球73a,73bに向けて発光ダイオー
ド79から赤外光を出射し、眼球73a,73bで反射
した光をPSD(ポジション・センシング・デバイス)
80で検出することにより、視線方向を検出する方式を
採用することも考えられる。いずれの方式も、瞳孔と目
の角膜で反射した赤外光による反射像との位置関係をマ
イクロコンピュータで高速演算して眼球の回転角を求
め、どこを見ているかを算出する。
As another configuration, as shown in FIG. 18 (b), infrared light is emitted from the light emitting diode 79 toward the eyes 73a, 73b, and the light reflected by the eyes 73a, 73b is PSD ( Position sensing device)
It is also conceivable to adopt a method of detecting the line-of-sight direction by detecting at 80. In any of these methods, the positional relationship between the pupil and the reflected image of infrared light reflected by the cornea of the eye is calculated at high speed by a microcomputer to obtain the rotation angle of the eyeball and calculate where to look.

【0062】そこで、図17(b)において、前記操作
者が対象物を観察しているときに、図17(a)で示す
ように、左右の目の視線方向は対象物の虚像81上で交
わるため、各々の視線方向を視線検知センサ74a,7
4bで求めれば、対象物の虚像81の3次元的な位置が
求められる。さらに、前記HMD72と立体視スコープ
71との光学系の関係が既知であるので、HMD72に
おける対象物の虚像の3次元的な位置から、立体視スコ
ープ71に対する対象物の実像の3次元的な位置が求め
られる。
Therefore, in FIG. 17B, when the operator is observing the object, as shown in FIG. 17A, the line-of-sight directions of the left and right eyes are on the virtual image 81 of the object. In order to intersect, the respective line-of-sight directions are set to the line-of-sight detection sensors 74a,
If it is obtained in 4b, the three-dimensional position of the virtual image 81 of the object can be obtained. Furthermore, since the relationship of the optical system between the HMD 72 and the stereoscopic scope 71 is known, the three-dimensional position of the real image of the object with respect to the stereoscopic scope 71 is calculated from the three-dimensional position of the virtual image of the object in the HMD 72. Is required.

【0063】前記光学系の関係とは、例えば、HMD7
2における眼球73a,73bと表示部82a,82b
との位置関係、及び立体視スコープ71における対物光
学系71a,71bとCCD84a,84bとの位置関
係、さらに,各光学系の倍率等がある。理想的には、光
学系の関係が相似関係であれば、図17(a)(b)中
において示すθL、ψL、θR、ψRの間には、θL=
ψL、θR=ψRの関係式が成立する。
The relationship between the optical systems is, for example, HMD7.
2 eyeballs 73a and 73b and display portions 82a and 82b
And the positional relationship between the objective optical systems 71a and 71b and the CCDs 84a and 84b in the stereoscopic scope 71, and the magnification of each optical system. Ideally, if the relationships of the optical systems are similar, θL = φL, θR, φR shown in FIGS. 17A and 17B, θL =
The relational expression of ψL, θR = ψR holds.

【0064】しかし、相似関係でなくても、前記光学系
の関係が既知であるので、容易に実像の3次元的位置を
求めることができる。なお、ψL、ψRは対物光学系7
1a,71bが対象物の虚像81に合焦した場合に、対
物光学系71a,71b、及びCCD84a,84bの
光軸に対する偏角である。また、θL、ψLは、図18
(a)(b)で示すように、左右の眼球73a,73b
の瞳孔75a,75bの中心軸A、B、つまり、左右の
視線の方向と、表示部82a,82bとのなす角度であ
る。
However, even if the relationship is not similar, the relationship between the optical systems is known, so that the three-dimensional position of the real image can be easily obtained. Note that ψL and ψR are the objective optical system 7
1a and 71b are deviation angles with respect to the optical axes of the objective optical systems 71a and 71b and the CCDs 84a and 84b when the virtual image 81 of the object is focused. Further, θL and ψL are shown in FIG.
As shown in (a) and (b), left and right eyeballs 73a, 73b
The central axes A and B of the pupils 75a and 75b, that is, the directions of the left and right lines of sight, and the angles formed by the display portions 82a and 82b.

【0065】この図17および図18では、その説明を
容易にするため、平面における問題として扱っている
が、立体空間においても同様の原理で観察対象の位置が
検出できる。
In FIG. 17 and FIG. 18, the problem of the plane is dealt with in order to facilitate the explanation, but the position of the observation target can be detected by the same principle in the three-dimensional space.

【0066】視線検出センサ74a,74bにより求め
た対象物の虚像81の座標の3次元的位置に立体視スコ
ープ71が向けられるように、手術用マニピュレータ7
0を動作させるためにHMD72の観察像の中心点及び
立体スコープ71の先端にそれぞれアイ座標系85、ス
コープ座標系86を設ける。アイ座標系85における虚
像の観察位置Pが、スコープ座標系86における実像の
観察位置pに、常に一致するように座標系を設定し、マ
ニピュレータ70を動作させる。座標系の設定変更は使
用環境に応じて前述した実施例のような方法によって行
うことができる。これにより、視線が向けられた観察対
象の観察像を画面の中央に移動させることが可能であ
る。
The manipulator 7 for surgery is used so that the stereoscopic scope 71 is directed to the three-dimensional position of the coordinates of the virtual image 81 of the object obtained by the line-of-sight detection sensors 74a, 74b.
In order to operate 0, an eye coordinate system 85 and a scope coordinate system 86 are provided at the center point of the observation image of the HMD 72 and the tip of the stereoscopic scope 71, respectively. The coordinate system is set so that the observation position P of the virtual image in the eye coordinate system 85 always coincides with the observation position p of the real image in the scope coordinate system 86, and the manipulator 70 is operated. The setting of the coordinate system can be changed by the method as in the above-mentioned embodiment according to the use environment. As a result, it is possible to move the observation image of the observation target whose sight line is directed to the center of the screen.

【0067】なお、図15中、87は経皮的内視鏡下手
術において使用される各種の処置具である。マニピュレ
ータ70やこの処置具87は経皮的に腹腔88内に挿入
される。 (第4の実施例)この実施例はマニピュレータの操作手
段として音声を使用した場合の例であり、これを図19
を参照して説明する。
In FIG. 15, reference numeral 87 denotes various treatment tools used in percutaneous endoscopic surgery. The manipulator 70 and the treatment tool 87 are percutaneously inserted into the abdominal cavity 88. (Fourth Embodiment) This embodiment is an example of the case where a voice is used as the manipulator operation means.
Will be described with reference to.

【0068】すなわち、音声入力手段90と、音声認識
装置91と、2つのスレーブマニピュレータ3,4、及
びマニピュレータ制御装置(図示せず)を備えて構成さ
れる。操作者92は、そのスレーブマニピュレータ3,
4の操作者側から見た状態での動作方向を示す「前へ」
「後へ」「上へ」「下へ」「右へ」「左へ」等の言葉
を、マイクロホン等の音声入力手段90に向けて発声す
ると、音声認識装置91がその言葉の意味を解読し、マ
ニピュレータ制御装置への指令データを生成する。
That is, the voice input means 90, the voice recognition device 91, the two slave manipulators 3 and 4, and the manipulator control device (not shown) are provided. The operator 92 operates the slave manipulator 3,
"Forward" indicating the direction of movement when viewed from the operator side of 4
When a word such as "back", "up", "down", "right" or "left" is uttered toward the voice input means 90 such as a microphone, the voice recognition device 91 decodes the meaning of the word. , Generates command data for the manipulator control device.

【0069】スレーブマニピュレータ3,4には手術台
1に固定されており、その基部(基台)7,8に固定し
た上下、左右、前後を示すベース座標系93がそれぞれ
設定されている。これらのベース座標系93は、マニピ
ュレータ制御装置にて、操作者から見た方向と一致する
ように、その座標設定の変更が可能であり、これは前述
したような方法で行うことができる。
The slave manipulators 3 and 4 are fixed to the operating table 1 and have base coordinate systems 93 fixed to the bases (bases) 7 and 8 thereof showing up, down, left and right, and front and back, respectively. The coordinates of these base coordinate systems 93 can be changed by the manipulator control device so as to match the direction viewed from the operator, and this can be performed by the method described above.

