JPH08299364A - 手術用マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】手術用マニピュレータを小型化して作業の効率
を向上させ、しいては術時間の短縮化を実現する。 【構成】手術用マニピュレータシステムにおいて、多関
節手術用マニピュレータの各関節の絶対位置を検出する
アブソリュートエンコーダ５０ａ〜５０ｃと、このアブ
ソリュートエンコーダ５０ａ〜５０ｃの位置情報を離散
量から連続量に変換するＤＡコンバータ５１ａ〜５１ｃ
と、このＤＡコンバータ５１ａ〜５１ｃから出力される
各関節毎のアナログ情報を加算する加算部と、この加算
部から出力される加算されたアナログ情報を各関節毎の
位置情報に分離して各関節の位置情報を再検出するマイ
クロコンピュータ５７とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は手術用マニピュレータシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、医療施設の省人化が進められ、ロ
ボット等を使用して患者に対する処置が行われている。
例えば、外科手術の分野では、特願平４−１０９８０７
号公報に開示されているように、多自由度マニピュレー
タによって患者の人工股関節置換を精密に処置するとい
うものがある。また、内視鏡を使用するものとして、特
願平５−９０９８９号公報は患者体腔内の位置情報を正
確に検出する方法を開示している。

【０００３】特に、腹腔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う内視鏡外科
手術が近年盛んに行われている。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嚢摘出手術や肺
の一部を摘出除去する手術等で広く用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した手術が行われ
る手術室には種々の医療器具が配置されており、手術用
マニピュレータ等の大がかりな装置を設置した場合は医
者の操作する範囲が限られて操作効率が低下してしま
う。そこで、手術用マニピュレータを使用する場合は極
力スペースのとらない小型化されたものが望ましい。小
型化を行うための一つの手段として位置検出手段を小型
化することが考えられる。位置検出手段としてはエンコ
ーダが一般的に使用されているが小型化を考慮してイン
クリメンタルエンコーダが主として用いられていた。

【０００５】しかしながら、インクリメンタルエンコー
ダを用いた場合は、マニピュレータの現在位置を知るた
めに必要な原点復帰作業という特別の作業が必要にな
り、作業範囲を大きくとってしまうという問題があっ
た。

【０００６】本発明の手術用マニピュレータシステムは
このような課題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を小型化して
作業の効率を向上させ、しいては術時間の短縮化を実現
できる手術用マニピュレータシステムを提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、本発明の手術用マニピュレータシステム
は、生体内組織部位の観察と処置の少なくとも一方の器
具を保持する多関節手術用マニピュレータと、この多関
節手術用マニピュレータを操作するための操作手段と、
この操作手段からの操作情報に基づいて前記多関節手術
用マニピュレータの動作を制御する制御手段と、を有す
る手術用マニピュレータシステムにおいて、前記多関節
手術用マニピュレータの各関節の絶対位置を検出する絶
対位置検出手段と、この絶対位置検出手段の位置情報を
離散量から連続量に変換するアナログ量変換手段と、こ
のアナログ量変換手段から出力される各関節毎のアナロ
グ情報を統合するアナログ情報統合手段と、このアナロ
グ情報統合手段から出力される統合されたアナログ情報
を各関節毎の位置情報に分離して各関節の位置情報を再
検出する位置情報検出手段とを具備し、この位置情報検
出手段によって再検出された位置情報を前記制御手段に
出力するように構成する。

【０００８】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明の実施例を詳
細に説明する。図１は本発明の第１実施例に係る手術用
マニピュレータシステムの構成を示す図である。図１に
おいて、１は患者の観察・処置を行うための手術台であ
り、２は患者である。手術台１の両側にはベッドサイド
レール３が設けられている。このベッドサイドレール３
には、患者の体腔内で処置を行うための処置具４を位置
決めするための処置用アーム５と、観察用の内視鏡６を
位置決めするための観察用アーム７が着脱自在に取り付
けられている。なお、処置具４および内視鏡６は、患者
２の体壁に開けられた挿入孔２ａから体腔内に挿入され
る。

