JPH08117238A - Surgical manipulator - Google Patents

Surgical manipulator

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Publication number
JPH08117238A
JPH08117238A JP6260285A JP26028594A JPH08117238A JP H08117238 A JPH08117238 A JP H08117238A JP 6260285 A JP6260285 A JP 6260285A JP 26028594 A JP26028594 A JP 26028594A JP H08117238 A JPH08117238 A JP H08117238A
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JP
Japan
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manipulator
surgical
surgical instrument
slave manipulator
slave
Prior art date
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Pending
Application number
JP6260285A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Mizuno
均 水野
Toshimasa Kawai
利昌 河合
Nobuyuki Michiguchi
信行 道口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP6260285A priority Critical patent/JPH08117238A/en
Publication of JPH08117238A publication Critical patent/JPH08117238A/en
Priority to US08/950,213 priority patent/US6120433A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a surgical manipulator by which an inserting part of a surgery instrument can be inserted without giving the inserting hole excessive force when observation and treatment are performed in a body cavity. CONSTITUTION: This surgical manipulator is composed of a master manipulator 11 which is installed on a area capable of operation for an operator and a slave manipulator 1 which is installed so as to get access to a surgical area and moves following the operation of the master manipulator 11, and a surgical instrument 3 is held by this slave manipulator 1, and this surgical manipulator is provided with a control means which makes the slave manipulator 11(1?) operated so that the position or the posture of this surgical instrument 3 is restricted to the operational area.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、体腔内の観察、処置
のために内視鏡等の手術器械を体腔内に挿入する手術用
マニピュレータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surgical manipulator for inserting a surgical instrument such as an endoscope into a body cavity for observing and treating the body cavity.

【0002】[0002]

【従来の技術】腹壁等の体壁に挿入孔を開け、この挿入
孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入する
ことにより体腔内で様々な処置を行なう内視鏡下手術が
従来から行なわれており、こうした術式は大きな切開を
要しない低侵襲なものとして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ている。
2. Description of the Related Art Under an endoscope for performing various treatments in a body cavity by forming an insertion hole in a body wall such as an abdominal wall and percutaneously inserting an endoscope or a treatment tool into the body cavity through the insertion hole. Surgery has been performed conventionally, and such a surgical technique is widely performed as a minimally invasive procedure that does not require a large incision, such as a cholecystectomy or a surgery to remove and remove a part of the lung.

【0003】例えば、特願平4−221571号は、腹
腔内の処置・観察を行う手術器械を取り付けるスコープ
ホルダーを備えたものである。これは、スコープホルダ
ーによって観察あるいは手術器械を患者の挿入孔に入れ
る時に、機構的に拘束によって位置決めを行わせてい
る。
For example, Japanese Patent Application No. 4-221571 has a scope holder to which a surgical instrument for treating / observing the abdominal cavity is attached. This mechanically constrains the positioning when the observation or the surgical instrument is inserted into the insertion hole of the patient by the scope holder.

【0004】また、特願昭62−134503号は、定
位脳手術時の手術用顕微鏡の焦点を患者頭部の特定の位
置に固定するようにスタンド装置の動作を機械的に規制
する手段を有しているものがある。さらに、特願平1−
257907号においては、X線CT画像を得ながら定
位脳手術を行うために、手術部位の中心を囲む仮想球面
の任意の位置から中心に向けて手術器械を位置決めする
ことができる装置を提供している。
Japanese Patent Application No. 62-134503 has means for mechanically controlling the operation of the stand device so that the focus of the surgical microscope during stereotactic brain surgery is fixed at a specific position on the patient's head. There are things that are doing. Furthermore, Japanese Patent Application 1-
No. 257907 provides a device capable of positioning a surgical instrument from an arbitrary position on a virtual spherical surface surrounding the center of a surgical site toward the center for performing stereotactic brain surgery while obtaining an X-ray CT image. There is.

【0005】また、特願平4−51778号において
は、定位脳手術を行う際に利用される実体顕微鏡で観察
する任意位置の中心を囲む仮想球面上を実体顕微鏡の任
意位置での焦点が一致するように動作させる技術が開示
されている。
Further, in Japanese Patent Application No. 4-51778, the focal point at an arbitrary position of the stereoscopic microscope matches on a virtual spherical surface surrounding the center of an arbitrary position observed by the stereoscopic microscope used for stereotactic brain surgery. The technique of operating so as to perform is disclosed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特願平
4−221571号は、体壁の挿入孔に対して手術器械
の挿入部が通るように機械的な調整作業が必要となり不
便である。また、挿入孔に対して挿入部が通るようにリ
ンク機構を用いているが、このリンク機構の構造が複雑
であり、また大きなスペースを要する。
However, Japanese Patent Application No. 4-221571 is inconvenient because it requires a mechanical adjustment work so that the insertion portion of the surgical instrument passes through the insertion hole of the body wall. Further, although the link mechanism is used so that the insertion portion passes through the insertion hole, the structure of the link mechanism is complicated and a large space is required.

【0007】特願昭62−134503号は、観察対象
の特定の位置に対して、焦点が一致するように機械的な
調整作業が必要となり操作が煩雑であり、観察対象の特
定の位置に対して、焦点が一致するようにリンク機構を
用いているが、このリンク機構の構造が複雑であり、ま
た大きなスペースを要する。
In Japanese Patent Application No. 62-134503, a mechanical adjustment work is required so that the focal point coincides with a specific position of the observation target, and the operation is complicated. The link mechanism is used so that the focal points match each other, but the structure of this link mechanism is complicated and a large space is required.

【0008】特願平1−257907号は、手術器械が
手術部位の中心に向うよう機械的な調整作業が必要とな
り操作が煩雑であり、手術器械が手術部位の中心に向う
ようリンク機構を用いているが、このリンク機構の構造
が複雑であり、また大きなスペースを要する。
Japanese Patent Application No. 1-257907 requires a mechanical adjustment work so that the surgical instrument faces the center of the surgical site, and the operation is complicated, and a link mechanism is used so that the surgical instrument faces the center of the surgical site. However, the structure of this link mechanism is complicated and requires a large space.

【0009】特願平4−51778号は、観察対象の特
定の位置に対して、焦点が一致するようにモータを制御
する技術が開示されているが、その操作手段であるジョ
イスティックによる動作指令情報をどのように変換する
かについては開示されていなかった。
Japanese Patent Application No. 4-51778 discloses a technique for controlling a motor so that the focal point coincides with a specific position of an object to be observed, but operation command information by a joystick which is an operating means thereof is disclosed. Was not disclosed.

【0010】この発明は、前記事情に着目してなされた
もので、その目的とするところは、マニピュレータによ
り保持された手術器械の挿入部を体腔内に挿入し、体腔
内で観察および処置を行う際に、手術器械の挿入部が体
壁の挿入孔に対して無理な力を与えることなく挿入し、
さらに観察および処置を行うことができ、作業の容易化
を図ることができ、さらに処置を行う際に、手術器械の
挿入部が観察および処置を行う部位に対して拘束できる
手術用マニピュレータを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to insert an insertion portion of a surgical instrument held by a manipulator into a body cavity, and perform observation and treatment in the body cavity. At that time, the insertion part of the surgical instrument is inserted without giving an excessive force to the insertion hole of the body wall,
(EN) A surgical manipulator capable of further observation and treatment, facilitating work, and restraining an insertion portion of a surgical instrument with respect to a site to be observed and treated when performing treatment. Especially.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段および作用】この発明は、
前記目的を達成するために、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、このマニピュレータにより保持された手術器
械と、この手術器械の位置または姿勢が術野に対して拘
束されるよう前記マニピュレータを動かす制御手段とを
具備したことを特徴とする。
Means and Actions for Solving the Problems
In order to achieve the above-mentioned object, an operating means installed in an area that can be operated by an operator, a manipulator installed so as to access the operative field and performing a movement following the operation of the operating means, and held by this manipulator And a control means for moving the manipulator so that the position or posture of the surgical instrument is restrained with respect to the surgical field.

【0012】操作者が操作手段を操作すると、その動き
に追従してマニピュレータが動作してしまうため、例え
ば、術者が誤って操作手段を操作した場合、患者の体腔
内に挿入されている手術器械が体壁の挿入孔によって動
きを拘束されているにもかかわらず動作を行なって挿入
孔への無理な力をかけるということが生じるが、手術器
械が挿入孔を支点として動作するような制御を行わせる
ように、マニピュレータの動作を制限(ポイントロッ
ク)する。
When the operator operates the operation means, the manipulator operates following the movement of the operation means. For example, if the operator mistakenly operates the operation means, the operation inserted into the body cavity of the patient. It may happen that the instrument performs an operation and exerts an unreasonable force on the insertion hole even though the movement is restricted by the insertion hole in the body wall, but the operation instrument operates with the insertion hole as a fulcrum. The operation of the manipulator is restricted (point lock) so that

【0013】[0013]

【実施例】以下、この発明の各実施例を図面に基づいて
説明する。図1〜図6は第1の実施例を示し、手術器械
を体腔内に挿入し、体内の観察およびまたは処置を行う
手術用マニピュレータにおいて、マスターマニピュレー
タを操作することにより、スレーブマニピュレータを動
作させる場合に、スレーブマニピュレータの手術器械の
挿入部が、体壁の挿入孔に対し無理な力が働かないよう
に、マスターマニピュレータの位置および姿勢とスレー
ブマニピュレータの位置および姿勢を対応させるように
構成したものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 6 show a first embodiment, in which a slave manipulator is operated by operating a master manipulator in a surgical manipulator in which a surgical instrument is inserted into a body cavity and observation and / or treatment inside the body is performed. In addition, the slave manipulator's surgical instrument insertion part is configured so that the position and orientation of the master manipulator correspond to the position and orientation of the slave manipulator so that excessive force is not applied to the insertion hole in the body wall. is there.

【0014】すなわち、図1に示すように、手術用マニ
ピュレータにおいて、マニピュレータとしてのスレーブ
マニピュレータ1は、その先端部を患者の体壁aの挿入
孔bを介して体腔c内に挿入する挿入部2を有した手術
器械3と、この手術器械3を支持するための直動および
回転の自由度を有する複数の軸を有するロボット4から
構成されている。挿入部2の先端部には3次元(立体)
スコープ5と、一対の処置具6,7とを備えている。3
次元(立体)スコープ5の先端部および一対の処置具
6,7は、それぞれ多自由度にて湾曲可能となってい
る。
That is, as shown in FIG. 1, in a surgical manipulator, a slave manipulator 1 as a manipulator has an insertion portion 2 for inserting its tip into a body cavity c through an insertion hole b in a body wall a of a patient. And a robot 4 having a plurality of axes having linear and rotational degrees of freedom for supporting the surgical instrument 3. Three-dimensional (three-dimensional) at the tip of the insertion part 2
A scope 5 and a pair of treatment tools 6, 7 are provided. Three
The distal end of the dimensional (stereoscopic) scope 5 and the pair of treatment tools 6, 7 are each capable of bending with multiple degrees of freedom.