【0070】このようにベース座標系を任意の方向に変
更可能である。ここで、例えば、操作者92側に設置さ
れる一方のスレーブマニピュレータ3においては操作者
92から見た方向と、あらかじめ設定されたベース座標
系93の方向とは通常一致しているため、そのベース座
標系93の変更は不要である。しかし、反対側に設置さ
れた他方のスレーブマニピュレータ4は、前記スレーブ
マニピュレータ3とは逆向きに取り付けられるから、操
作者92から見た方向と、あらかじめ設定されたスレー
ブマニピュレータ4のベース座標系93の方向が一致せ
ず、逆向きになる。このため、操作者92の発声の意味
に一致しない。
In this way, the base coordinate system can be changed in any direction. Here, for example, in one slave manipulator 3 installed on the operator 92 side, the direction viewed from the operator 92 and the direction of the preset base coordinate system 93 are usually coincident with each other. There is no need to change the coordinate system 93. However, since the other slave manipulator 4 installed on the opposite side is attached in the opposite direction to the slave manipulator 3, the direction viewed from the operator 92 and the preset base coordinate system 93 of the slave manipulator 4 are set. The directions do not match, and they are in the opposite direction. Therefore, it does not match the meaning of the utterance of the operator 92.

【0071】そこで、他方のスレーブマニピュレータ4
についてのタスク座標系を変換し、ベース座標系93の
破線で示した方向に変更することにより、操作者92の
発声の意味に一致させるのである。これにより、そのス
レーブマニピュレータ4の操作がきわめて容易になる。
Therefore, the other slave manipulator 4
By converting the task coordinate system of the above and changing to the direction shown by the broken line of the base coordinate system 93, the meaning of the utterance of the operator 92 is made to match. This makes the operation of the slave manipulator 4 extremely easy.

【0072】なお、この第4の実施例では、音声入力に
よりマニピュレータ3,4のベース座標系93に設定さ
れた方向に従って、スレーブマニピュレータ3,4を動
作させた例を示したが、その音声入力の代わりに、図2
0に示すように、上下、前後、左右のスイッチボタン9
4を有する操作盤95を利用したり、図21で示すよう
に、ジョイスティック96を有する操作盤97を使用し
たものでも構わないものである。 (第5の実施例)図22および図23を参照して、この
第5の実施例を説明する。図22(a)で示すように、
マニピュレータ100は、体腔内に挿入する挿入部10
1の先端に、体腔内を観察するための観察手段102を
設けている。この観察手段102には、例えば、図23
(a)でに示すような、立体観察可能とする立体視スコ
ープ103あるいは、同図(b)に示すような超音波ト
ランスデューサ104を内蔵する超音波プローブ105
等が利用できる。
In the fourth embodiment, an example in which the slave manipulators 3 and 4 are operated in accordance with the direction set in the base coordinate system 93 of the manipulators 3 and 4 by voice input is shown. 2 instead of
0, up / down, front / rear, left / right switch buttons 9
It is also possible to use the operation panel 95 having the No. 4 or to use the operation panel 97 having the joystick 96 as shown in FIG. (Fifth Embodiment) The fifth embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 22 (a),
The manipulator 100 has an insertion section 10 to be inserted into a body cavity.
An observation means 102 for observing the inside of the body cavity is provided at the tip of 1. This observing means 102 includes, for example, FIG.
A stereoscopic scope 103 capable of stereoscopic observation as shown in (a) or an ultrasonic probe 105 having an ultrasonic transducer 104 as shown in FIG.
Etc. are available.

【0073】一方、マニピュレータ100の操作手段と
してのジョイスティック106、前記観察手段102か
ら得られた観察像を表示するための、TVモニタなどか
らなる表示手段107がある。観察手段102の先端に
は、これの先端に固定されたツール座標系108を設
け、これは、制御装置の制御手段によって、ジョイステ
ィック106の操作方向X,Y,Zに対応し動作する。
制御手段に設定される前記ツール座標系108は、例え
ば前述した実施例のような方式によって、その座標設定
の変換手段により設定・変更できるようになっている。
On the other hand, there are a joystick 106 as an operating means of the manipulator 100 and a display means 107 such as a TV monitor for displaying an observation image obtained from the observation means 102. At the tip of the observing means 102, a tool coordinate system 108 fixed to the tip of the observing means 102 is provided, and this is operated by the control means of the control device in accordance with the operating directions X, Y, Z of the joystick 106.
The tool coordinate system 108 set in the control means can be set / changed by the coordinate setting conversion means, for example, by the method of the above-described embodiment.

【0074】そこで、表示手段107の上下、左右、前
後方向の座標109と、ジョイスティック106の操作
方向X,Y,Zとを、前述した座標変換方式により設定
し直して、互いに対応させることにより、画面に対して
所望の方向を見たいときに、ジョイスティック106の
操作方向が直ちにわかり、その操作性を良くする。 (第6の実施例)図24および図25を参照してこの第
6の実施例を説明する。図24は磁気コイルによる操作
手段を示しており、図25はマニピュレータを示してい
る。この実施例でのマニピュレータ110は、前記第5
の実施例と同様、体腔内に挿入する挿入部111の先端
に体腔内を観察するための観察手段112を設けてい
る。この観察手段112には、例えば、前述した図23
(a)でに示すような、立体観察可能とする立体視スコ
ープ103、あるいは図23(b)に示すような超音波
トランスデューサ104を内蔵する超音波プローブ10
5などが利用できる。
Therefore, the coordinates 109 in the up-down, left-right, and front-back directions of the display means 107 and the operation directions X, Y, Z of the joystick 106 are reset by the above-mentioned coordinate conversion method and correspond to each other. When the user wants to see a desired direction on the screen, the operation direction of the joystick 106 is immediately known, and the operability is improved. (Sixth Embodiment) The sixth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 24 shows an operating means using a magnetic coil, and FIG. 25 shows a manipulator. The manipulator 110 in this embodiment is the same as the fifth manipulator.
Similar to the embodiment described above, the observation means 112 for observing the inside of the body cavity is provided at the tip of the insertion portion 111 to be inserted into the body cavity. This observing means 112 has, for example, the above-mentioned FIG.
The stereoscopic scope 103 for stereoscopic observation as shown in (a) or the ultrasonic probe 10 having the ultrasonic transducer 104 as shown in FIG.
5 etc. can be used.

【0075】また、図24で示すように、体腔内を観察
するための観察手段112から得られた観察像を表示す
る手段としてHMD115があり、これを操作者116
が頭に装着する。このHMD115には、前述した第2
の実施例で説明したようなセンスコイル117を取り付
け、このセンスコイル117の、ソースコイル118に
対する3次元的位置関係より、操作者116の頭部の3
次元的位置を検出するように構成されている。この検出
手段で求められた操作者116の頭部の動きに対応し
て、マニピュレータ110を追従した動きの動作を行わ
せるようになっている。また、前述した実施例と同様、
その一方の座標系に対する他方の座標系の設定は変更が
可能なようになっており、使用環境に応じて互いに一致
するように設定を変更することが可能である。
Further, as shown in FIG. 24, there is an HMD 115 as a means for displaying an observation image obtained from the observation means 112 for observing the inside of the body cavity, and the HMD 115 is used by the operator 116.
Wear on the head. This HMD115 has the above-mentioned second
Of the head of the operator 116 from the three-dimensional positional relationship of the sense coil 117 with respect to the source coil 118.
It is configured to detect a dimensional position. The manipulator 110 is made to follow the movement of the head of the operator 116 obtained by the detection means. Also, similar to the above-mentioned embodiment,
The setting of the other coordinate system with respect to the one coordinate system can be changed, and the setting can be changed so as to match each other according to the use environment.