【０００９】処置用アーム５と処置具４との接続および
観察用アーム７と内視鏡６との接続は、複数の自由度を
有する関節部である関節機構１９によって行われてい
る。これは、患者が例えば術中に動いて挿入孔２ａの位
置がずれるようなことがあっても、挿入孔２ａに無理な
力が加わらない様にするためである。

【００１０】また、制御装置１１は後述するマニピュレ
ータの動作を制御する機能を実現するために、その内部
にマイクロコントローラ（図示しない）を内蔵してい
る。処置用アーム５および観察用アーム７は、上下動作
（図１中に示すａ方向）、旋回動作（図１中に示すｂ方
向）、伸縮動作（図１中に示すｃ方向）を機構的に行う
ことが可能な様に構成されている。この様な動きを実現
するために、アーム内にはアクチュエータ（図示しな
い）が配置されている。なお、このアクチュエータとし
ては、ロボットの位置決めに多く利用されているサーボ
モータを使用している。

【００１１】また、図２に示すように、処置用アーム５
の先端に取り付けられている処置具４の挿入部４ａ（図
２（ａ））と観察用アーム７の先端に取り付けられてい
る内視鏡６の挿入部６ａ（図２（ｂ））は、それぞれ、
その先端部がａ方向およびｂ方向に湾曲駆動できるよう
になっている。この様な湾曲駆動は、処置具４のサーボ
モータ収納部４ｂおよび内視鏡６のサーボモータ収納部
６ｂ内にそれぞれ設けられたサーボモータ（図示しな
い）を駆動させて挿入部４ａ内に挿通配置されたワイヤ
ー（図示しない）を牽引することによっておこなわれ
る。

【００１２】また、処置具４と内視鏡６は、図２中に示
すｃ方向に回転駆動できるようになっている。このよう
な回転駆動は、フリー関節アームジョイント部４ｃ，６
ｃ内に設けられたサーボモータ４ｄ，６ｄを駆動させて
図示しない回転機構を作動させることにより行われる。

【００１３】特に、処置具４の先端鉗子部４ｅには、こ
の鉗子部４ｅを開閉させる開閉機構が設けられており、
この開閉機構は、サーボモータ収納部４ｂ内に設けられ
たサーボモータ（図示しない）を駆動させて挿入部４ａ
内に挿通配置されたロッドもしくはワイヤ部材を押し引
き操作することにより作動される。

【００１４】ここで、上記した処置具４と処置用アーム
５とを組み合わせたものを処置用スレーブマニピュレー
タと称し、内視鏡６と観察用アーム７とを組み合わせた
ものを観察用スレーブマニピュレータと称することにす
る。

【００１５】この処置用スレーブマニピュレータに対す
る入力手段であるマスターアーム８と、観察用スレーブ
マニピュレータに対する入力手段であるヘッドマウント
ディスプレイ９（以下ＨＭＤということとする）とが図
１に示されている。本実施例では、入力手段であるマス
ターアーム８の動きが処置用スレーブマニピュレータに
伝達され得るモード、すなわち、処置用スレーブマニピ
ュレータがマスターアーム８の動きに追従するマスター
スレーブモードで患者に対する処置が行われる。

【００１６】マスターアーム８は複数のリンク機構で構
成されている。このリンク機構を構成する各リンクには
後述する位置検知用のエンコーダが設けられている。こ
のエンコーダによって各リンクの動作を検知すること
で、マスターアーム８の移動量を検知できる。

【００１７】また、操作者がマスターアーム８から手を
離した場合にマスターアーム８がその自重によって勝手
に動作しない様に、マスターアーム８の各アームリンク
には電磁クラッチ（図示しない）が取り付けられてい
る。つまり、マスターアーム８は、この電磁クラッチに
よって必要以外の時には動かないようにその動作が制限
される。

【００１８】また、マスタースレーブモードで実際に処
置用スレーブマニピュレータを動かす際、電磁クラッチ
は図示せぬフットスイッチを踏む動作によってその作動
が制御される。つまり、マスターアーム８の動作のロッ
クおよびこのロック状態の解除がフットスイッチによっ
て行えるようになっている。