【0015】一方、操作手順としては、多関節構造を有
する操作手段としてのマスターマニピュレータ11があ
り、そのマスターマニピュレータ11の先端部には、H
MD(ヘッドマウンティッドディスプレー)12と、一
対の処置具操作用操作アーム13,14が設けられてい
る。
On the other hand, as an operation procedure, there is a master manipulator 11 as an operation means having a multi-joint structure, and the master manipulator 11 has an H-shaped tip at its tip.
An MD (head mounted display) 12 and a pair of operation arms 13 and 14 for operating a treatment tool are provided.

【0016】スレーブマニピュレータ1およびマスター
マニピュレータ11は、制御装置21に接続されてお
り、マスターマニピュレータ11の先端部の位置がスレ
ープマニピュレータ1の位置に対応し、また、HMD1
2の回転部の位置が3次元(立体)スコープ5の湾曲角
に対応し、さらに、処置操作用操作アーム13,14
が、処置具6,7の位置に対応して動作するよう制御さ
れる。
The slave manipulator 1 and the master manipulator 11 are connected to a control device 21, the position of the tip of the master manipulator 11 corresponds to the position of the slap manipulator 1, and the HMD 1
The position of the rotating part of 2 corresponds to the bending angle of the three-dimensional (three-dimensional) scope 5, and further, the operation arms 13 and 14 for treatment operation.
Are controlled to operate in accordance with the positions of the treatment tools 6, 7.

【0017】なお、スレーブマニピュレータ1の軸に
は、アクチュエータ(図示しない)とその回転位置を検
出するエンコーダ18および減速機(図示しない)が設
けてある。また、マスターマニピュレータ11の関節
部、HMD12の回転部および処置操作用アームの関節
部には、エンコーダ20が設けられている。
The axis of the slave manipulator 1 is provided with an actuator (not shown), an encoder 18 for detecting its rotational position, and a speed reducer (not shown). An encoder 20 is provided at the joint portion of the master manipulator 11, the rotating portion of the HMD 12, and the joint portion of the treatment operation arm.

【0018】なお、図1においては、内視鏡としての3
次元(立体)スコープ5と処置具6,7を一体とする挿
入部を示しているが、内視鏡だけ、あるいは、処置具だ
けの構成でも構わない。また、内視鏡としては、先端部
に湾曲機構を有する実施例を示しているが、硬性鏡でも
構わない。以上の構成について、リンク機構をわかりや
すく示した図を図3に示す。
Incidentally, in FIG.
Although the insertion portion in which the dimensional (stereoscopic) scope 5 and the treatment tools 6 and 7 are integrated is shown, a configuration including only an endoscope or only the treatment tool may be used. Further, as the endoscope, the embodiment in which the distal end portion has the bending mechanism is shown, but a rigid endoscope may be used. FIG. 3 is a diagram showing the link mechanism in the above configuration in an easy-to-understand manner.

【0019】図2は、手術用マニピュレータの動作を制
御するシステムの構造を示す。すなわち、スレーブマニ
ピュレータ1と、スレーブマニピュレータ1を制御する
制御装置21と、操作手段22および操作スイッチ24
が設けられている。制御装置21には、MPU25と、
アクチュエータ駆動回路20および入出力インターフェ
ース(I/F)27を備えており、それぞれ操作手段2
2と、スレーブマニピュレータ1および操作スイッチ2
4が接続されている。
FIG. 2 shows the structure of the system for controlling the operation of the surgical manipulator. That is, the slave manipulator 1, the control device 21 that controls the slave manipulator 1, the operation unit 22, and the operation switch 24.
Is provided. The control device 21 includes an MPU 25,
An actuator drive circuit 20 and an input / output interface (I / F) 27 are provided, and the operating means 2 is provided.
2, slave manipulator 1 and operation switch 2
4 are connected.

【0020】次に、前述のように構成された手術用マニ
ピュレータの作用について説明する。前記構成におい
て、体壁aの挿入孔bに無理な力が作用しないように、
ポイントロックという動作を行わせる。本手術用マニピ
ュレータにおいては、マスターマニピュレータ11を操
作者が操作して、スレーブマニピュレータ1を動作させ
るが、この時、マスターマニピュレータ11の動きに追
従してスレーブマニピュレータ1が動作してしまうた
め、例えば、術者が誤ってマスターマニピュレータ11
を操作した場合、患者の体腔c内に挿入されている手術
器械3が挿入孔bによって動きを拘束されているにもか
かわらず、スレーブ動作を行なうことによる挿入孔bへ
の無理な力をかけるということが生じる。
Next, the operation of the surgical manipulator constructed as described above will be explained. In the above configuration, in order not to apply an unreasonable force to the insertion hole b of the body wall a,
The operation called point lock is performed. In this surgical manipulator, the operator operates the master manipulator 11 to operate the slave manipulator 1, but at this time, since the slave manipulator 1 operates following the movement of the master manipulator 11, for example, The surgeon mistakenly operates the master manipulator 11
Is operated, even though the surgical instrument 3 inserted into the body cavity c of the patient is restrained in movement by the insertion hole b, an unreasonable force is applied to the insertion hole b by performing a slave operation. That happens.

【0021】そこで、手術器械3が挿入孔bを支点とし
て動作するような制御を行わせるように、スレーブマニ
ピュレータ1の動作を制限することによって前述した問
題点を解決することができる。ここでは、この前記動作
制限のことを、ポイントロックということにする。
Therefore, the above-mentioned problems can be solved by limiting the operation of the slave manipulator 1 so that the surgical instrument 3 can be controlled to operate with the insertion hole b as a fulcrum. Here, this operation restriction will be referred to as a point lock.

【0022】ポイントロックによる動作制限方法を説明
すると、図4(a)は、スレーブマニピュレータ1の挿
入部2の先端部28を示し、同図(b)は、マスターマ
ニピュレータ11の先端部29を示す。
Explaining the operation limiting method by the point lock, FIG. 4A shows the tip end portion 28 of the insertion portion 2 of the slave manipulator 1, and FIG. 4B shows the tip end portion 29 of the master manipulator 11. .

【0023】マスタースレーブモードのマスターマニピ
ュレータ11とスレーブマニピュレータ1との動作関係
は、マスターマニピュレータ11の先端部29の座標系
の相対移動量をスレーブマニピュレータ1の先端部28
の座標系に反映させて動作を行わせている。
The operation relationship between the master manipulator 11 and the slave manipulator 1 in the master-slave mode is that the relative movement amount of the coordinate system of the tip portion 29 of the master manipulator 11 is the tip portion 28 of the slave manipulator 1.
This is reflected in the coordinate system of and the operation is performed.

【0024】初めに、図4(b)に示すように、マスタ
ーマニピュレータ11の先端部29のTCP(ツール先
端点)の状態をTCPm30とし、図4(a)に示した
スレーブマニピュレータ1の先端部28のTCPの状態
をTCPs31とする。
First, as shown in FIG. 4B, the state of TCP (tool tip point) of the tip 29 of the master manipulator 11 is TCPm30, and the tip of the slave manipulator 1 shown in FIG. The state of TCP 28 is TCPs 31.

【0025】前記マスターマニピュレータ11のTCP
を求め、スレーブマニピュレータ1のTCPを求めてス
レーブを動作させる処理は、マスターマニピュレータ1
1の各軸に配置されたエンコーダからの移動量から関節
変数を求め、TCPの位置・姿勢を求める順座標変換処
理を行う。これによって、マスターマニピュレータ11
のTCPが求められた後、その求めたTCPの値からス
レーブマニピュレータ1の各軸の制御量を求めるための
逆座標変換を行わせる処理からなっている。
TCP of the master manipulator 11
Of the master manipulator 1 to obtain the TCP of the slave manipulator 1 and operate the slave.
A forward coordinate conversion process for obtaining a joint variable from the amount of movement from an encoder arranged on each axis 1 and for obtaining the position / orientation of TCP is performed. With this, the master manipulator 11
After the TCP is obtained, the inverse coordinate transformation for obtaining the control amount of each axis of the slave manipulator 1 is performed from the obtained TCP value.

【0026】前記状態から、図4(b)に示すように、
術者がマスターマニピュレータ11の先端部29のTC
Pm30の位置・姿勢をTCPm32の状態に移動させ
たとする。この時、TCPm30からTCPm32へ移
動した位置・姿勢を示すベクトルをAとする。また、同
時に、マスターマニピュレータ11の先端部29を図の
様にθ回転させたとする。
From the above state, as shown in FIG.
The surgeon TCs the tip 29 of the master manipulator 11.
It is assumed that the position / orientation of Pm30 is moved to the state of TCPm32. At this time, the vector indicating the position / orientation moved from TCPm30 to TCPm32 is A. At the same time, it is assumed that the tip portion 29 of the master manipulator 11 is rotated by θ as shown in the figure.

【0027】制御装置21は、マスターマニピュレータ
11の位置相対関係(同次座標変換行列A)と同一にな
るように、図4(a)に示した同次座標変換行列A′
(図4(a)中のTCPs31からTCPs33を結ん
だベクトル)の算出を行う。同時に、TCPs31とポ
イントロック位置34とを結んだ線分をO軸と定義し、
ポイントロック位置34とTCPs33との結んだ線分
をP軸と定義する。また、O軸とP軸とをなす角α、前
記O軸とP軸の2直線が作る平面に垂直なベクトルQの
算出を行う。
The controller 21 controls the homogenous coordinate transformation matrix A'shown in FIG. 4 (a) so that it has the same positional relative relationship (homogeneous coordinate transformation matrix A) of the master manipulator 11.
(A vector connecting TCPs31 to TCPs33 in FIG. 4A) is calculated. At the same time, the line connecting the TCPs 31 and the point lock position 34 is defined as the O axis,
The line segment connecting the point lock position 34 and the TCPs 33 is defined as the P axis. Further, the angle α forming the O axis and the P axis and the vector Q perpendicular to the plane formed by the two straight lines of the O axis and the P axis are calculated.

【0028】スレーブマニピュレータ1の先端部28を
マスターマニピュレータ11の先端部29に追従させる
ため、スレーブマニピュレータ1の先端部28のTCP
s31からTCPs33に移動させるが、この時、スレ
ーブマニピュレータ1の先端部28の軸がポイントロッ
ク位置34を通るという条件にしなければならないの
で、スレーブマニピュレータ1の先端部28をTCPs
33へ移動させると同時に、前記求めたO軸とP軸のな
す角α分だけQベクトル回りに回転させながら移動させ
る。また、マスターマニピュレータ11の先端部29を
図4(b)中θ回転させているので、スレーブマニピュ
レータ1の先端部28の軸(P軸)に対してθ回転させ
るようにする。
In order to make the tip portion 28 of the slave manipulator 1 follow the tip portion 29 of the master manipulator 11, the TCP of the tip portion 28 of the slave manipulator 1 is used.
It moves from s31 to TCPs33, but at this time, it is necessary to make the condition that the axis of the tip 28 of the slave manipulator 1 passes through the point lock position 34, so the tip 28 of the slave manipulator 1 is moved to TCPs.
At the same time as moving to 33, it is moved while rotating around the Q vector by the angle α formed by the O-axis and the P-axis obtained above. Further, since the tip portion 29 of the master manipulator 11 is rotated by θ in FIG. 4B, the tip portion 29 of the slave manipulator 1 is rotated by θ with respect to the axis (P axis) of the tip portion 28.