【0076】マニピュレータ110における観察手段1
12の先端には、固定されたツール座標系119が設定
してある。また、センスコイル117およびソースコイ
ル118にはそれぞれセンサ座標系121,122が設
定してあり、この両者の3次元的位置関係は、そのセン
サ座標系121からセンサ座標系122への座標変換マ
トリックスMとして計算される。
Observation means 1 in manipulator 110
A fixed tool coordinate system 119 is set at the tip of 12. Further, sensor coordinate systems 121 and 122 are set in the sense coil 117 and the source coil 118, respectively, and the three-dimensional positional relationship between them is a coordinate conversion matrix M from the sensor coordinate system 121 to the sensor coordinate system 122. Calculated as

【0077】ところで、マニピュレータは、操作者11
6の頭の動きに常に対応して動作すると、かえって不都
合な場合がある。例えば、HMD115を着脱する場合
や、マニピュレータ110を静止させておきたい場合が
それである。
By the way, the manipulator is operated by the operator 11
It may be inconvenient if it always operates in response to the movement of the head of No. 6. For example, this is the case when the HMD 115 is attached or detached, or when it is desired to keep the manipulator 110 stationary.

【0078】こうした場合に対応して、センサ手段から
得られた3次元的な頭の位置にマニピュレータ110が
追従する条件を無効/有効に切り替えることが可能とす
るスイッチ等の切替え手段を設ける。
Corresponding to such a case, a switching means such as a switch for enabling / disabling the condition for the manipulator 110 to follow the three-dimensional head position obtained from the sensor means is provided.

【0079】この条件を有効とした場合に、有効とした
瞬間のHMD115のセンサ座標系121から頭が動い
た後の現在のセンサ座標系121′への座標変換マトリ
ックスPが、同様に有効とした瞬間の観察手段112の
ツール座標系119から移動後のツール座標系119′
への座標変換マトリックスQに一致するように、マニピ
ュレータ110を動作させる。これによると、無効/有
効の切替え時にHMD115の移動方向と、頭の動きの
方向に矛盾が生じない。 (第7の実施例)図26で示す第7の実施例はその手術
用マニピュレータ110が前述した第6の実施例で説明
したものと同じ構成であり、また、体腔内を観察するた
めの観察手段112から得られた観察像を表示する手段
としてのHMD115が同じく設けられている。
When this condition is validated, the coordinate transformation matrix P from the sensor coordinate system 121 of the HMD 115 at the moment of validation to the current sensor coordinate system 121 'after the head moves is similarly validated. The tool coordinate system 119 ′ after movement from the tool coordinate system 119 of the observing means 112 at the moment
The manipulator 110 is operated so as to match the coordinate transformation matrix Q to. According to this, there is no contradiction between the moving direction of the HMD 115 and the moving direction of the head when switching between invalid / effective. (Seventh Embodiment) A seventh embodiment shown in FIG. 26 has the same construction as that of the surgical manipulator 110 described in the sixth embodiment, and the observation for observing the inside of the body cavity. The HMD 115 as a means for displaying the observation image obtained from the means 112 is also provided.

【0080】操作者116の頭に装着するHMD115
は複数のアーム126を連節したマニピュレータ127
に搭載されており、マニピュレータ127の各関節に設
けたエンコーダ128の関節角度により、そのHMD1
15の3次元的位置が求められる。この位置に応じて手
術用マニピュレータ110を対応した動作を行わせるよ
うになっている。
HMD 115 worn on the operator's 116 head
Is a manipulator 127 that articulates a plurality of arms 126.
The HMD1 is mounted on the HMD1 according to the joint angle of the encoder 128 provided on each joint of the manipulator 127.
Fifteen three-dimensional positions are obtained. The operation manipulator 110 is adapted to perform a corresponding operation according to this position.

【0081】観察手段112の先端にはこれに固定され
たツール座標系119がある。HMD115には、これ
に固定されたセンサ座標系121がある。ところで、マ
ニピュレータは、操作者116の頭の動きに常に対応し
て動作すると、かえって不都合な場合がある。例えば、
HMD115を着脱する場合や、マニピュレータ110
を静止させておきたい場合がそれである。
At the tip of the observation means 112, there is a tool coordinate system 119 fixed to it. The HMD 115 has a sensor coordinate system 121 fixed to it. By the way, if the manipulator always operates in response to the movement of the head of the operator 116, it may be rather inconvenient. For example,
When attaching and detaching the HMD 115, the manipulator 110
That is the case when you want to keep still.

【0082】こうした場合に対応して、センサ手段から
得られた3次元的な頭の位置にマニピュレータ110が
追従する条件を無効/有効に切り替えることが可能とす
る手段を設ける。
Corresponding to such a case, means for enabling / disabling the condition that the manipulator 110 follows the three-dimensional head position obtained from the sensor means is provided.

【0083】この条件を有効とした場合に、有効とした
瞬間のHMD115のセンサ座標系121から頭が動い
た後の現在のセンサ座標系121′への座標変換マトリ
ックスPが同様に有効とした瞬間の観察手段112のツ
ール座標系119から移動後のツール座標系119′へ
の座標変換マトリックスQに一致するように、マニピュ
レータ110を動作させる。これによると、無効/有効
の切替え時にHMD115の移動方向と、頭の動きの方
向に矛盾が生じない。 (第8の実施例)図27および図28を参照して、この
第8の実施例を説明する。この実施例は、モニターを見
ながらの処置用マニピュレータの操作性を高める観察手
段を提供するものである。図27中、130は体腔内に
誘導されて使用される処置用マニピュレータを示してお
り、このマニピュレータ130の先端にはツール座標系
131が設定されている。ツール座標系131のX軸
が、マニピュレータ130の長軸に一致させるように、
その使用環境に応じてツール座標系131を設定する。
When this condition is validated, the moment when the coordinate transformation matrix P from the sensor coordinate system 121 of the HMD 115 to the current sensor coordinate system 121 'after the head moves is also valid The manipulator 110 is operated so as to match the coordinate conversion matrix Q from the tool coordinate system 119 of the observation means 112 to the tool coordinate system 119 ′ after the movement. According to this, there is no contradiction between the moving direction of the HMD 115 and the moving direction of the head when switching between invalid / effective. (Eighth Embodiment) The eighth embodiment will be described with reference to FIGS. 27 and 28. This embodiment provides an observation means for enhancing the operability of the treatment manipulator while looking at the monitor. In FIG. 27, reference numeral 130 denotes a treatment manipulator that is used by being guided into the body cavity, and a tool coordinate system 131 is set at the tip of this manipulator 130. Make the X axis of the tool coordinate system 131 coincide with the long axis of the manipulator 130.
The tool coordinate system 131 is set according to the usage environment.

【0084】また、同図中133は観察用マニピュレー
タであり、この観察用マニピュレータ133の先端に設
けた観察手段134により処置用マニピュレータ130
を観察し、また、その表示手段であるTVモニター13
5の画面内に前記ツール座標系131をスーパインポー
ズさせる。
Further, reference numeral 133 in the figure is an observation manipulator, and the treatment manipulator 130 is provided by an observation means 134 provided at the tip of the observation manipulator 133.
And the TV monitor 13 which is the display means.
The tool coordinate system 131 is superimposed on the screen of FIG.