【００１９】一方、他の入力手段であるＨＭＤ９は、内
視鏡６によって観察された映像を表示するディスプレイ
（図示しない）を備えている。このディスプレイは、Ｈ
ＭＤ９を術者の頭部に装着した際に、術者の目の位置に
セットされるように設けられている。また、ＨＭＤ９
は、術者の頭がどのように動いても、内視鏡６の先端で
とらえた映像を前記ディスプレイによって常時観察でき
るような構成になっている。このような構成のＨＭＤ９
によれば、従来のように処置中に術者が手術室に設置さ
れたＴＶモニターの方に視線を移すといった煩わしい動
作をおこなわなくて済むため、操作性が向上する。ま
た、患部から視線を外すことなく常に患者の映像を明確
に観察することができるため、安全な手術を行うことが
できる。

【００２０】術者の頭部の空間的な移動量は磁気センサ
ー１０によって検知される。磁気センサー１０は、一様
な磁場を発生する磁気センサーソース部１０ｂと、磁気
センサーセンス部１０ａとからなる。このうち磁気セン
サーセンス部１０ａはＨＭＤ９のほぼ中央に取り付けら
れている。

【００２１】術者の頭の動きは上記した磁気センサー１
０によって検知されるが、その検知方法を簡単に説明す
ると、ＨＭＤ９以外の所定の場所にセットされた磁気セ
ンサーソース部１０ｂから発生される一様な磁場を磁気
センサーセンス部１０ａで検知し、頭の動きに伴う磁場
の変化分の情報を処理することによって、磁気センサー
ソース部１０ｂと磁気センサーセンス部１０ａとの空間
的絶対移動量および磁気センサーセンス部１０ａの傾斜
であるオイラー角（ロール，ピッチ，ヨー）を求めて、
術者の頭の移動量および傾き量を検知するというもので
ある。

【００２２】前記構成によって、術者の頭の動きによっ
て観察用スレーブマニピュレータのマスタースレーブ動
作を行なうと共に、マスターアーム８の操作によって処
置用スレーブマニピュレータのマスタースレーブ動作を
行わせることが可能となる。

【００２３】ところで、手術用マニピュレータは、動作
を行う前に各駆動関節アームが現在どの位置にあるかを
知る必要があるが、従来のようにインクリメンタルエン
コーダを用いて各関節位置を検知した場合は、手術を行
う前に原点復帰という作業を行う必要があるために、作
業範囲を大きくとってしまう欠点がある。ここで、原点
復帰作業というのは、各アーム５，７を予め決められた
形状に戻すことによって基準位置を設定し、その基準位
置からのインクリメンタルエンコーダのカウント値を計
算して、現在どこの位置にアーム５，７が位置決めされ
ているかを検知するものである。

【００２４】そこで、本実施例ではアブソリュートエン
コーダを用いることによって原点復帰の作業を不要と
し、かつその配線量を少なくしてマニピュレータを小型
化して作業効率を上げるようにするものである。

【００２５】図３（ａ）は従来のアブソリュートエンコ
ーダの結線図を示す。ここでは、簡単のため３軸分しか
示していないが、図に示すように各エンコーダ分の信号
ケーブルを使用している。本実施例では図３（ｂ）に示
すように、信号ケーブルを１本にすることによって小型
化を可能にしている。

【００２６】図４（ａ）は本実施例に係るマニピュレー
タ筐体内の詳細な接続図である。同図に示すように筐体
３０の内部には絶対位置検出手段としてのアブソリュー
トエンコーダ３１が配置されている。アブソリュートエ
ンコーダ３１は検出した信号を１２ビットのパラレル信
号として信号ライン３１ａに出力する。

【００２７】３１ｄおよび３１ｅは、各々電源ラインお
よびグランドラインである。３１ｆはエンコーダデータ
検知回路であり、コントロール信号ライン３１ｂのトリ
ガ信号によって、信号ライン３１ａに出力されたディジ
タルデータをアナログ信号に変換するためのものであ
る。エンコーダデータ検知回路３１ｆでアナログ変換さ
れた信号はシグナルライン３１ｃに出力される。