【0029】以上の動作を制御装置21内において、一
定時間毎に計算を行っている。この計算の繰り返しによ
って、実時間でのポイントロック動作付きマスタースレ
ーブモードが実現される。
The above operation is calculated in the controller 21 at regular intervals. By repeating this calculation, the master-slave mode with a point lock operation in real time is realized.

【0030】さて、以上は、スレーブマニピュレータ1
を患者体腔内に挿入した後の場合の説明であるが、スレ
ーブマニピュレータ1を挿入孔bに挿入する際、あるい
は、抜去する際に、生じる特異点の対策について示す。
The above is the slave manipulator 1
In the case where the slave manipulator 1 is inserted into the insertion hole b or when the slave manipulator 1 is removed from the insertion hole b, a countermeasure against a singular point generated will be described.

【0031】スレーブマニピュレータ1の先端部28を
挿入する際に生じる特異点とは、挿入孔bの位置とスレ
ーブマニピュレータ1のTCPとが一致した場合に、位
置は求まっているが、挿入する姿勢が無数に存在するた
め、ロボット4の姿勢を決定することができなくなるこ
とである。また、挿入孔bの位置とスレーブマニピュレ
ータ1のTCPが一致しない場合でも、近傍においては
演算精度の問題を生じるため、姿勢決定ができないこと
もある。
The singular point generated when inserting the tip end portion 28 of the slave manipulator 1 is determined when the position of the insertion hole b and the TCP of the slave manipulator 1 match, but the posture for insertion is determined. Since there are innumerable numbers of them, the posture of the robot 4 cannot be determined. Further, even when the position of the insertion hole b and the TCP of the slave manipulator 1 do not coincide with each other, the posture may not be determined due to the problem of calculation accuracy in the vicinity.

【0032】そこで、スレーブマニピュレータ1の先端
部28のTCPと挿入孔bが一致する部分において、姿
勢に関しては、挿入してきた姿勢を決定することで、こ
の問題を解決している。
Therefore, with respect to the posture at the portion where the TCP of the tip end portion 28 of the slave manipulator 1 and the insertion hole b coincide with each other, this problem is solved by determining the inserted posture.

【0033】ただし、どの部分から前記示した以前の姿
勢を採用するかを予め決めておく必要があるので、挿入
孔bの近傍にある一定範囲の不感帯を設けることによっ
て、ロボット4の特異点が生じてもスムーズな動きがで
きるようにしてある。
However, since it is necessary to determine in advance from which part the above-mentioned previous posture is adopted, by providing a dead zone in the vicinity of the insertion hole b, the singular point of the robot 4 is increased. Even if it happens, it is designed so that it can move smoothly.

【0034】さて、前述した本実施例の動作方法の一連
の流れを示す。まず、ベッド上の患者の挿入孔bの位置
を求めるために、例えば、スレーブマニピュレータ1を
図5に示すような形状にし、かつ、挿入孔bの位置と、
スレーブマニピュレータ1のTCPの位置とを合わせる
(姿勢はどのような状態でも構わない)。前記位置合わ
せを行う際には、マスタースレーブモードによる位置決
めを行っても構わないし、図2に示した操作スイッチ2
4に割り振られたスイッチを押すことによって、スレー
ブマニピュレータ1の各軸を独立させて動作させ、挿入
孔bへの位置決めを行っても構わない。このことによっ
て、挿入孔bとスレーブマニピュレータ1との相対的な
位置が求まり、スレーブマニピュレータ1の位置は固定
されているため、挿入孔bの位置が求まる。
Now, a series of flow of the operation method of the present embodiment described above will be shown. First, in order to obtain the position of the insertion hole b of the patient on the bed, for example, the slave manipulator 1 is shaped as shown in FIG.
The slave manipulator 1 is aligned with the TCP position (the posture may be any state). When performing the alignment, the positioning may be performed in the master-slave mode, and the operation switch 2 shown in FIG.
By pressing the switch assigned to No. 4, each axis of the slave manipulator 1 may be operated independently and positioning in the insertion hole b may be performed. As a result, the relative position between the insertion hole b and the slave manipulator 1 is obtained, and the position of the slave manipulator 1 is fixed, so the position of the insertion hole b is obtained.

【0035】次に、術者の操作により、マスターマニピ
ュレータ11を動作させる。図6に示すように、制御装
置21側ではマスターマニピュレータ11の先端部にお
ける位置および回転を動作指令として読み込む。マスタ
ーマニピュレータ11より求めた位置・姿勢情報をスレ
ーブマニピュレータ1の位置または姿勢に座標変換す
る。
Next, the master manipulator 11 is operated by the operation of the operator. As shown in FIG. 6, the position and rotation at the tip of the master manipulator 11 are read as operation commands on the control device 21 side. The position / orientation information obtained from the master manipulator 11 is coordinate-converted into the position or attitude of the slave manipulator 1.

【0036】前記座標変換処理を終えたら、手術器械3
の操作対象部位(スレーブマニピュレータ1の先端TC
P)が挿入孔bの近傍にあるか、ないかを判断する。こ
こでは、スレーブマニピュレータ1の先端TCPが体腔
c内にあるか否かを判断する。もし、体腔c外にあるの
であれば、挿入部2の長軸の傾きの値として、手術器械
3の操作対象部位(スレーブマニピュレータ1の先端T
CP)の位置が、挿入孔bの近傍に入る直前の値を用
い、さらに、挿入部2の長軸まわりの回転がスレーブマ
ニピュレータ1の回転の指令に一致するように動作させ
る。もし、スレーブマニピュレータ1の先端TCPの位
置が患者の体腔c内に位置する場合は、挿入部2が挿入
孔bの位置を通り、手術器械3の操作対象部位(スレー
ブマニピュレータ1の先端TCP)の位置が、マスター
マニピュレータ11により決定された指令位置に一致す
るようにし、さらに、挿入部2の長軸まわりの回転がマ
スターマニピュレータ11の回転の指令に一致するよう
に動作させる。
After the coordinate conversion process is completed, the surgical instrument 3
Operation target part (tip TC of slave manipulator 1
It is determined whether P) is near the insertion hole b or not. Here, it is determined whether the tip TCP of the slave manipulator 1 is inside the body cavity c. If it is outside the body cavity c, the operation target site of the surgical instrument 3 (the tip T of the slave manipulator 1) is used as the value of the inclination of the long axis of the insertion section 2.
The value of CP) immediately before entering the vicinity of the insertion hole b is used, and further operation is performed so that the rotation of the insertion portion 2 about the long axis coincides with the rotation command of the slave manipulator 1. If the position of the tip TCP of the slave manipulator 1 is located inside the body cavity c of the patient, the insertion part 2 passes through the position of the insertion hole b, and the operation target site of the surgical instrument 3 (tip TCP of the slave manipulator 1) The position is made to coincide with the command position determined by the master manipulator 11, and further, the rotation about the major axis of the insertion section 2 is operated so as to coincide with the command of the rotation of the master manipulator 11.

【0037】したがって、マスターマニピュレータ11
の操作により決定される位置および姿勢が、スレーブマ
ニピュレータ1の手術器械3の挿入孔bを通る拘束条件
を満たさない場合においても、この拘束条件を満たすよ
う動作させることができ、ひいては手術器械3の挿入部
2が挿入孔bに対し無理な力を作用させることがない。
Therefore, the master manipulator 11
Even if the position and the posture determined by the operation of 1 do not satisfy the constraint condition of passing through the insertion hole b of the surgical instrument 3 of the slave manipulator 1, the slave manipulator 1 can be operated so as to satisfy the constraint condition. The insertion portion 2 does not exert an unreasonable force on the insertion hole b.

【0038】また、術者は、マスターマニピュレータ1
1の操作を行うと、これに追従してスレーブマニピュレ
ータ1が動作し、体腔c内に挿入された手術器械3を操
作することができ、また術者の頭部にHMD12および
HMD12の回転軸のエンコーダ20が設けてあるた
め、術者が頭部を動かすと、エンコーダ20の動きに追
従して、スレーブマニピュレータ1に固定された3次元
(立体)スコープ5が術野の画像をHMD12に表示
し、術者はHMD12に表示された画像を観察しながら
手術器械3で処置ができる。したがって、体腔c内に居
るような臨場感の中で処置が可能となるため開腹術の感
覚で内視鏡下手術が可能となる。
The operator is also the master manipulator 1
When the operation 1 is performed, the slave manipulator 1 operates following the operation 1 to operate the surgical instrument 3 inserted in the body cavity c, and the HMD 12 and the rotation axis of the HMD 12 are attached to the operator's head. Since the encoder 20 is provided, when the surgeon moves the head, the three-dimensional (stereoscopic) scope 5 fixed to the slave manipulator 1 follows the movement of the encoder 20 and displays the image of the surgical field on the HMD 12. The operator can treat with the surgical instrument 3 while observing the image displayed on the HMD 12. Therefore, since the treatment can be performed in the presence of being in the body cavity c, endoscopic surgery can be performed with the sensation of laparotomy.

【0039】図7〜図9は第2の実施例を示し、第1の
実施例と同一構成部分については同一番号を付して説明
を省略する。本実施例は、手術器械を体腔内に挿入し、
体腔内の観察およびまたは処置を行う手術用マニピュレ
ータにおいて、マニピュレータに取り付けた力覚センサ
を操作することにより、マニピュレータを動作させる場
合に、スレーブマニピュレータの手術器械の挿入部が、
挿入孔に対して無理な力が働かないように、力覚センサ
により決定される位置およびスレーブマニピュレータの
位置および姿勢を対応させるように構成したものであ
る。
7 to 9 show the second embodiment, and the same components as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. In this embodiment, a surgical instrument is inserted into a body cavity,
In a surgical manipulator for observing and / or treating the inside of a body cavity, by operating a force sensor attached to the manipulator, when operating the manipulator, the insertion portion of the surgical instrument of the slave manipulator,
The position determined by the force sensor and the position and orientation of the slave manipulator are made to correspond to each other so that an unreasonable force does not act on the insertion hole.

【0040】すなわち、手術用マニピュレータにおい
て、スレーブマニピュレータ51は、先端部を体内に挿
入する挿入部52aを有する内視鏡52を備えている。
一方、操作手段としては、スレーブマニピュレータ51
に設けられた把持部54に力覚センサ53a,53bが
設けられている。スレーブマニピュレータ51および力
覚センサ53a,53bは、制御装置21に接続されて
おり、力覚センサ53a,53bにより決定される位置
および姿勢がスレーブマニピュレータ51の位置および
姿勢に対応するよう動作させる。
That is, in the manipulator for surgery, the slave manipulator 51 is provided with the endoscope 52 having the insertion portion 52a for inserting the tip portion into the body.
On the other hand, as the operation means, the slave manipulator 51 is used.
Force sensors 53a and 53b are provided on the grip portion 54 provided in the. The slave manipulator 51 and the force sensors 53a and 53b are connected to the control device 21, and operate so that the position and orientation determined by the force sensors 53a and 53b correspond to the position and orientation of the slave manipulator 51.