【0085】処置用マニピュレータ130の操作手段に
は、ツール座標系131の座標軸に対応して移動させる
機能を設ける。これによりTVモニター135の画面内
に表示される前記ツール座標系131を見ながらの種々
の操作手段によりそれの操作を容易に行うことができ
る。 (第9の実施例)図29を参照してこの第9の実施例を
説明する。この実施例は例えば前述した第1の実施例に
おいて示したように、スレーブマニピュレータ3,4
と、マスタマニピュレータ16,17とをそれぞれ2台
ずつ設けたマニピュレータシステムに係るが、特に、そ
のスレーブマニピュレータ3,4についてのタスク座標
系を共有し、これを共有座標系141とする。また、マ
スタマニピュレータ16,17についてのタスク座標系
も共有し、これを共有座標系142とする。もちろん、
共有座標系141,142は座標設定が変更可能なもの
である。
The operation means of the treatment manipulator 130 is provided with a function of moving it corresponding to the coordinate axes of the tool coordinate system 131. Thus, it is possible to easily operate the tool coordinate system 131 displayed on the screen of the TV monitor 135 by various operation means. (Ninth Embodiment) The ninth embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, for example, as shown in the above-mentioned first embodiment, the slave manipulators 3, 4 are used.
And the manipulator system in which two master manipulators 16 and 17 are provided, in particular, the task coordinate system for the slave manipulators 3 and 4 is shared, and this is referred to as a shared coordinate system 141. The task coordinate system for the master manipulators 16 and 17 is also shared, and this is referred to as a shared coordinate system 142. of course,
The shared coordinate systems 141 and 142 can change coordinate settings.

【0086】そして、各々、共有座標系141,142
における位置関係が対応するよう、マスタマニピュレー
タ16,17の操作によってスレーブマニピュレータ
3,4に対応した動作を行わせるように、その各座標系
を設定させている。その他の点では前述した第1の実施
例の説明の通りである。
Then, the shared coordinate systems 141 and 142, respectively.
The respective coordinate systems are set so that the slave manipulators 3 and 4 can be operated by the operation of the master manipulators 16 and 17 so that the positional relationship in FIG. The other points are as described in the first embodiment.

【0087】このように共有座標系141,142を共
有するから、それぞれ共有する座標系で、マスタマニピ
ュレータ16,17の動きに追従して、スレーブマニピ
ュレータ3,4を操作できる。したがって、2台のマニ
ピュレータシステムで協調作業を行うときの操作が容易
である。なお、対のマニピュレータは2組に限らず、そ
れを越えて設けてもよい。 (第10の実施例)図30に基づいて、第10の実施例
を説明する。このマニピュレータシステムにおいて、ス
レーブマニピュレータ151は、その先端を体内に挿入
する挿入部152を有した器具153と、この器具15
3を支持するための直動及び回転の自由度を有する複数
の軸を有するロボット154とからなる。挿入部152
の先端部には、3次元(立体)スコープ155と、一対
の処置具156,157を備えている。挿入部152の
先端部および一対の処置具156,157は、それぞれ
多自由度にて湾曲動作可能となっている。また、このス
レーブマニピュレータ151は、直動及び回転の自由度
を有する。
Since the shared coordinate systems 141 and 142 are shared in this way, the slave manipulators 3 and 4 can be operated by following the movements of the master manipulators 16 and 17 in the shared coordinate systems. Therefore, it is easy to perform an operation when performing cooperative work with two manipulator systems. The pair of manipulators is not limited to two sets, and may be provided beyond that. (Tenth Embodiment) The tenth embodiment will be described with reference to FIG. In this manipulator system, the slave manipulator 151 has an instrument 153 having an insertion portion 152 for inserting its tip into the body, and the instrument 15
3, a robot 154 having a plurality of axes having linear and rotational degrees of freedom for supporting 3. Insertion part 152
The distal end portion of is equipped with a three-dimensional (three-dimensional) scope 155 and a pair of treatment tools 156 and 157. The distal end portion of the insertion portion 152 and the pair of treatment tools 156 and 157 are each capable of bending with multiple degrees of freedom. Further, the slave manipulator 151 has a degree of freedom of linear movement and rotation.

【0088】一方、操作手段としては、多関節構造を有
するマスタマニピュレータ161があり、そのマスタマ
ニピュレータ161の先端には、HMD162と、一対
の処置具操作用操作アーム163,164とが設けられ
ている。処置具操作用操作アーム163,164の一方
と他方は前述した一対の処置具156,157の一方と
他方にそれぞれ個別的に対応して、そのマスタとスレー
ブとしての個別的に対応した動きをするように制御され
るように座標系が設定されている。
On the other hand, as the operating means, there is a master manipulator 161 having a multi-joint structure, and an HMD 162 and a pair of operation tool operating arms 163, 164 are provided at the tip of the master manipulator 161. . One and the other of the operation arms 163, 164 for operating the treatment tool individually correspond to one and the other of the pair of treatment tools 156, 157 described above, respectively, and perform a corresponding movement as a master and a slave thereof. Coordinate system is set so as to be controlled as follows.

【0089】すなわち、図30に示すように各々の位置
には座標系が設けられている。つまり、マスタマニピュ
レータ161のツール座標系165についての動作が、
スレーブマニピュレータ151の挿入部152の座標系
166に対応し、さらに、ツール座標系165に対する
HMD162のセンサ座標系167が、挿入部152の
座標系166に対するスコープ座標系170に対応する
よう、スレーブマニピュレータ151が動作する。ツー
ル座標系165に対する、操作アーム163,164の
操作部座標系168,169がそれぞれ挿入部座標系1
66に対する処置部座標系171,172に対応するよ
うに設定されている。
That is, as shown in FIG. 30, a coordinate system is provided at each position. That is, the operation of the tool coordinate system 165 of the master manipulator 161 is
The slave manipulator 151 corresponds to the coordinate system 166 of the insertion unit 152 of the slave manipulator 151, and further, the sensor coordinate system 167 of the HMD 162 for the tool coordinate system 165 corresponds to the scope coordinate system 170 for the coordinate system 166 of the insertion unit 152. Works. The operation unit coordinate systems 168 and 169 of the operation arms 163 and 164 with respect to the tool coordinate system 165 are the insertion unit coordinate system 1 respectively.
It is set so as to correspond to the treatment section coordinate systems 171 and 172 for 66.

【0090】したがって、複数の処置具と、観察手段を
独立して制御する場合においても、その動作方向の矛盾
なく操作が可能である。 (第11の実施例)この実施例は前述した第1の実施例
の変形例を示すものであり、これを図31に示す。すな
わち、この実施例は、内視鏡および処置具を搭載した複
数の手術用マニュピレータたる第1のスレーブマニピュ
レータ3と第2のスレーブマニピュレータ4を設け、こ
れを遠隔的に操作手段によって遠隔的に操作を行う。ま
た、複数のスレーブマニピュレータ3と第2のスレーブ
マニピュレータ4は手術台1のサイドに固定されるが、
そのベットサイドのスペースの都合により、左右に分け
てその手術台1の両側に設置されている。
Therefore, even when the plurality of treatment tools and the observation means are independently controlled, the operation can be performed without any contradiction in their operation directions. (Eleventh Embodiment) This embodiment shows a modification of the first embodiment described above and is shown in FIG. That is, in this embodiment, a first slave manipulator 3 and a second slave manipulator 4, which are a plurality of surgical manipulators equipped with an endoscope and a treatment tool, are provided, and these are remotely operated by operating means. I do. Further, the plurality of slave manipulators 3 and the second slave manipulator 4 are fixed to the side of the operating table 1,
Due to the space on the bed side, the bed is divided into left and right and installed on both sides of the operating table 1.

【0091】一方、操作手段としては、前記スレーブマ
ニピュレータ3,4にそれぞれ個別的に対応するマスタ
マニピュレータ16,17が設けられるが、この複数の
マスタマニピュレータ16,17を1人の操作者で操作
する関係で、その操作者のいる同じ側において手術台1
の一方のサイドに固定的に設置している。つまり、スレ
ーブマニピュレータ3,4とこれに個別的に対応するマ
スタマニピュレータ16,17の各組には、同じサイド
に設置できなくなる組が生じる。この実施例ではスレー
ブマニピュレータ4とこれに対応するマスタマニピュレ
ータ17がその関係にある。
On the other hand, as manipulating means, master manipulators 16 and 17 respectively corresponding to the slave manipulators 3 and 4 are provided, and a plurality of master manipulators 16 and 17 are operated by one operator. In relation, the operating table 1 on the same side where the operator is
It is fixedly installed on one side. In other words, the slave manipulators 3 and 4 and the master manipulators 16 and 17 that individually correspond to the slave manipulators 3 and 4 include sets that cannot be installed on the same side. In this embodiment, the slave manipulator 4 and the corresponding master manipulator 17 are in that relationship.