【００２８】図５は第１実施例においてマニュピュレー
タの各関節の絶対位置を検出するための具体的な回路構
成を示す図である。ここでは簡単のために３軸分のみの
エンコーダ回路を示している。５０ａ〜５０ｃは、マニ
ピュレータ各軸毎の位置検出手段としてのアブソリュー
トエンコーダである。各アブソリュートエンコーダ５０
ａ〜５０ｃのパラレルデータ（ここでは、８ビット）は
各々エンコーダ検知回路５３ａ，５３ｂ，５３ｃに入力
される。

【００２９】エンコーダ検知回路５３ａ〜５３ｃの内部
には、アナログ量変換手段としてのサンプルホールド付
きＤＡコンバータ（５１ａ〜５１ｃ）と、このＤＡコン
バータ（５１ａ〜５１ｃ）へ入力される電気信号を一定
時間遅延するための遅延素子５２ａ〜５２ｃと、ＤＡコ
ンバータ（５１ａ〜５１ｃ）からのアナログ出力を取り
出すための抵抗５４ａ〜５４ｃとが図のように接続され
ている。各軸から出力されるエンコーダアナログ信号は
信号ライン５９を介してオペアンプ回路５５に入力され
る。第１のオペアンプ５５ａは信号ライン５９を介して
抵抗５４ａ〜５４ｃとともに統括手段としての加算回路
を構成しており、抵抗５４ａ〜５４ｃによって取り出さ
れた各軸からのエンコーダアナログ出力は信号ライン５
９によって加算され、その加算結果は第１のオペアンプ
５５ａの出力に現れる。次段の第２のオペアンプ５５ｂ
は反転増幅器を構成しており、第１のオペアンプ５５ａ
の出力のゲインを調整するためのものである。次に、Ａ
Ｄコンバータ５６はアナログ信号をディジタル信号に変
換し、このＡＤコンバータ５６でディジタル化されたデ
ータは位置情報検出手段としてのマイクロコンピュータ
５７に入力されて以下に述べるような信号処理がなされ
る。なお、ここでは、エンコーダに供給するための電源
ラインは省略されている。

【００３０】次に上記した第１実施例の構成の動作を説
明する。図５において、マイクロコンピュータ５７から
サンプルホールド信号としてのワンショットパルスが出
力されてコントロールライン５８に乗せられる。図６は
このときコントロールライン５８に現れる信号波形を示
している。この信号に基づくサンプルホールドタイミン
グでまず、遅延素子５２ｃを介してＤＡコンバータ５１
ｃのアブソリュートデータがサンプルホールドされる。
その時の信号ライン５９の波形は、図７（ａ）のように
なる。サンプルホールドタイミング信号は各ＤＡコンバ
ータ５１ａ〜５１ｃに対して一定時間毎に出力されるた
め、マイクロコンピュータ５７に近いエンコーダ検知回
路から順々にアブソリュートデータがサンプリングホー
ルドされていく。

【００３１】ここで、信号ライン５９は加算回路の構成
になっているため、第１のオペアンプ５５ａの出力は、
図７（ａ）の信号波形から図７（ｂ）、図７（ｃ）とい
った順に波形が変化していく。そこで、マイクロコンピ
ュータ５７はこの変化した差分をとることによって各軸
に対するＤＡコンバータの出力を求めることができ、こ
れによって、各軸の絶対位置データを知ることができ
る。

【００３２】図８は本実施例のマイクロコンピュータ５
７内で行われる演算処理の手順を示すフローチャートで
ある。図８において、マイクロコンピュータ５７内のソ
フトウェアのルーチンは、大きく分けてメイン、初期
化、割り込みの３つである。

【００３３】まず、メインルーチンでポートの設定、各
定数等を初期化を終えたらマイクロコンピュータ内部の
タイマーを起動し、一定のサンプリング時間で割り込み
が発生するようにする（ステップＳ１〜Ｓ４）。