【0041】なお、スレーブマニピュレータ51の軸に
は、アクチュエータ(図示しない)とその回転位置を検
出するエンコーダ18および減速機(図示しない)が設
けられている。また、力覚センサ53aは力の3つの方
向ベクトル(B1,B2,B3)を、力覚センサ53b
は力の2つの方向ベクトル(B4,B5)と1つの回転
(B6)を検出できるように、内部に歪みゲージが搭載
されている。
The axis of the slave manipulator 51 is provided with an actuator (not shown), an encoder 18 for detecting its rotational position, and a speed reducer (not shown). In addition, the force sensor 53a outputs three direction vectors of force (B1, B2, B3) to the force sensor 53b.
Is equipped with a strain gauge inside so that it can detect two direction vectors of force (B4, B5) and one rotation (B6).

【0042】なお、図7においては、手術器械として内
視鏡52を示しているが、内視鏡52と処置具を一体と
した挿入部52aや、あるいは処置具だけの構成でも構
わない。また、内視鏡52としては、先端部に湾曲機構
を有するものでも構わない。さらに、本実施例の手術用
マニピュレータの動作を制御するシステムの構造は、第
1の実施例の図2に示す通りであり、説明を省略する。
Although the endoscope 52 is shown as a surgical instrument in FIG. 7, an insertion portion 52a in which the endoscope 52 and the treatment instrument are integrated, or a configuration having only the treatment instrument may be used. Further, the endoscope 52 may have a bending mechanism at its tip. Further, the structure of the system for controlling the operation of the surgical manipulator of the present embodiment is as shown in FIG. 2 of the first embodiment, and the explanation is omitted.

【0043】次に、第2の実施例の作用について説明す
る。力覚センサ53a,53bにより決定される位置お
よび姿勢は、図7における力覚センサ53a,53bの
成分B1,B2,B3,B4,B5,B6を意味する
が、挿入孔bに対し内視鏡52の長軸が交わるような拘
束条件を設定しない場合においては、スレーブマニピュ
レータ51のA1,A2,A3,A4,A5,A6に各
々対応するように制御されているが、ポイントロック時
の場合、B1〜B5により決定される挿入部52aの注
目点の位置により、スレーブマニピュレータ51の先端
部の位置および挿入部52aの長軸が挿入孔bを通るた
めの挿入部52aの傾きを決定し、B6による挿入部5
2aの回転角により、挿入部52aの注目点および位置
の回転を制御する。
Next, the operation of the second embodiment will be described. The position and orientation determined by the force sensors 53a and 53b mean the components B1, B2, B3, B4, B5 and B6 of the force sensors 53a and 53b in FIG. When the constraint condition such that the major axes of 52 intersect is not set, the slave manipulator 51 is controlled so as to correspond to A1, A2, A3, A4, A5, and A6, respectively. Depending on the position of the target point of the insertion portion 52a determined by B1 to B5, the position of the distal end portion of the slave manipulator 51 and the inclination of the insertion portion 52a for the long axis of the insertion portion 52a to pass through the insertion hole b are determined. Insertion part 5
The rotation angle of 2a controls the rotation of the point of interest and the position of the insertion portion 52a.

【0044】すなわち、図8(b)に示すように、術者
がロボットの把持部54を握り、矢印方向に移動させる
ようとすると、第1の実施例で示した拘束条件を満たす
ように、内視鏡52の先端部のTCPが第1の実施例と
同様にベクトルAのように移動しようとする。力覚セン
タ53a,53bからは、B1〜B6までの独立した位
置・姿勢情報が検出されるため、第1の実施例で行った
マスターマニピュレータ11の各関節に配置されたエン
コーダ20の情報からマスターマニピュレータ11のT
CPの位置・姿勢を求め、マスターマニピュレータ11
側の移動するベクトルAの成分を計算する順座標変換は
必要なく、そのまま力覚センサ53a,53bの情報を
使用し、各関節の制御量によるスレーブ動作を行えば良
い。
That is, as shown in FIG. 8 (b), when the operator grips the grip portion 54 of the robot and moves it in the direction of the arrow, the constraint condition shown in the first embodiment is satisfied. The TCP at the tip of the endoscope 52 tries to move like a vector A as in the first embodiment. Since independent position / posture information of B1 to B6 is detected from the force sense centers 53a and 53b, the master information is obtained from the information of the encoder 20 arranged at each joint of the master manipulator 11 performed in the first embodiment. T of manipulator 11
Obtain the position and orientation of the CP, and use the master manipulator 11
It is not necessary to perform the forward coordinate conversion for calculating the component of the moving vector A on the side, and it is sufficient to use the information of the force sensors 53a and 53b as it is and perform the slave operation according to the control amount of each joint.

【0045】制御装置21は、現在のスレーブマニピュ
レータ51のTCPの位置と術者の操作した力覚センサ
53a,53bから得られる位置への移動ベクトルを算
出する(図8(a)中A′)。次に、ポイントロック位
置34と移動ベクトルの示すTCPs33での位置とを
結ぶ線分をP軸とし、現在の内視鏡52の先端部のTC
Ps31の長軸方向の線分をO軸とする。前記O軸とP
軸とのなす角をαとし、前記O軸,P軸の2軸が作る平
面に垂直なベクトル(Eベクトル)を算出する。
The control device 21 calculates the current TCP position of the slave manipulator 51 and the movement vector to the position obtained from the force sensors 53a and 53b operated by the operator (A 'in FIG. 8 (a)). . Next, using the line segment connecting the point lock position 34 and the position of the TCPs 33 indicated by the movement vector as the P-axis, the TC of the current distal end of the endoscope 52 is set.
A line segment in the long axis direction of Ps31 is defined as an O axis. O axis and P
Letting an angle with the axis be α, a vector (E vector) perpendicular to a plane formed by the two axes of the O axis and the P axis is calculated.

【0046】現在の内視鏡52のTCPs31の位置か
らTCPs33を移動する際に、現在のTCPs31を
P軸まわりに回転角αだけ回転させ、ベクトルA′の差
す位置へ移動させることにより、ポイントロック位置動
作を行うことができる。
When the TCPs 33 is moved from the current position of the TCPs 31 of the endoscope 52, the current TCPs 31 is rotated around the P axis by the rotation angle α and moved to the position where the vector A ′ is inserted, whereby the point lock is performed. Positional movement can be performed.

【0047】以上の動作を制御装置21内において、一
定時間毎に計算を行っている。この計算の繰り返しによ
って、実時間でのポイントロック動作付きマスタースレ
ーブモードが実現される。
The above operation is calculated in the control device 21 at regular intervals. By repeating this calculation, the master-slave mode with a point lock operation in real time is realized.

【0048】ここで、第1の実施例と同様に、スレーブ
マニピュレータ51を挿入孔bに挿入あるいは抜去する
ときには、第1の実施例で示した不感帯を設けてスムー
ズな動作を行わせるようにしている。
Here, as in the first embodiment, when the slave manipulator 51 is inserted into or removed from the insertion hole b, the dead zone shown in the first embodiment is provided so that a smooth operation is performed. There is.

【0049】次に、本実施例の動作方法の一連の流れを
図9に示す。術者は、スレーブマニピュレータ51のダ
イレクトムーブとしての把持部54を持ち、所望の移動
方向へスレーブマニピュレータ51を移動させようとす
る。制御装置21側では、把持部54の先端における位
置および回転を動作指令として制御装置21に入力す
る。
Next, FIG. 9 shows a series of flow of the operation method of the present embodiment. The operator holds the grip portion 54 as a direct move of the slave manipulator 51, and tries to move the slave manipulator 51 in a desired moving direction. On the control device 21 side, the position and rotation at the tip of the grip portion 54 are input to the control device 21 as operation commands.

【0050】前記処理を終えたら、内視鏡52の操作対
象部位(スレーブマニピュレータTCP)が挿入孔bの
近傍にあるか、ないかを判断する。ここでは、スレーブ
マニピュレータTCPが体腔c内にあるか否かを判断す
る。もし、体腔c外にあるのであれば、挿入部52aの
長軸の傾きの値として、内視鏡52の操作対象部位(ス
レーブマニピュレータTCP)の位置が、挿入孔bの近
傍に入る直前の値を用い、さらに、挿入部52aの長軸
まわりの回転がスレーブマニピュレータTCPの回転の
指令に一致するように動作させる。もし、スレーブマニ
ピュレータTCPの位置が体腔c内に位置する場合は、
挿入部52aが挿入孔bの位置を通り、内視鏡52の操
作対象部位(スレーブマニピュレータTCP)の位置
が、ダイレクトムーブにより決定された指令位置に一致
するようにし、さらに、挿入部52aの長軸まわりの回
転がマスターマニピュレータ11の回転の指令に一致す
るように動作させる。
After the above processing is completed, it is determined whether the operation target portion (slave manipulator TCP) of the endoscope 52 is near the insertion hole b or not. Here, it is determined whether the slave manipulator TCP is inside the body cavity c. If the position is outside the body cavity c, the value immediately before the position of the operation target part (slave manipulator TCP) of the endoscope 52 enters the vicinity of the insertion hole b as the value of the inclination of the long axis of the insertion part 52a. Further, the insertion section 52a is operated so that the rotation about the long axis coincides with the rotation command of the slave manipulator TCP. If the slave manipulator TCP is located inside the body cavity c,
The insertion portion 52a passes through the position of the insertion hole b so that the position of the operation target portion (slave manipulator TCP) of the endoscope 52 coincides with the command position determined by the direct move. The rotation about the axis is operated so as to match the rotation command of the master manipulator 11.

【0051】したがって、力覚センサ53a,53bの
操作により決定される位置および姿勢が、スレーブマニ
ピュレータ51の内視鏡52の挿入孔bを通る拘束条件
を満たさない場合においても、この拘束条件を満たすよ
う動作させることができ、ひいては内視鏡52の挿入部
52aが挿入孔bに対し無理な力を作用させることがな
い。
Therefore, even if the position and orientation determined by the operation of the force sensors 53a and 53b do not satisfy the constraint condition of passing through the insertion hole b of the endoscope 52 of the slave manipulator 51, this constraint condition is satisfied. The insertion portion 52a of the endoscope 52 does not exert an undue force on the insertion hole b.

【0052】また、術者は、力覚センサ53a,53b
の操作を行うと、これに追従してスレーブマニピュレー
タ51が動作し、体腔c内に挿入された内視鏡52をス
ムーズに操作することができる。
The operator is also required to use force sensors 53a and 53b.
When the operation is performed, the slave manipulator 51 follows the operation, and the endoscope 52 inserted into the body cavity c can be operated smoothly.