【0092】そして、このスレーブマニピュレータ4と
マスタマニピュレータ17の組の場合には、両者のベー
ス座標系は、最初、一致せず、そのベース座標系を基に
位置の対応を行わせると、操作者が意図しない方向にス
レーブマニピュレータ4が動いてしまう問題がある。こ
のことは前述した通りである。
In the case of the set of the slave manipulator 4 and the master manipulator 17, the base coordinate systems of the two do not initially match, and if the positions are matched based on the base coordinate system, the operator However, there is a problem that the slave manipulator 4 moves in an unintended direction. This is as described above.

【0093】この対策として、この実施例では、そのス
レーブマニピュレータ3,4とマスタマニピュレータ1
6,17の各タスク座標系を設定するにあたり、その複
数のスレーブマニピュレータ3,4のタスク座標系17
3を共有化し、また、マスタマニピュレータ16,17
のタスク座標系174も共有化するものとする。このよ
うにタスク座標系をそれぞれ共有化することにより、複
数のマニピュレータを設けるシステムにおいても、それ
らの間の位置関係の対応がとれ、操作性の改善が図れ
る。
As a countermeasure against this, in this embodiment, the slave manipulators 3 and 4 and the master manipulator 1 are used.
When setting the task coordinate systems of 6 and 17, the task coordinate system 17 of the plurality of slave manipulators 3 and 4 is set.
3 are shared, and the master manipulators 16 and 17 are also shared.
The task coordinate system 174 of 1 is also shared. By thus sharing the task coordinate systems, even in a system having a plurality of manipulators, the positional relationship between them can be taken and the operability can be improved.

【0094】このように、スレーブマニピュレータ3,
4は患者およびベットとのレイアウトから設置され、ベ
ース座標系の整合がとれないことが多く、また、マスタ
マニピュレータ16,17は操作者の操作上の都合によ
り設置する位置が決められることがある。このため、そ
れらのタスク座標系の対応が一致しないことがあるが、
この実施例では、共有化したタスク座標系173,17
4としてそれぞれ設定し直して、その座標系を一致させ
ることで、その問題を解決できるのである。
Thus, the slave manipulators 3,
4 is installed from the layout of the patient and the bed, the base coordinate system often cannot be matched, and the master manipulators 16 and 17 may be installed at positions determined by the operator's convenience. Therefore, the correspondence of those task coordinate systems may not match,
In this embodiment, the shared task coordinate systems 173 and 17 are used.
The problem can be solved by resetting each as 4, and matching the coordinate systems.

【0095】なお、複数のスレーブマニピュレータの数
に応じて操作手段も同じ数を設ける場合に限らず、操作
手段、例えば、あるマスタマニピュレータを複数のスレ
ーブマニピュレータに共用するようにしてもよい。例え
ばこの第11の実施例では例えばマスタマニピュレータ
16のみとし、図示しない切替え手段を設けて使用する
に有効なスレーブマニピュレータ3,4を選択するよう
にしてもよい。 (第12の実施例)図32で示すように、この実施例
は、例えば前述した第1の実施例の場合のように経皮的
手術で行う場合において、複数の処置用スレーブマニピ
ュレータ181,182を設け、この術野を経皮的に挿
入した内視鏡183で観察するようにしたものである。
複数の処置用スレーブマニピュレータ181,182、
およびこれのための操作手段については例えば前述した
第1の実施例と同じである。 (追記) (1) 術者が操作できる領域内に設置された操作手段
と、術野にアクセスするように設置され前記操作手段の
操作に追従した動きを行うマニピュレータと、固有の座
標系を基準として前記操作手段の操作位置及び/又はオ
リエンテーションを決定する第1の制御手段と、固有の
座標系を基準として前記第1の制御手段からの情報によ
り、前記マニピュレータの位置及び/又はオリエンテー
ションを決定して前記マニピュレータを動かす第2の制
御手段と、前記操作手段の固有の座標系及び前記マニピ
ュレータの固有の座標系の少なくとも一方の座標系の設
定を変換して前記操作手段とマニピュレータの位置及び
/又はオリエンテーションの対応をとる座標系の変換手
段とを具備したことを特徴とする手術用マニピュレータ
システム。
The number of operating means is not limited to the same number depending on the number of slave manipulators, and the operating means, for example, a master manipulator may be shared by a plurality of slave manipulators. For example, in the eleventh embodiment, for example, only the master manipulator 16 may be provided, and the slave manipulators 3 and 4 effective for use may be selected by providing a switching means (not shown). (Twelfth Embodiment) As shown in FIG. 32, this embodiment has a plurality of treatment slave manipulators 181, 182 when performing percutaneous surgery as in the case of the first embodiment described above. Is provided, and the operative field is observed percutaneously with the endoscope 183.
A plurality of treatment slave manipulators 181, 182,
And the operating means therefor is the same as, for example, the first embodiment described above. (Addition) (1) An operating means installed within an area that can be operated by an operator, a manipulator installed to access the operative field and performing movement following the operation of the operating means, and a unique coordinate system as a reference As a first control means for determining the operation position and / or orientation of the operation means, and for determining the position and / or orientation of the manipulator based on information from the first control means based on a unique coordinate system. The second control means for moving the manipulator and the setting of at least one coordinate system of the unique coordinate system of the operation means and the unique coordinate system of the manipulator are converted to change the position and / or the position of the operation means and the manipulator. A manipulator system for surgery, characterized by comprising: a coordinate system converting means for supporting orientation.

【0096】(2) 術者が操作できる領域内に設置さ
れたマスタマニピュレータと、術野にアクセスするよう
に設置され前記マスタマニピュレータの操作に追従した
動きを行うスレーブマニピュレータと、固有の座標系を
基準として前記マスタマニピュレータの位置及び/又は
オリエンテーションを決定する第1の制御手段と、固有
の座標系を基準として前記第1の制御手段から情報によ
り前記スレーブマニピュレータの位置及び/又はオリエ
ンテーションを決定してそのスレーブマニピュレータを
動かす第2の制御手段と、前記マスタマニピュレータの
固有の座標系、及び前記スレーブマニピュレータの固有
の座標系の少なくとも一方の座標系の設定を変換して各
マニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションの
対応をとる座標系の変換手段とを具備したことを特徴と
する手術用マニピュレータシステム。
(2) A master manipulator installed in an area that can be operated by an operator, a slave manipulator installed to access the operative field and performing movement following the operation of the master manipulator, and a unique coordinate system First control means for determining the position and / or orientation of the master manipulator as a reference, and determining the position and / or orientation of the slave manipulator by information from the first control means based on a unique coordinate system. The position and / or orientation of each manipulator is converted by converting the setting of at least one of the second control means for moving the slave manipulator, the unique coordinate system of the master manipulator, and the unique coordinate system of the slave manipulator. Of the coordinate system that corresponds to A manipulator system for surgery, comprising: a converting means.

【0097】(3) 術者が操作できる領域内において
固有の座標系を基準として位置及び/又はオリエンテー
ションを決定する状態に操作手段を設置するとともに、
この操作手段の操作情報により、固有の座標系を基準と
して位置及び/又はオリエンテーションを決定して前記
操作手段の動きに追従した動きを行うマニピュレータを
術野にアクセス可能な位置に設置する第1のステップ
と、前記操作手段及びマニピュレータの少なくとも一方
の固有の座標系についての座標設定を変換して前記操作
手段及びマニピュレータの位置及び/又はオリエンテー
ションの対応をとる第2のステップとを具備したことを
特徴とする手術用マニピュレータシステムにおける座標
変換方法。
(3) The operating means is installed in a state where the position and / or orientation is determined with reference to a unique coordinate system within an area that can be operated by the operator.
A first manipulator for determining a position and / or orientation based on a unique coordinate system based on the operation information of the operating means and performing a movement following the movement of the operating means is installed at a position accessible to the operative field. And a second step of converting a coordinate setting for a unique coordinate system of at least one of the operating means and the manipulator so as to correspond the position and / or orientation of the operating means and the manipulator. Transformation method for surgical manipulator system.