【００３４】次にタイマー割り込みルーチンのステップ
Ｓ１０〜Ｓ１６を説明する。割り込みが発生したら、コ
ントロールライン５８に一定の幅を持ったパルス（ワン
ショットパルス）を１回出力する。ワンショットパルス
出力後、遅延素子５２ａ〜５２ｃで設定された遅延時間
よりも少し長めに設定した時間（ＤＡコンバータにおい
てサンプルホールド時のセトリングタイムを考慮するた
め）だけ経過した時に、マイクロコンピュータ５７は、
信号ライン５９のデータ、すなわちＡＤコンバータ５６
のデータを読みとる。次に、読みとられたデータと前回
読み込んだデータとの差分をとる。この差分が現在読み
とっているエンコーダ情報となるので、その値に変換係
数を掛けることによって、現在読みとっている軸の絶対
位置を求めることができる。次にこれを求めたあとの現
在のＡＤコンバータのデータを前回のＡＤデータとする
処理を行って次の差分演算を行なう。尚、ここで、前回
読み込んだＡＤデータというのは、タイマー割り込みに
よるサンプリング毎のデータではなく、ＡＤコンバータ
５６から随時読み込まれるデータである。

【００３５】上記した第１実施例によれば、省線化（４
本の信号線のみで構成可能）によって従来のアブソリュ
ートエンコーダの配線量を少なくしているので、従来の
アブソリュート型医療マニピュレータを小型化すること
ができ、しいては手術作業の効率を向上させることがで
きる。

【００３６】以下に本発明の第２実施例を説明する。第
２実施例はエンコーダの分解能が低い場合に、第１実施
例のようなＤＡコンバータを必要とせずに構成できる例
である。

【００３７】図４（ｂ）は第２実施例の詳細な接続図を
示す図である。図４（ｂ）において、マニピュレータの
筐体３０の内部にはアブソリュートエンコーダ３１が配
置されている。アブソリュートエンコーダ３１は４ビッ
トのパラレル信号を信号ライン３１ａに出力するもので
ある。３２ｃおよび３２ｄは、各々電源ラインおよびグ
ランドラインである。３２ａはエンコーダデータ検知回
路である。本実施例では、第１実施例で示したコントロ
ールラインが不要となり、信号ライン３２ｂにアナログ
データが出力される。３２ｅは抵抗である。

【００３８】図９は第２実施例においてマニュピュレー
タの各関節の絶対位置を検出するための具体的な回路構
成を示す図である。ここでは、簡単のために３軸分のみ
のエンコーダ回路を示している。図中、Ｒは抵抗値Ｒの
抵抗器を示し、２Ｒは抵抗値Ｒの２倍の値の抵抗器であ
る。

【００３９】９０ａ〜９０ｃはマニピュレータ各軸毎の
位置検出手段としてのアブソリュートエンコーダであ
る。各アブソリュートエンコーダ９０ａ〜９０ｃからの
パラレルデータ（ここでは、４ビット）は、ラダー抵抗
回路９１ａ，９１ｂ，９１ｃから構成される大ラダー抵
抗回路９８へ出力される。オペアンプ回路９２は大ラダ
ー抵抗回路９８から出力されるアナログデータを加算、
反転増幅するためのものである。また、９７，９６は各
々エンコーダに電力を供給するための電源ラインであ
る。オペアンプ回路９２からのアナログデータはＡＤコ
ンバータ９３によってディジタルデータに変換されて、
位置検出演算を行うためのマイクロコンピュータ９４に
入力される。

【００４０】以下に上記した第２実施例の構成の作用を
説明する。第１実施例ではタイミング操作を行うことに
よって複数軸のエンコーダ値を読みとっていたが、第２
実施例においてはタイミングの設定は特に必要なく（た
だし、ＡＤコンバータ７３のデータ変換のための時間等
に関しては考慮する必要がある）、読み出したいときに
データを読み出すことが可能である。