【0053】図10および図11は第3の実施例を示
し、第1の実施例と同一構成部分については同一番号を
付して説明を省略する。本実施例は、手術器械を体腔内
に挿入し、体内の観察およびまたは処置を行う手術用マ
ニピュレータにおいて、術者の身体の一部に取り付けた
3次元位置センサを操作することにより、マニピュレー
タを動作させる場合に、マニピュレータの手術器械の挿
入部が、挿入孔に対して無理な力が働かないように、3
次元位置センサにより決定される位置および姿勢をマニ
ピュレータの位置および姿勢を対応させるように構成し
たものである。
10 and 11 show a third embodiment. The same components as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals and their description will be omitted. In this embodiment, in a surgical manipulator that inserts a surgical instrument into a body cavity and observes and / or treats the inside of the body, the manipulator is operated by operating a three-dimensional position sensor attached to a part of the operator's body. When doing so, make sure that the insertion part of the surgical instrument of the manipulator does not exert excessive force on the insertion hole.
The position and orientation determined by the dimensional position sensor correspond to the position and orientation of the manipulator.

【0054】すなわち、本手術用マニピュレータは、ス
レーブマニピュレータ61は、先端部を体腔c内に挿入
する挿入部62aを有する3次元(立体)スコープ62
を備えている。一方、操作手段としては、術者の頭部に
取り付けられたHMD63には3次元位置センサ64の
検出部65および発信部66があり、発信部66に対す
る検出部65の3次元的位置関係が求められる。
That is, in the present manipulator, the slave manipulator 61 has a three-dimensional (three-dimensional) scope 62 having an insertion portion 62a for inserting the distal end portion into the body cavity c.
It has. On the other hand, as the operating means, the HMD 63 attached to the operator's head has the detection unit 65 and the transmission unit 66 of the three-dimensional position sensor 64, and the three-dimensional positional relationship of the detection unit 65 with respect to the transmission unit 66 is obtained. To be

【0055】スレーブマニピュレータ61および3次元
位置センサ64は、制御装置21に接続されており、3
次元位置センサ64により決定される位置および姿勢が
スレーブマニピュレータ61の位置および姿勢に対応す
るよう動作させることができる。
The slave manipulator 61 and the three-dimensional position sensor 64 are connected to the control device 21, and
The position and orientation determined by the dimensional position sensor 64 can be operated so as to correspond to the position and orientation of the slave manipulator 61.

【0056】なお、スレーブマニピュレータ61の軸に
は、アクチュエータ(図示しない)とその回転位置を検
出するエンコーダ18および減速機(図示しない)が設
けてある。また、3次元位置センサ64は3つの直交す
る電磁コイルからなり、双方の相互インダクタンスの変
化量より、3つの位置ベクトルと3つのオリエンテーシ
ョンを検出する方式を実施例で示しているが、術者の身
体の一部に取り付けることが可能であり、3次元的な位
置情報を検出できるものであれば、他の方式、例えば、
超音波や光、ジャイロや加速度センサでも構わない。さ
らに、術者の視線の動きを検出する視線検知センサをH
MD63内に搭載することも可能である。
The shaft of the slave manipulator 61 is provided with an actuator (not shown), an encoder 18 for detecting the rotational position of the actuator, and a speed reducer (not shown). Further, the three-dimensional position sensor 64 is composed of three orthogonal electromagnetic coils, and a method of detecting three position vectors and three orientations from the amount of change in mutual inductance of both is shown in the embodiment. As long as it can be attached to a part of the body and can detect three-dimensional position information, another method, for example,
An ultrasonic wave, light, gyro or acceleration sensor may be used. Furthermore, a visual axis detection sensor for detecting the movement of the operator's visual axis is set to H.
It is also possible to mount it in the MD63.

【0057】なお、図10においては、3次元(立体)
スコープからなる内視鏡だけの挿入部を示しているが、
処置具だけ、あるいは、内視鏡と処置具が一体となった
構成でも構わない。また、内視鏡としては、先端部に湾
曲機構を有する実施例を示しているが、硬性鏡でも構わ
ない。さらに、本実施例の手術用マニピュレータの動作
を制御するシステムの構造は、第1の実施例の図2に示
す通りであり、説明を省略する。
In FIG. 10, three-dimensional (three-dimensional)
It shows the insertion part of the endoscope consisting of the scope,
Only the treatment tool or a configuration in which the endoscope and the treatment tool are integrated may be used. Further, as the endoscope, the embodiment in which the distal end portion has the bending mechanism is shown, but a rigid endoscope may be used. Further, the structure of the system for controlling the operation of the surgical manipulator of the present embodiment is as shown in FIG. 2 of the first embodiment, and the explanation is omitted.

【0058】次に、第3の実施例の作用について説明す
る。図11(b)に示すように、術者の頭を図中矢印の
ように移動させた時の移動ベクトルを同次座標変換行列
Aとする。3次元位置センサ64からは、頭の空間位置
X,Y,Zと傾きであるオイラー角(ロール,ピッチ,
ヨー角)の情報が制御装置に送られる。このことから、
容易に同次座標変換行列Aの位置・姿勢の各成分は容易
に求まる。
Next, the operation of the third embodiment will be described. As shown in FIG. 11B, a movement vector when the operator's head is moved as shown by an arrow in the figure is a homogeneous coordinate transformation matrix A. From the three-dimensional position sensor 64, the spatial positions X, Y and Z of the head and the Euler angles (roll, pitch,
Information of yaw angle) is sent to the control device. From this,
Each position / orientation component of the homogeneous coordinate transformation matrix A can be easily obtained.

【0059】制御装置21は、術者の所望位置への移動
同次座標変換行列Aと同一になるように、図11(a)
に示した同次座標変換行列A′(図11(a)中のTC
Ps31からTCPs33を結んだベクトル)の算出を
行う。同時に、TCPs31とポイントロック位置34
とを結んだ線分をO軸と定義し、ポイントロック位置3
4とTCPs33との結んだ線分をP軸と定義する。ま
た、O軸とP軸とをなす角α、前記O軸とP軸の2直線
が作る平面に垂直なベクトルQの算出を行う。
The control device 21 is arranged so that it becomes the same as the movement homogeneous coordinate transformation matrix A to the operator's desired position, as shown in FIG.
Homogeneous coordinate transformation matrix A '(TC in FIG. 11A)
A vector obtained by connecting Ps31 to TCPs33) is calculated. At the same time, TCPs 31 and point lock position 34
The line segment connecting and is defined as the O axis, and the point lock position 3
The line segment connecting 4 and TCPs 33 is defined as the P axis. Further, the angle α forming the O axis and the P axis and the vector Q perpendicular to the plane formed by the two straight lines of the O axis and the P axis are calculated.

【0060】前記ベクトルAの算出が終了したら、3次
元スコープ62の先端部をTCPs33へ移動させると
同時に、前記求めたO軸とP軸とのなす角α分だけQベ
クトル回りに回転させながら移動させる。
When the calculation of the vector A is completed, the tip portion of the three-dimensional scope 62 is moved to the TCPs 33, and at the same time, it is moved while being rotated around the Q vector by the angle α between the obtained O axis and P axis. Let

【0061】以上の動作を制御装置21内において、一
定時間毎に計算を行っている。この計算の繰り返しによ
って、実時間でのポイントロック動作付きマスタースレ
ーブモードが実現される。ここで、第1の実施例と同様
に、3次元スコープ62を挿入孔bに挿入あるいは抜去
するときには、第1の実施例で示した不感帯を設けてス
ムーズな動作を行わせるようにしている。
The above operation is calculated in the control device 21 at regular intervals. By repeating this calculation, the master-slave mode with a point lock operation in real time is realized. Here, similarly to the first embodiment, when the three-dimensional scope 62 is inserted into or removed from the insertion hole b, the dead zone shown in the first embodiment is provided so that the smooth operation is performed.

【0062】したがって、3次元位置センサ64の操作
により決定される位置および姿勢が、スレーブマニピュ
レータ61の3次元スコープ62の挿入孔bを通る拘束
条件を満たさない場合においても、この拘束条件を満た
すよう動作させることができ、ひいては3次元スコープ
62の挿入部62aが挿入孔bに対し無理な力を作用さ
せることがない。
Therefore, even if the position and orientation determined by the operation of the three-dimensional position sensor 64 do not satisfy the constraint condition of passing through the insertion hole b of the three-dimensional scope 62 of the slave manipulator 61, this constraint condition is satisfied. Therefore, the insertion portion 62a of the three-dimensional scope 62 does not exert an unreasonable force on the insertion hole b.

【0063】また、術者は、3次元位置センサ64を手
で持って操作を行うと、これに追従してスレーブマニピ
ュレータ61が動作し、体腔b内に挿入された3次元ス
コープ62を操作することができ、また術者の頭部にH
MD63および3次元位置センサ64を設けた場合は、
術者が頭部を動かすと、3次元位置センサ64の動きに
追従して、スレーブマニピュレータ61に固定された3
次元スコープ62が術野の画像をHMD63に表示し、
術者はHMD63に表示された画像を観察しながら3次
元スコープ62で処置ができる。したがって、体腔c内
に居るような臨場感の中で処置が可能となるため開腹術
の感覚で内視鏡下手術が可能となる。
When the operator holds the three-dimensional position sensor 64 by hand and operates the slave manipulator 61, the slave manipulator 61 operates to operate the three-dimensional scope 62 inserted into the body cavity b. It is also possible to use H on the operator's head.
When the MD 63 and the three-dimensional position sensor 64 are provided,
When the surgeon moves his / her head, the movement of the three-dimensional position sensor 64 is followed and the 3
The dimensional scope 62 displays the image of the surgical field on the HMD 63,
The operator can treat with the three-dimensional scope 62 while observing the image displayed on the HMD 63. Therefore, since the treatment can be performed in the presence of being in the body cavity c, endoscopic surgery can be performed with the sensation of laparotomy.

【0064】図12〜図14は第4の実施例を示し、第
1の実施例と同一構成部分は同一番号を付して説明を省
略する。本実施例は、手術器械を体腔内に挿入し、体内
の観察およびまたは処置を行う手術用マニピュレータに
おいて、スレーブマニピュレータに取り付けた力覚セン
サを操作することにより、スレーブマニピュレータを動
作させる場合に、スレーブマニピュレータの手術器械の
挿入部が、観察および処置を行う対象部位に対し、挿入
部を真っ直ぐ挿入するように、力覚センサにより決定さ
れる位置および姿勢をスレーブマニピュレータの位置お
よび姿勢を対応させるように構成したものである。
12 to 14 show a fourth embodiment, and the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. This embodiment is a surgical manipulator in which a surgical instrument is inserted into a body cavity to observe and / or treat the inside of the body, and a slave manipulator is operated by operating a force sensor attached to the slave manipulator. The insertion part of the surgical instrument of the manipulator is made to correspond to the position and attitude of the slave manipulator with the position and attitude determined by the force sensor so that the insertion part is inserted straight to the target site to be observed and treated. It is composed.