【0098】(4) 前記操作手段及びマニピュレータ
の位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる第2
のステップは、新たに設定したいタスク座標の原点を決
め、その定めた原点の位置に、操作手段及び/またはマ
ニピュレータの先端を合わせる第1のステップと、操作
手段及び/またはマニピュレータにおいてそのベース座
標系における原点の位置データを読み取ってこれによ
り、新たに設定しようとするタスク座標系の原点の位置
を定義する第2のステップと、新たに設定したタスク座
標系の原点から手術環境に適する任意の方向にX軸を仮
に選定する第3のステップと、この仮に選定したX軸上
で、+側の任意の第2の点の位置に、操作手段及び/ま
たはマニピュレータの先端を合わせ、その第2の点のベ
ース座標系における位置データを読み取って、前記原点
から第2の点に向かう第1のベクトルを求めることによ
り設定しようとするタスク座標系のX軸を定義する第4
のステップと、適すると想定されるXY軸の予想平面上
で、Y成分が+である任意の第3の点を決め、この第3
の点の位置に操作手段及び/またはマニピュレータの先
端を合わせ、その第3の点のベース座標系における位置
データを読み取って原点から第3の点に向かう第2のベ
クトルを求め、この第2のベクトルと前述した第1のベ
クトルからZ軸を求める第5のステップと、第1のベク
トルと第2のベクトルと第1のベクトルとからY軸を求
める第6のステップとを経て、空間上に新たなタスク座
標系のX,Y,Z軸を設定することを特徴とする前記3
に記載の手術用マニピュレータシステムにおける座標変
換方法。
(4) Second correspondence for the position and / or orientation of the operating means and the manipulator
The step of deciding the origin of the task coordinates to be newly set and aligning the tip of the operating means and / or the manipulator with the position of the determined origin, and the base coordinate system of the operating means and / or the manipulator. The second step of reading the position data of the origin of the task coordinate system to define the position of the origin of the task coordinate system to be newly set, and an arbitrary direction suitable for the surgical environment from the origin of the newly set task coordinate system. To the third step of temporarily selecting the X-axis, and on the temporarily selected X-axis, align the tip of the operating means and / or the manipulator with the position of any second point on the + side, Attempt to set by reading the position data of the point in the base coordinate system and obtaining the first vector from the origin to the second point 4 that defines the X axis of the disk coordinate system
And the third point where the Y component is + on the expected plane of the XY axes which is supposed to be suitable,
The tip of the manipulator and / or the manipulator is aligned with the position of the point, the position data of the third point in the base coordinate system is read, and the second vector from the origin to the third point is obtained. Through the fifth step of finding the Z axis from the vector and the above-mentioned first vector, and the sixth step of finding the Y axis from the first vector, the second vector, and the first vector, the space is entered. The above-mentioned 3 characterized in that X, Y, and Z axes of a new task coordinate system are set.
A coordinate transformation method in the surgical manipulator system described in [3].

【0099】(5) 前記操作手段及びマニピュレータ
の位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる第2
のステップは、新たに設定されたタスク座標系の、ベー
ス座標系に対する座標変換マトリックスを求め、前記操
作手段及びマニピュレータの位置及び/又はオリエンテ
ーションの対応をとることを特徴とする前記3に記載の
手術用マニピュレータシステムにおける座標変換方法。
(5) Second correspondence for the position and / or orientation of the operating means and the manipulator
The step of (3) is characterized in that the coordinate transformation matrix of the newly set task coordinate system with respect to the base coordinate system is obtained, and the position and / or orientation of the operating means and the manipulator are associated with each other. Transformation method in a mobile manipulator system.

【0100】(6) 前記操作手段及びマニピュレータ
の位置及び/又はオリエンテーションの対応をとる第2
のステップは、前記マニピュレータに搭載するツールに
固有な座標系としてツール座標系を求め、このツール座
標系を新たに設定したいタスク座標系に合わせて設定す
ることを特徴とする前記3に記載の手術用マニピュレー
タシステムにおける座標変換方法。
(6) Second correspondence for the position and / or orientation of the operating means and the manipulator
The step of (3) is characterized in that a tool coordinate system is obtained as a coordinate system unique to a tool mounted on the manipulator, and the tool coordinate system is set in accordance with a task coordinate system to be newly set. Transformation method in a mobile manipulator system.

【0101】(7) 前記操作手段がマスタスレーブ方
式におけるマスタマニピュレータであり、観察または処
置の少なくとも一方を行うマニピュレータがスレーブマ
ニピュレータである前記1に記載される手術用マニピュ
レータシステム。
(7) The manipulator system for surgery according to the above 1, wherein the operating means is a master manipulator in a master-slave system, and the manipulator for performing at least one of observation and treatment is a slave manipulator.

【0102】(8) 操作手段が空間の位置またはオリ
エンテーションの少なくとも一部を検出するセンサであ
り、前記センサにより操作者の身体の動きを検出するこ
とを特徴とする前記1に記載される手術用マニピュレー
タシステム。
(8) The surgical instrument according to the above 1, wherein the operating means is a sensor for detecting at least a part of the position or orientation of the space, and the movement of the operator's body is detected by the sensor. Manipulator system.

【0103】(9) 前記操作手段が音声入力装置であ
り、音声で指令した方向に動作することを特徴とする前
記1に記載される手術用マニピュレータシステム。 (10) 前記操作手段がスイッチであり、スイッチに
より指定した方向に動作することを特徴とする前記1に
記載される手術用マニピュレータシステム。
(9) The surgical manipulator system as described in the above item 1, wherein the operating means is a voice input device and operates in a direction instructed by voice. (10) The surgical manipulator system as described in the above item 1, wherein the operating means is a switch and operates in a direction designated by the switch.

【0104】(11) 複数の操作手段を有し、その操
作手段の固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を
共有することを特徴とする前記1、2又は3に記載され
る手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。
(11) The manipulator for surgery according to the above 1, 2, or 3, which has a plurality of operating means and shares at least a plurality of coordinate systems among the unique coordinate systems of the operating means. System or coordinate transformation method.

【0105】(12) 前記操作手段がマスタスレーブ
方式におけるマスタマニピュレータであることを特徴と
する手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方
法。 (13) 複数のマニピュレータを有し、そのマニピュ
レータの固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を
共有することを特徴とする前記1、2又は3に記載され
る手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。
(12) A manipulator system for surgery or a coordinate conversion method, wherein the operating means is a master manipulator in a master-slave system. (13) The manipulator system for surgery or the coordinate conversion method according to the above 1, 2, or 3, which has a plurality of manipulators and shares at least a plurality of coordinate systems among the unique coordinate systems of the manipulators. .

【0106】(14) 操作手段とマニピュレータの各
固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を共有して
座標系を対応させることを特徴とする前記1、2又は3
に記載される手術用マニピュレータシステムまたは座標
変換方法。
(14) The above-mentioned 1, 2 or 3 characterized in that at least a plurality of coordinate systems among the peculiar coordinate systems of the operating means and the manipulator are shared to correspond to each other.
The manipulator system for surgery or the coordinate conversion method described in.

【0107】(15) 操作手段として、マスタスレー
ブ方式におけるマスタマニピュレータと、空間の位置ま
たはオリエンテーションの少なくとも一部を検出するセ
ンサを有し、マスタマニピュレータとセンサの座標系を
対応させる手段を有する前記14に記載される手術用マ
ニピュレータシステムまたは座標変換方法。
(15) A master manipulator in the master-slave system and a sensor for detecting at least a part of the position or orientation of the space as operation means, and means for associating the coordinate system of the master manipulator with the sensor. The manipulator system for surgery or the coordinate conversion method described in.