【００４１】図９から明かなように、本実施例では大ラ
ダー回路９８によってＤＡコンバータが構成されてお
り、各アブソリュートエンコーダ９０ａ〜９０ｃからの
エンコーダ情報は各々４ビット毎の重み付けがされるた
めに、４ビット毎のデータを読み込むことによって複数
軸のエンコーダ位置データを検知することができる。本
実施例の場合、１軸につき４ビットの情報量なので、３
軸であれば１２ビットの情報量となる。例えばアブソリ
ュートエンコーダ９０ａのエンコーダ情報は、１２ビッ
ト中の下位４ビット、アブソリュートエンコーダ９０ｂ
のエンコーダ情報は中位４ビット、アブソリュートエン
コーダ９０ｃのエンコーダ情報は上位４ビットと割り当
てられることになる。ただし、ＤＡコンバータは、一般
に、最下位ビットの重み付けの誤差が多くなるので、図
１０に示すように下位４ビットをダミー回路１００とし
て、誤差を少なくするようにしても構わない。

【００４２】上記した第２実施例によれば、複数の位置
検知手段からの出力情報を得るためのラインが、信号ラ
イン，電源ライン，グランドラインの合計３本の信号線
のみで構成可能となり、従来のアブソリュート型医療マ
ニピュレータを小型化することができ、しいては、手術
作業の効率を向上させることができる。

【００４３】以下に本発明の第３実施例を説明する。上
記した第１、第２実施例ではアブソリュートエンコーダ
を用い、その省線化について説明したが、第３実施例で
は従来のインクリメンタルエンコーダを用いて、制御装
置側に絶対位置検知回路を設けることによって、アブソ
リュート化するものである。

【００４４】図１１は第３実施例の全体構成図である。
図１１において１１１は第３実施例に用いられる制御装
置である。制御用メインＣＰＵ１１２はモータ１１３を
サーボ制御するためのサーボドライバ１１５に指令値を
出力したり、図中絶対位置検出回路１２４内のカウンタ
１１６のデータを読み出すためのＣＰＵである。制御用
メインＣＰＵ１１２はデータライン１１２ａを介してデ
ータのやりとりを行なう。サーボドライバ１１５は、制
御用メインＣＰＵ１１２からの指令分だけモータ１１３
が回転するようにモータ１１３に電流を流すドライバで
ある。ここでは指令値とモータ回転数を追従させるため
にＰＩＤ制御が行われている。

【００４５】交流発電機１２３はモータ１１３が回転す
ると所定の交流信号を発生するものである。ここでは、
レゾルバが使用されているが、シンクロに置き換えても
構わない。光エンコーダ１１４はモータ１１３の位置情
報をフィードバック検出するために用いられる。モータ
１１３、光エンコーダ１１４および交流発電機１２３は
機械的に結合されており、モータ１１３が回転すると光
エンコーダ１１４および交流発電機１２３も回転して移
動量パルスを出力する。

【００４６】次に、絶対位置検出回路１２４について説
明する。ディレイ回路１２０は光エンコーダ１１４の出
力パルスを遅らせるための遅延素子を配置して構成され
ている。リレー１２２は制御装置１１１のメイン電源が
ＯＮしている時には開放しており、電源をＯＦＦにする
と同時に短絡するようになっている。整流回路１２１は
交流発電器１２３から出力される交流電圧を直流に整流
するためのものである。

【００４７】サブＣＰＵ１１８はカウンタ１１６からの
データを読み出して電気的書き込み消去可能なリードオ
ンリーメモリ（以下、ＥＥＰＲＯＭとする）１１９に書
き込む用に制御するＣＰＵである。

【００４８】以下に上記した第３実施例の構成の作用を
説明する。上記した構成によれば制御装置１１１のメイ
ン電源がＯＮになっている時には、制御用メインＣＰＵ
１１２からの回転指令値がサーボドライバ１１５に入力
されてモータ１１３を所望回転量に設定する。この時の
モータ１１３の位置・速度情報は以下のごとくフィード
バックされる。すなわち、まず光エンコーダ１１４から
のパルス出力が、カウンタ１１６に入力される。カウン
タ１１６には光エンコーダ１１６からの出力パルスが積
算される。制御用メインＣＰＵ１１２は積算された出力
パルスの読み込みを行なう。また、サーボドライバ１１
５が電流アンプとして使用されている（制御用メインＣ
ＰＵ１１２側で位置・速度制御を演算する）場合には、
カウンタ１１６の値は制御用メインＣＰＵ１１２にのみ
フィードバックされるが、サーボドライバ１１５側で、
モータ１１３の位置や速度制御演算を行う場合には、サ
ーボドライバ１１５にもカウンタ１１６のデータが取り
込まれる。これによって標準的なモータによるサーボ制
御が実現できる。