【0065】この手術用マニピュレータにおいて、スレ
ーブマニピュレータ71は、その先端部を患者の頭部d
内に挿入する挿入部72aを有した手術器械72と、こ
の手術器械72を支持するための直動および回転の自由
度を有する複数の軸を有するロボット73から構成され
ている。挿入部72aの先端部には、3次元(立体)ス
コープ74と、一対の処置具75,76とを備えてい
る。3次元(立体)スコープ74の先端部および一対の
処置具75,76は、それぞれ多自由度にて湾曲可能と
なっている。また、術者の頭部には、HMD77と3次
元位置センサ78が設けられている。
In this surgical manipulator, the slave manipulator 71 has its tip portion d at the patient's head.
It is composed of a surgical instrument 72 having an insertion portion 72a to be inserted therein, and a robot 73 having a plurality of axes having linear and rotational degrees of freedom for supporting the surgical instrument 72. A three-dimensional (three-dimensional) scope 74 and a pair of treatment tools 75 and 76 are provided at the tip of the insertion portion 72a. The tip portion of the three-dimensional (three-dimensional) scope 74 and the pair of treatment tools 75 and 76 can be curved with multiple degrees of freedom. Further, an HMD 77 and a three-dimensional position sensor 78 are provided on the operator's head.

【0066】一方、操作手順としては、スレーブマニピ
ュレータ71に設けられた力覚センサ79a,79bが
設けられている。スレーブマニピュレータ71、3次元
位置センサ78および力覚センサ79a,79bは、制
御装置21に接続されており、力覚センサ79a,79
bにより決定される位置および姿勢がスレーブマニピュ
レータ71の位置および姿勢に対応するよう動作し、3
次元位置センサ78により決定される位置および姿勢が
3次元(立体)スコープ74の湾曲角に対応するよう動
作させる。
On the other hand, as an operation procedure, force sensors 79a and 79b provided on the slave manipulator 71 are provided. The slave manipulator 71, the three-dimensional position sensor 78, and the force sensors 79a and 79b are connected to the control device 21, and the force sensors 79a and 79b.
The position and orientation determined by b correspond to the position and orientation of the slave manipulator 71.
The position and orientation determined by the three-dimensional position sensor 78 are operated so as to correspond to the bending angle of the three-dimensional (three-dimensional) scope 74.

【0067】また、一対の処置具75,76は、操作部
80a,80b,80c,80dにより機械的に操作さ
れる。また、力覚センサ79aは力の3つの方向ベクト
ルを、力覚センサ79bは力の2つの方向ベクトルと1
つの回転を検出できるように、内部に歪みゲージが搭載
されている。
The pair of treatment instruments 75 and 76 are mechanically operated by the operating portions 80a, 80b, 80c and 80d. Further, the force sensor 79a outputs three direction vectors of force, and the force sensor 79b outputs two direction vectors of force.
A strain gauge is installed inside so that one rotation can be detected.

【0068】なお、図12においては、3次元(立体)
スコープとしての内視鏡と処置具を一体とする挿入部を
示しているが、内視鏡だけ、あるいは、処置具だけの構
成でも構わない。また、内視鏡としては、先端部に湾曲
機構を有する実施例を示しているが、硬性鏡でも構わな
い。また、本実施例の手術用マニピュレータの動作を制
御するシステムの構造は、第1の実施例の図2に示した
ものと同一であり、説明を省略する。
In FIG. 12, three-dimensional (three-dimensional)
Although the insertion portion in which the endoscope as the scope and the treatment tool are integrated is shown, the configuration may be made with only the endoscope or only the treatment tool. Further, as the endoscope, the embodiment in which the distal end portion has the bending mechanism is shown, but a rigid endoscope may be used. Further, the structure of the system for controlling the operation of the surgical manipulator of the present embodiment is the same as that shown in FIG. 2 of the first embodiment, and the explanation thereof will be omitted.

【0069】次に、本実施例の作用について説明する。
脳外分野でのポイントロック位置は、患者頭部d内に位
置する部分であるため、例えば、予めCT等の画像観察
装置によって、目的部位の位置を認識しておく必要があ
る。この目的部位の位置を知るためには、例えば、制御
装置21の標準入力装置から位置情報を入力したりする
ことによって、制御装置21側で目的部位(ポイントロ
ック位置)とスレーブスレーブマニピュレータ71との
位置関係を認識させることも可能である。
Next, the operation of this embodiment will be described.
Since the point lock position in the field outside the brain is a part located inside the patient's head d, it is necessary to recognize the position of the target site in advance by an image observation device such as CT. In order to know the position of the target part, for example, by inputting position information from the standard input device of the control device 21, the target part (point lock position) and the slave slave manipulator 71 are connected on the control device 21 side. It is also possible to recognize the positional relationship.

【0070】次に、具体的な動作について説明すると、
図13(a)で示したように、手術器械72をS1の状
態から水平方向(矢印方向)に移動させるために、スレ
ーブマニピュレータ71のA3軸を伸長するように操作
(力覚センサ79aをB3方向に押す)したとする。ポ
イントロックモードでない時には、図13(a)の点線
で示されたように手術器械72の先端が移動するが、ポ
イントロックモードの時には、ポイントロック位置Aと
手術器械72の長軸とが一致するように動作するため、
図13(a)に示されているS1の状態からS2の状態
に移動する。
Next, the specific operation will be described.
As shown in FIG. 13A, in order to move the surgical instrument 72 in the horizontal direction (arrow direction) from the state of S1, the slave manipulator 71 is operated so as to extend the A3 axis (the force sensor 79a is set to B3). Push in the direction). When not in the point lock mode, the tip of the surgical instrument 72 moves as shown by the dotted line in FIG. 13A, but in the point lock mode, the point lock position A and the long axis of the surgical instrument 72 coincide. Because it works like
The state moves from the state S1 shown in FIG. 13A to the state S2.

【0071】手術器械72を図13(b)に示すように
S3の状態から垂直方向(矢印方向)に移動させるため
に、図12に示すように、スレーブマニピュレータ71
のA2軸を短縮するように操作(力覚センサ79a−B
2方向に押す)したとする。ポイントロックモードでな
い場合には、手術器械72は図13(b)の点線で示す
部分に移動するが、ポイントロックモード時には、図1
3(b)S4の状態に移動する。
In order to move the surgical instrument 72 in the vertical direction (the direction of the arrow) from the state of S3 as shown in FIG. 13B, the slave manipulator 71 as shown in FIG.
Operation to shorten A2 axis of force sensor (force sensor 79a-B
Push in two directions). When not in the point lock mode, the surgical instrument 72 moves to the part shown by the dotted line in FIG.
3 (b) Move to the state of S4.

【0072】また、水平・垂直についての移動方法を示
したが、スレーブマニピュレータ71は、回転を行わせ
ることも可能であり、それについては、図13(c)に
示したS3の状態からスレーブマニピュレータ71のA
5軸が回転するように力覚センサ79bのB5を操作す
る。ポイントロックモードでない時は、図13(c)の
S5の状態から点線で示す部分に手術器械72が移動す
るが、ポイントロックモードの時は、ポイントロック拘
束条件を満たすために、姿勢をS6に移動させる。
Further, although the horizontal / vertical movement method has been described, the slave manipulator 71 can also rotate, and the slave manipulator 71 can be rotated from the state of S3 shown in FIG. 13C. 71 A
B5 of the force sensor 79b is operated so that the five axes rotate. When not in the point lock mode, the surgical instrument 72 moves from the state of S5 in FIG. 13 (c) to the portion indicated by the dotted line, but in the point lock mode, the posture is changed to S6 in order to satisfy the point lock constraint condition. To move.

【0073】以上脳外分野で使用される手術器械72を
スレーブマニピュレータ71に取り付けた時の、スレー
ブマニピュレータ71の操作方法を説明したが、脳外分
野で使用する場合、ポイントロック位置というのは、患
者頭部d内にある。
The operation method of the slave manipulator 71 when the surgical instrument 72 used in the extracranial field is attached to the slave manipulator 71 has been described above. It is in the patient's head d.

【0074】したがって、第1の実施例で示したよう
に、ポイントロック位置を通過するということは実際に
は無いが、もし、ポイントロック位置と手術器械72の
先端部の位置が一致した場合、第1の実施例で示したよ
うに、特異点が生じるようになるため、本実施例でも制
御装置21側で第1の実施例で示した不感帯の処理を行
い、姿勢を決定できなくなった場合、不感帯に入る直前
の姿勢に決定する処理を制御装置21側で行わせてい
る。
Therefore, as shown in the first embodiment, it does not actually pass through the point lock position. However, if the point lock position and the position of the distal end portion of the surgical instrument 72 match, As shown in the first embodiment, a singular point is generated. Therefore, in this embodiment as well, when the control device 21 performs the dead zone processing shown in the first embodiment and the posture cannot be determined. The processing for determining the posture immediately before entering the dead zone is performed on the control device 21 side.

【0075】前述した一連の作業を図14に示す。図1
4により、術者はダイレクトムーブの操作を行う。操作
後は、力覚センサによって、ダイレクトムーブの先端に
おける位置および回転を動作指令として制御装置に入力
される。ダイレクトムーブの位置および回転情報が入力
されると、ダイレクトムーブより求めた位置・姿勢情報
をスレーブマニピュレータの手術器械の位置または姿勢
に座標変換する。
FIG. 14 shows the series of operations described above. FIG.
4, the operator operates the direct move. After the operation, the force sensor inputs the position and rotation at the tip of the direct move as operation commands to the control device. When the position and rotation information of the direct move is input, the position / orientation information obtained by the direct move is coordinate-converted into the position or attitude of the surgical instrument of the slave manipulator.

【0076】座標変換された後、手術器械の操作対象部
位の位置が、処置または観察対象とする部位の位置に対
して近傍にあるか否かを判断し、対象部位近傍にある場
合には、挿入部の長軸の傾きの値として、手術器械の操
作対象部位の位置が、処置または観察を対象とする部位
の位置に対して近傍の距離に入る直前の値を用い、さら
に、挿入部の長軸まわりの回転が、スレーブマニピュレ
ータの回転の指令に一致するように動作させる。
After coordinate conversion, it is judged whether or not the position of the operation target site of the surgical instrument is near the position of the site to be treated or observed, and if it is near the target site, As the value of the inclination of the long axis of the insertion part, the value immediately before the position of the operation target part of the surgical instrument enters a distance close to the position of the part targeted for treatment or observation is used. The rotation about the long axis is operated so as to match the rotation command of the slave manipulator.

【0077】もし、手術器械の操作対象部の位置がマス
タースレーブマニピュレータにより決定された指令位置
に一致するように、挿入部の長軸まわりの回転がスレー
ブマニピュレータの回転の指令に一致するように動作さ
せる。
If the position of the operation target part of the surgical instrument matches the command position determined by the master-slave manipulator, the rotation of the insertion part around the long axis matches the command of the slave manipulator rotation. Let

【0078】したがって、力覚センサの操作により決定
される位置および姿勢が、スレーブマニピュレータの手
術器械の挿入部が、観察および処置を行う対象部位に対
し、挿入部を真っ直ぐ挿入する拘束条件を満たさない場
合においても、この拘束条件を満たすよう動作させるこ
とができる。
Therefore, the position and posture determined by the operation of the force sensor do not satisfy the constraint condition that the insertion portion of the surgical instrument of the slave manipulator inserts the insertion portion straight into the target site to be observed and treated. Even in the case, it is possible to operate so as to satisfy the constraint condition.