【0108】(16) 少なくとも2以上の操作手段を
共通とし、個々のマニピュレータに対応する操作手段の
切換え手段を有し、操作手段の切り換えを行って選択的
に使用することを特徴とする前記11に記載される手術
用マニピュレータシステム。
(16) At least two or more operating means are common, and a switching means for operating means corresponding to each manipulator is provided, and the operating means is switched and selectively used. The surgical manipulator system described in.

【0109】(17) 術者が操作できる領域内に設置
された操作手段と、術野にアクセスするように設置され
前記操作手段の操作に追従した動きを行う術野の観察手
段を有するマニピュレータと、前記観察手段から得られ
た画像を表示する表示手段と、前記操作手段及び前記マ
ニピュレータの位置及び/又はオリエンテーションを座
標系を基準として定める制御手段と、前記座標系の設定
を変換して前記操作手段の位置及び/又はオリエンテー
ションと前記マニピュレータの位置及び/又はオリエン
テーションの対応関係を設定する座標変換手段と、前記
マニピュレータの座標系と、このマニピュレータの有す
る観察手段から得られた画像を表示する表示手段の画面
の方向とを対応させる手段とを具備したことを特徴とす
る手術用マニピュレータシステム。
(17) A manipulator having an operating means installed in an area that can be operated by an operator and an operating field observing means installed so as to access the operating field and performing a movement following the operation of the operating means. Display means for displaying an image obtained from the observing means, control means for determining the position and / or orientation of the operating means and the manipulator with a coordinate system as a reference, and the operation for converting the setting of the coordinate system. Coordinate conversion means for setting the correspondence between the position and / or orientation of the means and the position and / or orientation of the manipulator, the coordinate system of the manipulator, and display means for displaying an image obtained from the observation means of the manipulator And a means for associating with the direction of the screen of the surgical manipulator. Data system.

【0110】(18) マニピュレータの有する観察手
段に固定された座標系を有する前記17に記載される手
術用マニピュレータシステム。 (19) 前記表示手段に空間の位置またはオリエンテ
ーションの少なくとも一部を検出するセンサを設け、表
示手段の動きに対応して、観察手段を有するマニピュレ
ータを動作させる制御手段を有する前記17に記載され
る手術用マニピュレータシステム。
(18) The manipulator system for surgery as described in 17 above, which has a coordinate system fixed to the observation means of the manipulator. (19) The above-mentioned 17, wherein the display means is provided with a sensor for detecting at least a part of the position or orientation of the space, and the control means operates the manipulator having the observation means in response to the movement of the display means. Surgical manipulator system.

【0111】(20) 前記表示手段を移動可能なアー
ムにとり付け、アームの移動部にエンコーダを設け、表
示手段の動きに対応して、観察手段を有するマニピュレ
ータを動作させる制御手段を有する前記17に記載され
る手術用マニピュレータシステム。
(20) In the above-mentioned item 17, the display means is attached to a movable arm, an encoder is provided in a moving part of the arm, and a control means for operating a manipulator having an observation means corresponding to the movement of the display means. The surgical manipulator system described.

【0112】(21) 前記マニピュレータの有する処
置手段に固定された座標系の示す方向を表示手段に表示
する画像処理手段を有する前記17に記載される手術用
マニピュレータシステム。
(21) The manipulator system for surgery according to the item 17, further comprising image processing means for displaying on the display means the direction indicated by the coordinate system fixed to the treatment means of the manipulator.

【0113】(22) 術野(作業範囲)に種々の異な
る方向からアクセスすることができるように設置された
複数のスレーブマニピュレータと、術者が操作できる領
域内に対応する前記スレーブマニピュレータとは異なる
方向からアクセスするように設置されたマスタマニピュ
レータと、前記スレーブマニピュレータとは異なる方向
からアクセスするように設置されたマスタマニピュレー
タと、前記スレーブマニピュレータと前記マスタマニピ
ュレータとの座標系を変換してそのマスタマニピュレー
タと前記スレーブマニピュレータとの位置及びオリエン
テーションの関係を決定する座標変換手段とを具備した
ことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
(22) A plurality of slave manipulators installed so as to be able to access the operative field (working range) from various different directions, and the slave manipulators corresponding to the areas operable by the operator are different. A master manipulator installed to access from a direction, a master manipulator installed to access from a direction different from the slave manipulator, and the master manipulator by converting the coordinate system of the slave manipulator and the master manipulator. And a coordinate transformation means for determining the relationship between the position and orientation of the slave manipulator and the surgical manipulator system.

【0114】(23) 前記マスタマニピュレータは前
記スレーブマニピュレータの数より少なく少なくとも一
部のマスタマニピュレータは複数のスレーブマニピュレ
ータに兼用し、その共用するマスタマニピュレータを使
用するスレーブマニピュレータに対応させる状態に切り
換える手段を具備したことを特徴とする前記22に記載
の手術用マニピュレータシステム。
(23) The master manipulator is less than the number of slave manipulators, and at least a part of the master manipulators also serves as a plurality of slave manipulators. 23. The manipulator system for surgery according to the above 22, wherein the manipulator system for surgery is provided.

【0115】(24) 追記の(2)と(17)をまと
め、(2)のスレーブマニピュレータと、(17)のス
レーブマニピュレータとの関係を決定する座標変換手段
を加えた内容として、術者が操作できる領域内に設置さ
れたマスタマニピュレータと、術野にアクセスするよう
に設置され前記操作手段の操作に追従した動きを行う術
野の観察手段を有するスレーブマニピュレータと、前記
観察手段から得られた画像を表示する表示手段と、固有
の座標系を基準として前記マスタマニピュレータの位置
及び/又はオリエンテーションをその座標系を基準とし
て定める第1の制御手段と、固有の座標系を基準として
前記第1の制御手段から情報により前記スレーブマニピ
ュレータの位置及び/又はオリエンテーションを決定し
てそのスレーブマニピュレータを動かす第2の制御手段
と、前記座標系の少なくとも一方の設定を変換して前記
マスタマニピュレータ操作手段の位置及び/又はオリエ
ンテーションと前記スレーブマニピュレータの位置及び
/又はオリエンテーションの対応関係を設定する座標変
換手段と、前記マニピュレータの座標系と、このマニピ
ュレータの有する観察手段から得られた画像を表示する
表示手段の画面の方向とを対応させる手段とを具備した
ことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
(24) Addition of (2) and (17) to be added, and as an addition of coordinate conversion means for determining the relationship between the slave manipulator of (2) and the slave manipulator of (17), A master manipulator installed in an operable area, a slave manipulator having an operation field observation means installed to access the operation field and following the operation of the operation means, and a slave manipulator obtained from the observation means. Display means for displaying an image, first control means for determining the position and / or orientation of the master manipulator with reference to its own coordinate system, and the first control means with reference to its own coordinate system. The position and / or orientation of the slave manipulator is determined by information from the control means to determine the slave manipulator. Second control means for moving the puulator, and coordinates for converting the setting of at least one of the coordinate systems to set the correspondence between the position and / or orientation of the master manipulator operating means and the position and / or orientation of the slave manipulator. An operating manipulator system comprising: a converting unit; a coordinate system of the manipulator; and a unit that associates a screen direction of a display unit that displays an image obtained from an observing unit of the manipulator.