【００４９】さて、制御装置１１１の電源がＯＦＦのと
きにモータ１１３が動いてしまった場合は位置情報が不
正確になる（カウンタ１１６が作動していないので、パ
ルスが積算されない）ので、絶対位置検出回路１２４に
よって位置情報を常に検知するようにしている。制御装
置１１１のメイン電源がＯＦＦのときはリレー１２２に
よって交流発電器１２３と整流回路１２１が導通状態に
なっている。したがって、外力によってモータ１１３が
回転しても図中Ａ点に直流電圧が生じる。この電圧によ
ってサブＣＰＵ１１８、カウンタ１１６、光エンコーダ
１１４の電気回路に電源が供給される。

【００５０】電源が供給されると同時に、ディレイ回路
１１７によりサブＣＰＵ１１８、カウンタ１１６にリセ
ットがかかり、各々の素子が動作可能になる。リセット
がかかるとサブＣＰＵ１１８は、ＥＥＰＲＯＭ１１９に
記憶されている以前の位置データをカウンタ１１６にセ
ットする。カウンタ１１６はセットされたデータを基準
にカウントする。ここで、ディレイ回路１２０は、この
場合の遅延時間をサブＣＰＵ１１８のセットアップ時間
以上に設定しているので、光エンコーダ１１４からのパ
ルスを余裕を持ってカウンタ１１６に取り込むことがで
きる。このため、カウントミスは生じない。

【００５１】モータ１１３にかかっていた外力が無くな
り回転が止まった時には、交流発電器１２３から供給さ
れる電力が絶対位置検出回路１２４に供給されなくな
る。このときサブＣＰＵ１１８は、通常バッテリーバッ
クアップ等の回路に用いられている電圧降下検知回路
（図示しない）によりモータ回転停止を検知する。そし
てこのことを検知した後、サブＣＰＵ１１８はカウンタ
１１６のカウンタ値をＥＥＰＲＯＭ１１９に転送させる
と同時に、データ書き込みを行わせる。このことによっ
て、制御装置１１１のメイン電源がＯＦＦの状態であっ
ても、光エンコーダ１１４から出力されるパルスは常時
カウントされることになる。

【００５２】また、機構を動かすためにモータ１１３に
取り付けられている減速機の減速比がかなり高く、機構
を少しだけ動かしただけで、大電力が得られるならば、
ＥＥＰＲＯＭ１１９をパーソナルコンピュータ等で使用
されているフロッピーディスクドライブに置き換えて、
フロッピーディスクへのデータ書き込みを行っても構わ
ない。

【００５３】上記した第３実施例によれば、従来の大型
のアブソリュートエンコーダの機能を小型のインクリメ
ンタルエンコーダによって実現できるようになり、小型
化されたマニピュレータを実現できるので、手術作業の
効率を向上させることができる。

【００５４】以下に本発明の第４実施例を説明する。第
４実施例は、第３実施例で述べたインクリメンタルエン
コーダによるアブソリュート化についての他の実施例で
ある。

【００５５】図１２は第４実施例の構成を示す図であ
る。第４実施例の構成は第３実施例とほとんど同じであ
るが、第３実施例で示されたリレー１２２（図１１）が
モータ駆動ラインに存在することと、交流発電機が存在
しない点が異なっている。メイン電源がＯＦＦすると、
モータ１１３と定電圧回路１３０が導通する。この定電
圧回路１３０は、モータの特徴の一つである逆起電力発
生を利用して、所望の直流電圧に変換する回路である。