【0079】また、術者は、力覚センサの操作を行う
と、これに追従してスレーブマニピュレータが動作し、
体腔内に挿入された手術器械をスムーズに操作すること
ができる。
When the operator operates the force sensor, the slave manipulator operates following the operation of the force sensor,
The surgical instrument inserted in the body cavity can be smoothly operated.

【0080】また、術者は、また術者の頭部にHMDお
よび3次元位置センサを設けているので、術者が頭部を
動かすと、3次元位置センサの動きに追従して、3次元
スコープの湾曲部が動作するため、術者はHMDに表示
された画像を観察しながら手術器械で処置ができる。し
たがって、体腔内に居るような臨場感の中で処置が可能
となるため開腹術の感覚で内視鏡下手術が可能となる。
Further, since the operator also has the HMD and the three-dimensional position sensor on the operator's head, when the operator moves the head, the operator follows the movement of the three-dimensional position sensor and the three-dimensional position sensor moves. Since the bending portion of the scope operates, the operator can perform treatment with the surgical instrument while observing the image displayed on the HMD. Therefore, since the treatment can be performed in the presence of being in a body cavity, endoscopic surgery can be performed with the sensation of laparotomy.

【0081】図15は第5の実施例を示し、第1の実施
例と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。
本実施例は、手術器械を体腔内に挿入し、体内の観察お
よびまたは処置を行う手術用マニピュレータにおいて、
マスータマニピュレータを操作することにより、スレー
ブマニピュレータを動作させる場合に、スレーブマニピ
ュレータの手術器械の挿入部を、挿入孔に対して無理な
力が働かないように、挿入するために手術器械を動作さ
せるように構成したものである。
FIG. 15 shows the fifth embodiment, and the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
This embodiment is a surgical manipulator for inserting a surgical instrument into a body cavity and observing and / or treating the inside of the body,
When operating the slave manipulator by operating the mastata manipulator, operate the surgical instrument to insert the insertion portion of the operation device of the slave manipulator so as not to apply excessive force to the insertion hole. It is configured as follows.

【0082】第4の実施例で示したように、体腔内、例
えば患者頭部dの脳内への位置決めを行う際に、ポイン
トロックを行って挿入していくが、この際に手術器械と
しての処置具81の先端TCPの姿勢がポイントロック
軸上と同じでないと挿入できない。この事を解決するた
めに、本実施例では、処置具81の先端TCPの姿勢変
換について示す。
As shown in the fourth embodiment, when positioning is performed in the body cavity, for example, in the brain of the patient's head d, a point lock is performed for insertion. At this time, a surgical instrument is used. If the posture of the tip TCP of the treatment instrument 81 is not the same as that on the point lock axis, the insertion is not possible. In order to solve this, in this embodiment, the posture change of the distal end TCP of the treatment instrument 81 will be described.

【0083】図15(a)は現在の処置具81の先端T
CPと患者頭部dとの位置関係を示す。このまま、処置
具81を患者頭部dに挿入しようとすると、図15
(b)のように患者頭部dに接触して危険である。
FIG. 15A shows the tip T of the current treatment instrument 81.
The positional relationship between CP and the patient's head d is shown. When attempting to insert the treatment tool 81 into the patient's head d as it is, FIG.
It is dangerous to contact the patient's head d as shown in (b).

【0084】そこで、患者頭部d内の所望の位置と処置
具Z軸とが同一になるように姿勢変換させる。制御装置
21側での処理としては、所望位置と現在の処置具81
の先端TCPの位置とを結ぶ線分Rを引く。次に、線分
Rの空間上の姿勢を求め、現在位置での処置具81の先
端TCPの姿勢を求める。
Therefore, the posture is changed so that the desired position in the patient's head d and the Z axis of the treatment tool are the same. As processing on the control device 21 side, the desired position and the current treatment tool 81
Draw a line segment R that connects the position of the tip TCP of. Next, the posture of the line segment R in space is obtained, and the posture of the distal end TCP of the treatment instrument 81 at the current position is obtained.

【0085】前記処理が終わったら、処置具81の先端
TCPの位置をそのまま保持しながら線分Rの姿勢と処
置具81との姿勢が同一になるようにスレーブマニピュ
レータ71を動作させる。具体的には、制御装置21側
で処置具81の姿勢の値と線分Rの姿勢の値との差がゼ
ロになるように動作させる。これによって、図15
(c)に示すように、処置具81の挿入のための姿勢変
換がなされ、姿勢変換後ポイントロックを行いながら処
置具81を患者頭部dに挿入していく。
After the above processing is finished, the slave manipulator 71 is operated so that the posture of the line segment R and the posture of the treatment instrument 81 are the same while keeping the position of the tip TCP of the treatment instrument 81 as it is. Specifically, the control device 21 is operated so that the difference between the posture value of the treatment instrument 81 and the posture value of the line segment R becomes zero. As a result, FIG.
As shown in (c), the posture is changed for inserting the treatment instrument 81, and the treatment instrument 81 is inserted into the patient's head d while performing point locking after the posture conversion.

【0086】したがって、スレーブマニピュレータ71
に設けた処置具81の長軸が頭部dの挿入孔に向かって
いない場合においても、長軸の延長線上に挿入孔がくる
ように動作させることができ、ひいては処置具81の挿
入が容易となる。
Therefore, the slave manipulator 71
Even when the major axis of the treatment instrument 81 provided in the above does not face the insertion hole of the head portion d, the insertion hole can be operated so as to be on the extension line of the major axis, and the treatment instrument 81 can be easily inserted. Becomes

【0087】また、術者は、マスターマニピュレータの
操作を行うと、これに追従してスレーブマニピュレータ
71が動作し、体腔内に挿入された処置具81を操作す
ることができ、また術者の頭部dにHMD77およびH
MD77の回転軸のエンコーダ20が設けてあるため、
術者が頭部を動かすと、エンコーダ20の動きに追従し
て、スレーブマニピュレータ71に固定された3次元
(立体)スコープ74が術野の画像をHMD77に表示
し、術者はHMD77に表示された画像を観察しながら
処置具81で処置ができる。したがって、体腔内に居る
ような臨場感の中で処置が可能となるため開腹術の感覚
で内視鏡下手術が可能となる。
When the operator operates the master manipulator, the slave manipulator 71 operates following the operation of the master manipulator to operate the treatment instrument 81 inserted into the body cavity, and also the head of the operator. HMD77 and H in part d
Since the rotary shaft encoder 20 of the MD77 is provided,
When the operator moves the head, the three-dimensional (stereoscopic) scope 74 fixed to the slave manipulator 71 follows the movement of the encoder 20 to display an image of the operative field on the HMD 77, and the operator is displayed on the HMD 77. Treatment can be performed with the treatment tool 81 while observing the image. Therefore, since the treatment can be performed in the presence of being in a body cavity, endoscopic surgery can be performed with the sensation of laparotomy.

【0088】図16は第6の実施例を示し、第1の実施
例と同一構成部分および作用については説明を省略す
る。図16に基づき一連の動作を説明すると、操作手段
の操作を行い、操作手段より位置および姿勢情報を制御
手段に入力する。操作手段より求めた位置および姿勢情
報を、スレーブマニピュレータの手術器械の位置または
姿勢に座標変換する。前記座標変換より求めた位置およ
び姿勢と拘束条件とを比較し、手術器械の位置または姿
勢を、操作手段の動作に一致するように動作させる。
FIG. 16 shows a sixth embodiment, and the description of the same components and operations as those of the first embodiment will be omitted. Explaining a series of operations based on FIG. 16, the operation means is operated, and the position and orientation information is input to the control means from the operation means. The position and orientation information obtained from the operating means is coordinate-converted into the position or orientation of the surgical instrument of the slave manipulator. The position and orientation obtained by the coordinate conversion is compared with the constraint condition, and the position or orientation of the surgical instrument is operated so as to match the operation of the operating means.

【0089】図17は第7の実施例を示し、第1の実施
例と同一構成部分および作用については説明を省略す
る。図17に基づき一連の動作を説明すると、ダイレク
トムーブにより、スレーブマニピュレータの先端の手術
器械の挿入部を挿入孔の位置に一致させることにより、
挿入孔の位置が認識され、制御装置に挿入孔の位置が記
憶される。次に、長軸すなわち挿入部が挿入孔に入るよ
うに挿入部の姿勢変換を行う。その後、術者は、マスタ
ーマニピュレータの操作を行い、マスターマニピュレー
タの先端における位置および回転を動作指令として制御
装置に入力される。
FIG. 17 shows a seventh embodiment, and the description of the same components and operations as those of the first embodiment will be omitted. A series of operations will be described with reference to FIG. 17. By direct insertion, the insertion portion of the surgical instrument at the tip of the slave manipulator is aligned with the position of the insertion hole.
The position of the insertion hole is recognized, and the position of the insertion hole is stored in the control device. Next, the posture of the insertion portion is changed so that the long axis, that is, the insertion portion enters the insertion hole. After that, the operator operates the master manipulator, and the position and rotation at the tip of the master manipulator are input to the control device as operation commands.

【0090】マスターマニピュレータにより求めた位置
・姿勢情報を、スレーブマニピュレータの手術器械の位
置または姿勢に座標変換する。そこで、手術器械対象部
の位置が挿入孔の近傍にあるかどうかの拘束条件との比
較を行い、その結果に応じて以下の2つの動作モードが
選択される。拘束条件に一致する場合は、挿入部の傾き
の値として、手術器械の操作対象部の位置が、挿入孔の
近傍に入る直前の値を用い、さらに、挿入部の長軸まわ
りの回転が、スレーブマニピュレータの回転の指令に一
致するように動作させる。一方、拘束条件に一致しない
場合には、挿入部の挿入位置を通り、手術器械の操作対
象部の位置が、マスターマニピュレータにより決定され
た指令位置に一致するようにし、さらに挿入部の長軸ま
わりの回転が、マスターマニピュレータの回転の指令に
一致するように動作させる。
The position / orientation information obtained by the master manipulator is coordinate-converted into the position or attitude of the surgical instrument of the slave manipulator. Therefore, a comparison is made with a constraint condition regarding whether or not the position of the surgical instrument target portion is near the insertion hole, and the following two operation modes are selected according to the result. If the constraint conditions are met, the value of the inclination of the insertion part immediately before the position of the operation target part of the surgical instrument enters the vicinity of the insertion hole is used, and the rotation of the insertion part about the long axis is The slave manipulator is operated so as to match the rotation command. On the other hand, if the constraint conditions are not met, the position of the operation target part of the surgical instrument passes through the insertion position of the insertion part so that it coincides with the command position determined by the master manipulator. The rotation of is operated so as to match the rotation command of the master manipulator.