【0116】[0116]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、手
術用マニピュレータの座標系と、操作手段の座標系との
関係に応じてその座標系の設定及び変更により、操作者
から見た手術用マニピュレータと操作手段との動作方向
を一致させることが可能となり、両者の設置の際の相対
的位置関係による操作性の制約が回避される。つまり、
手術用マニピュレータと操作手段の相対的位置関係によ
って動作方向に関する操作性が損なわれることなく、操
作者の意図するような操作を行うことができる。
As described above, according to the present invention, the surgery viewed from the operator by setting and changing the coordinate system of the surgical manipulator and the coordinate system of the operating means in accordance with the relationship between the coordinate system and the coordinate system of the operating means. It is possible to make the operating directions of the operating manipulator and the operating means coincide with each other, and the constraint of the operability due to the relative positional relationship at the time of installing them can be avoided. That is,
It is possible to perform an operation intended by the operator without impairing the operability in the operation direction due to the relative positional relationship between the surgical manipulator and the operating means.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例においてのマニピュレー
タシステムの説明図。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a manipulator system according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例のマニピュレータシステ
ムにおける制御システムの説明図。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a control system in the manipulator system according to the first embodiment of this invention.

【図3】本発明の第1の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更するための説明図。
FIG. 3 is an explanatory diagram for changing the setting of the coordinate system of the manipulator in the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する手順を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a procedure for changing the setting of the coordinate system of the manipulator in the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する手順を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a procedure for changing the setting of the coordinate system of the manipulator in the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。
FIG. 6 is an explanatory diagram of another method for changing the setting of the coordinate system of the manipulator in the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第1の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する他の手順を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing another procedure for changing the setting of the coordinate system of the manipulator in the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第1の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。
FIG. 8 is an explanatory diagram of another method of changing the setting of the coordinate system of the manipulator in the first embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第1の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。
FIG. 9 is an explanatory diagram of another method for changing the setting of the coordinate system of the manipulator according to the first embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第1の実施例においてのマニピュレ
ータの座標系の設定を変更する他の手順を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing another procedure for changing the setting of the coordinate system of the manipulator in the first embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第2の実施例においてのマニピュレ
ータシステムの説明図。
FIG. 11 is an explanatory diagram of a manipulator system according to a second embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第2の実施例のマニピュレータシス
テムにおける制御装置の説明図。
FIG. 12 is an explanatory diagram of a control device in the manipulator system according to the second embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第2の実施例のマニピュレータシス
テムにおける操作手段の説明図。
FIG. 13 is an explanatory diagram of operating means in the manipulator system according to the second embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第2の実施例のマニピュレータシス
テムの使用状態の説明図。
FIG. 14 is an explanatory diagram of a usage state of the manipulator system according to the second embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第3の実施例においてのマニピュレ
ータの術野における使用状態の説明図。
FIG. 15 is an explanatory diagram of a usage state of the manipulator in the surgical field according to the third embodiment of the present invention.

【図16】本発明の第3の実施例においてのHMDの使
用状態の説明図。
FIG. 16 is an explanatory diagram of a usage state of the HMD in the third embodiment of the present invention.

【図17】本発明の第3の実施例においてのHMD及び
立体視スコープの作用の説明図。
FIG. 17 is an explanatory view of the operation of the HMD and the stereoscopic scope in the third embodiment of the present invention.

【図18】本発明の第3の実施例においてのHMDの視
線を検出する方式の説明図。
FIG. 18 is an explanatory diagram of a method of detecting the line of sight of an HMD according to the third embodiment of the present invention.

【図19】本発明の第4の実施例においての音声入力手
段を用いたマニピュレータシステムの説明図。
FIG. 19 is an explanatory diagram of a manipulator system using a voice input device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図20】操作手段の入力手段としてのスイッチ式操作
盤の例を示す平面図。
FIG. 20 is a plan view showing an example of a switch type operation panel as an input means of the operation means.

【図21】操作手段の入力手段としてのジョイスティッ
ク式操作盤の例を示す平面図。
FIG. 21 is a plan view showing an example of a joystick type operation panel as an input means of the operation means.

【図22】本発明の第5の実施例においてのマニピュレ
ータシステムの説明図。
FIG. 22 is an explanatory diagram of a manipulator system according to a fifth embodiment of the present invention.

【図23】本発明の第5の実施例においてのマニピュレ
ータの斜視図。
FIG. 23 is a perspective view of a manipulator according to a fifth embodiment of the present invention.

【図24】本発明の第6の実施例においての操作手段の
斜視図。
FIG. 24 is a perspective view of the operating means in the sixth embodiment of the present invention.

【図25】本発明の第6の実施例においてのマニピュレ
ータの斜視図。
FIG. 25 is a perspective view of a manipulator according to a sixth embodiment of the present invention.

【図26】本発明の第7の実施例においてのマニピュレ
ータシステムの説明図。
FIG. 26 is an explanatory diagram of a manipulator system according to a seventh embodiment of the present invention.

【図27】本発明の第8の実施例においてのマニピュレ
ータの斜視図。
FIG. 27 is a perspective view of a manipulator according to an eighth embodiment of the present invention.

【図28】本発明の第8の実施例においてのTVモニタ
ーの正面図。
FIG. 28 is a front view of the TV monitor according to the eighth embodiment of the present invention.

【図29】本発明の第9の実施例においてのマニピュレ
ータシステムの説明図。
FIG. 29 is an explanatory diagram of a manipulator system according to a ninth embodiment of the present invention.

【図30】本発明の第10の実施例においてのマニピュ
レータシステムの説明図。
FIG. 30 is an explanatory diagram of a manipulator system according to a tenth embodiment of the present invention.

【図31】本発明の第11の実施例においてのマニピュ
レータシステムの説明図。
FIG. 31 is an explanatory diagram of a manipulator system according to an eleventh embodiment of the present invention.

【図32】本発明の第12の実施例においてのマニピュ
レータの使用状態の斜視図。
FIG. 32 is a perspective view of a manipulator in use according to a twelfth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…手術台(ベット)、2…患者、3…第1のスレーブ
マニピュレータ、4…第2のスレーブマニピュレータ、
9,10…処置具、13,14…ベース座標系、15,
16…タスク座標系、16…第1のマスタマニピュレー
タ、17…第2のマスタマニピュレータ、18…操作
台、23,24…ベース座標系、27…タスク座標系、
31,32…制御装置、33,34…MPU、35,3
6…アクチュエータ駆動回路、37,38…インターフ
ェース回路。
1 ... Operating table (bed), 2 ... Patient, 3 ... First slave manipulator, 4 ... Second slave manipulator,
9, 10 ... Treatment tool, 13, 14 ... Base coordinate system, 15,
16 ... Task coordinate system, 16 ... First master manipulator, 17 ... Second master manipulator, 18 ... Operation console, 23, 24 ... Base coordinate system, 27 ... Task coordinate system,
31, 32 ... Control device, 33, 34 ... MPU, 35, 3
6 ... Actuator drive circuit, 37, 38 ... Interface circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】術者が操作できる領域内に設置された操作
手段と、 術野にアクセスするように設置され前記操作手段の操作
に追従した動きを行うマニピュレータと、 固有の座標系を基準として前記操作手段の操作位置及び
/又はオリエンテーションを決定する第1の制御手段
と、 固有の座標系を基準として前記第1の制御手段からの情
報により、前記マニピュレータの位置及び/又はオリエ
ンテーションを決定して前記マニピュレータを動かす第
2の制御手段と、 前記操作手段の固有の座標系及び前記マニピュレータの
固有の座標系の少なくとも一方の座標系の設定を変換し
て前記操作手段とマニピュレータの位置及び/又はオリ
エンテーションの対応をとる座標系の変換手段とを具備
したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
1. An operating means installed in an area that can be operated by an operator, a manipulator installed so as to access the operating field and performing a movement following the operation of the operating means, with a unique coordinate system as a reference. A first control means for determining the operation position and / or orientation of the operation means, and a position and / or orientation of the manipulator based on information from the first control means with reference to a unique coordinate system. Second control means for moving the manipulator, and setting and / or orientation of the operating means and the manipulator by converting the setting of at least one of the unique coordinate system of the operating means and the unique coordinate system of the manipulator. A manipulator system for surgery, which comprises:
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