【0091】以上述べた実施態様によれば、次の構成が
得られる。 (付記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、このマ
ニピュレータにより保持された手術器械と、この手術器
械の位置または姿勢が、術野に対し拘束されるよう前記
マニピュレータを動かす制御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。 (付記2)操作手段は、マスターマニピュレータである
ことを特徴とする付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記3)操作手段は、力覚センサであることを特徴と
する付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記4)操作手段は、位置センサであることを特徴と
する付記1記載の手術用マニピュレータ。 (ふき5)位置センサは、3次元位置センサであること
を特徴とする付記4記載 の手術用マニピュレータ。 (付記6)手術器械は、内視鏡であることを特徴とする
付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記7)内視鏡は、3次元(立体)スコープであるこ
とを特徴とする付記6記載の手術用マニピュレータ。 (付記8)手術器械は、湾曲付き内視鏡であることを特
徴とする付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記9)手術器械は、処置具であることを特徴とする
付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記10)手術器械は、湾曲付き処置具であることを
特徴とする付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記11)手術器械は、内視鏡と処置具が一体となっ
ていることを特徴とする付記1記載の手術用マニピュレ
ータ。 (付記12)拘束条件は、手術器械の体腔内への挿入孔
位置であることを特徴とする付記1記載の手術用マニピ
ュレータ。 (付記13)拘束条件は、処置または観察を対象とする
部位の位置であることを特徴とする付記1記載の手術用
マニピュレータ。 (付記14)操作手段は、拘束条件が満た無い位置およ
び姿勢にある状態から拘束条件を満たす位置および姿勢
になるようにスレーブマニピュレータを動作させること
を特徴とする付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記15)操作手段の拘束条件は、挿入部が挿入孔位
置を通り、手術器械の操作対象部の位置が、操作手段に
より決定された指令位置となり、さらに、挿入部の長軸
まわり回転が、操作手段の回転の指令に一致するように
したことを特徴とする付記1記載の手術用マニピュレー
タ。 (付記16)操作手段の拘束条件は、挿入部が挿入孔位
置を通り、手術器械の操作対象部の位置が操作手段によ
り決定された指令位置となり、さらに、挿入部の長軸ま
わりの回転が操作手段の回転の指令に一致するように制
御した場合において、手術器械の操作対象部の位置が、
挿入孔位置に対して所定の距離に入るときに、長軸の傾
きがその前の値を取るようにする制御することを特徴と
する付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記17)操作手段の拘束条件は、手術器械の操作対
象部の位置が、操作手段により決定された指令位置とな
り、挿入部の長軸が、処置または観察を対象とする部位
を通り、さらに、挿入部の長軸まわりの回転が、操作手
段の回転の指令に一致するようにしたことを特徴とする
付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記18)操作手段の拘束条件は、手術器械の操作対
象部の位置が、操作手段により決定された指令位置とな
り、挿入部の長軸が、処置または観察を対象とする部位
を通り、さらに、挿入部の長軸まわりの回転が、操作手
段の回転の指令に一致するように制御した場合におい
て、手術器械の操作対象部の位置が、処置または観察を
対象とする部位の位置に対して所定の距離に入るとき
に、長軸の傾きがその前の値を取るようにすることを特
徴とする付記1記載の手術用マニピュレータ。 (付記19)術者が操作できる領域内に設置された操作
手段により操作するステップと、術野にアクセスするよ
うに設置された前記操作手段の操作に追従してスレーブ
マニピュレータを動作させるステップと、スレーブマニ
ピュレータにより保持された手術器械の位置または姿勢
を、術野に対し拘束されるよう動作させるステップとを
有することを特徴とする手術用スレーブマニピュレー
タ。
According to the embodiment described above, the following constitution can be obtained. (Supplementary Note 1) Operating means installed in 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 surgical instrument held by this manipulator And a control means for moving the manipulator so that the position or posture of the surgical instrument is restrained with respect to the surgical field. (Supplementary Note 2) The operating manipulator according to Supplementary Note 1, wherein the operating means is a master manipulator. (Supplementary Note 3) The operating manipulator according to Supplementary Note 1, wherein the operating means is a force sensor. (Supplementary Note 4) The manipulator for surgery according to Supplementary Note 1, wherein the operating means is a position sensor. (Bath 5) The position manipulator is a three-dimensional position sensor, and the manipulator for surgery according to note 4. (Supplementary Note 6) The surgical manipulator according to Supplementary Note 1, wherein the surgical instrument is an endoscope. (Supplementary note 7) The surgical manipulator according to Supplementary note 6, wherein the endoscope is a three-dimensional (three-dimensional) scope. (Supplementary Note 8) The surgical manipulator according to Supplementary Note 1, wherein the surgical instrument is a curved endoscope. (Supplementary Note 9) The surgical manipulator according to Supplementary Note 1, wherein the surgical instrument is a treatment tool. (Supplementary note 10) The surgical manipulator according to Supplementary note 1, wherein the surgical instrument is a treatment instrument with a curve. (Supplementary Note 11) The surgical manipulator according to Supplementary Note 1, wherein the surgical instrument has an endoscope and a treatment tool integrated with each other. (Additional remark 12) The constraint condition is the position of the insertion hole into the body cavity of the surgical instrument. (Supplementary note 13) The manipulator for surgery according to Supplementary note 1, wherein the constraint condition is the position of a region targeted for treatment or observation. (Supplementary note 14) The surgical manipulator according to supplementary note 1, wherein the operating means operates the slave manipulator so that the slave manipulator moves from a state in which the constraint condition is not satisfied to a position and posture in which the constraint condition is satisfied. (Supplementary Note 15) The constraint condition of the operating means is that the insertion portion passes through the insertion hole position, the position of the operation target portion of the surgical instrument becomes the command position determined by the operation means, and the rotation of the insertion portion around the long axis is determined. The manipulator for surgery according to appendix 1, wherein the manipulator is adapted to match the rotation command of the operating means. (Supplementary Note 16) The constraint condition of the operating means is that the insertion portion passes through the insertion hole position, the position of the operation target portion of the surgical instrument becomes the command position determined by the operation means, and further, the rotation of the insertion portion about the long axis is When controlled to match the rotation command of the operating means, the position of the operation target part of the surgical instrument is
The manipulator for surgery according to appendix 1, wherein the inclination of the long axis is controlled so as to take the previous value when entering a predetermined distance with respect to the insertion hole position. (Supplementary Note 17) As a constraint condition of the operating means, the position of the operation target portion of the surgical instrument becomes a command position determined by the operating means, the long axis of the insertion portion passes through a portion targeted for treatment or observation, and further, The surgical manipulator according to appendix 1, wherein the rotation of the insertion section about the major axis matches the rotation command of the operating means. (Supplementary note 18) The constraint condition of the operation means is that the position of the operation target portion of the surgical instrument becomes the command position determined by the operation means, the long axis of the insertion portion passes through a portion targeted for treatment or observation, and , When the rotation of the insertion part around the major axis is controlled to match the rotation command of the operating means, the position of the operation target part of the surgical instrument is relative to the position of the site to be treated or observed. The manipulator for surgery according to appendix 1, wherein the inclination of the major axis takes a value before that when entering a predetermined distance. (Supplementary note 19) A step of operating with an operating means installed in an area that can be operated by an operator, and a step of operating the slave manipulator following the operation of the operating means installed to access the operative field, And a step of operating the position or posture of the surgical instrument held by the slave manipulator so as to be restrained with respect to the surgical field.

【0092】[0092]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、スレーブマニピュレータにより保持された手術器械
の挿入部を体腔内に挿入し、体腔内で観察および処置を
行う際に、手術器械の挿入部が挿入孔に対して無理な力
を与えることなく挿入でき、観察および処置を行う作業
の容易化を図ることができる。さらに、スレーブマニピ
ュレータにより保持された手術器械の挿入部を、体腔内
に挿入し、体腔内で観察および処置を行う際に、手術器
械の挿入部が観察および処置を行う対象部位に対し、真
っ直ぐ向け、さらに、真っ直ぐ挿入することもできると
いう効果がある。
As described above, according to the present invention, when the insertion portion of the surgical instrument held by the slave manipulator is inserted into the body cavity and the observation and treatment are performed in the body cavity, the insertion of the surgical instrument is performed. The portion can be inserted into the insertion hole without giving an excessive force, and the observation and treatment can be facilitated. Furthermore, when the insertion portion of the surgical instrument held by the slave manipulator is inserted into the body cavity and the observation and treatment are performed in the body cavity, the insertion portion of the surgical instrument is directed straight toward the target site to be observed and treated. Furthermore, there is an effect that it can be inserted straight.

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

【図1】この発明の第1の実施例を示す手術用マニピュ
レータの全体の構成図。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a surgical manipulator showing a first embodiment of the present invention.

【図2】同実施例の手術用マニピュレータの制御装置の
ブロック図。
FIG. 2 is a block diagram of a control device of the surgical manipulator of the same embodiment.

【図3】同実施例の手術用マニピュレータの概略的構成
図。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a surgical manipulator of the same embodiment.

【図4】同実施例の作用説明図。FIG. 4 is an operation explanatory view of the same embodiment.

【図5】同実施例のスレーブマニピュレータの側面図FIG. 5 is a side view of the slave manipulator of the same embodiment.

【図6】同実施例の作用を示すフローチャート図。FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the embodiment.

【図7】この発明の第2の実施例を示す手術用マニピュ
レータの斜視図。
FIG. 7 is a perspective view of a surgical manipulator showing a second embodiment of the present invention.

【図8】同実施例の作用説明図。FIG. 8 is an explanatory view of the operation of the same embodiment.

【図9】同実施例の作用を示すフローチャート図。FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the embodiment.

【図10】この発明の第3の実施例を示す手術用マニピ
ュレータの斜視図。
FIG. 10 is a perspective view of a surgical manipulator showing a third embodiment of the present invention.

【図11】同実施例の作用説明図。FIG. 11 is an operation explanatory view of the same embodiment.

【図12】この発明の第4の実施例を示す手術用マニピ
ュレータの斜視図。
FIG. 12 is a perspective view of a surgical manipulator showing a fourth embodiment of the present invention.

【図13】同実施例の作用説明図。FIG. 13 is an operation explanatory view of the same embodiment.

【図14】同実施例の作用を示すフローチャート図。FIG. 14 is a flowchart showing the operation of the embodiment.

【図15】この発明の第5の実施例を示す手術用マニピ
ュレータの作用説明図。
FIG. 15 is an operation explanatory view of the surgical manipulator showing the fifth embodiment of the invention.

【図16】この発明の第6の実施例を示すフローチャー
ト図。
FIG. 16 is a flowchart showing a sixth embodiment of the present invention.

【図17】この発明の第7の実施例を示すフローチャー
ト図。
FIG. 17 is a flowchart showing a seventh embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…スレーブマニピュレータ、2…挿入部、3…手術器
械、11…マスターマニピュレータ、21…制御装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Slave manipulator, 2 ... Insertion part, 3 ... Surgical instrument, 11 ... Master manipulator, 21 ... Control device.

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、こ
のマニピュレータにより保持された手術器械と、この手
術器械の位置または姿勢が術野に対して拘束されるよう
前記マニピュレータを動かす制御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。
1. An operating means installed in an area that can be operated by an operator, a manipulator installed to access the operative field and performing a movement following the operation of the operating means, and an operation held by this manipulator. A surgical manipulator comprising: an instrument; and a control means for moving the manipulator so that the position or posture of the surgical instrument is restrained with respect to the surgical field.
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