【００５６】上記した第４実施例の構成の作用を説明す
る。上記した構成において、図１２のモータ１１３に外
力が加わると、モータ１１３の逆起電力が定電圧回路１
３０に供給される。これによって、絶対位置検出回路１
３１内で第３実施例で示した動作が行われるようにな
る。

【００５７】上記した第４実施例によれば、従来、大型
のアブソリュートエンコーダの機能を小型のインクリメ
ンタルエンコーダによって実現できるようになり、小型
化されたマニピュレータが実現できるので、手術作業の
効率を向上させることができる。

【００５８】上記した具体的実施例から以下のような構
成の技術的思想が導き出される。 （１） 生体内組織部位の観察と処置の少なくとも一方
を行う多関節手術用マニピュレータと、この多関節手術
用マニピュレータを操作するための操作手段と、この操
作手段からの操作情報に基づいて前記多関節手術用マニ
ピュレータの動作を制御する制御手段とからなる手術用
マニピュレータシステムにおいて、前記多関節手術用マ
ニピュレータの各関節の絶対位置を検出する絶対位置検
出手段と、この絶対位置検出手段のデータを離散量から
連続量に変換するアナログ量変換手段と、このアナログ
量変換手段からのデータを加算し前記制御手段に伝送す
るための加算手段と、この加算手段から伝送されるアナ
ログデータを各関節位置情報に分離し、各関節位置の情
報を検出する検出手段と、を具備することを特徴とする
手術用マニピュレータシステム。 （２） 前記アナログ量変換手段がＤＡコンバータであ
ることを特徴とする構成（１）に記載の手術用マニピュ
レータシステム。 （３） 前記絶対位置検出手段がアブソリュートエンコ
ーダであることを特徴とする構成（１）に記載の手術用
マニピュレータシステム。 （４） 前記絶対位置検出手段のデータを離散量から連
続量に変換するアナログ量変換手段と、このアナログ量
変換手段からのデータを加算して前記手術用マニピュレ
ータシステムに伝送するための加算手段が、ラダー抵抗
器によって構成されていることを特徴とする構成（１）
に記載の手術用マニピュレータシステム。 （５） 前記絶対位置検出手段がアブソリュートエンコ
ーダであることを特徴とする構成（４）に記載の手術用
マニピュレータシステム。 （６） 前記ラダー抵抗器が２進重み付けラダー回路で
構成されていることを特徴とする構成（４）に記載の手
術用マニピュレータシステム。 （７） 前記ラダー抵抗器の任意の下位重み付け抵抗以
外の抵抗に各関節の絶対位置検出手段を設けたことを特
徴とする構成（４）に記載の手術用マニピュレータシス
テム。 （８） 生体内組織部位の観察と処置の少なくとも一方
を行う多関節手術用マニピュレータと、この多関節手術
用マニピュレータを操作するための操作手段と、この操
作手段からの操作情報に基づいて前記多関節手術用マニ
ピュレータの動作を制御する制御手段とからなる手術用
マニピュレータシステムにおいて、前記多関節手術用マ
ニピュレータの各関節を動かすためのサーボモータと、
このサーボモータに機械的に結合されたモータ位置検出
手段と、前記サーボモータに機械的に結合された発電手
段と、前記サーボモータを駆動するためのモータ制御手
段と、前記発電手段で発生した電力を所望の電圧に変換
するための電力変換手段と、前記モータ位置検出手段か
らの情報を読みとり保持するための位置情報保持手段
と、この位置情報保持手段の情報を記憶するための電気
的書き込み消去可能な記憶手段と、前記位置情報保持手
段の情報と前記記憶手段の情報の交換を制御する制御手
段と、を具備したことを特徴とする手術用マニピュレー
タシステム。 （９） 前記発電手段が磁気式発電手段であることを特
徴とする構成（８）に記載の手術用マニピュレータシス
テム。 （１０） 前記磁気式発電手段がレゾルバであることを
特徴とする構成（９）に記載の手術用マニピュレータシ
ステム。 （１１） 前記磁気式発電手段がシンクロであることを
特徴とする構成（９）に記載の手術用マニピュレータシ
ステム。 （１２） 前記位置検出手段が光検出手段であることを
特徴とする構成（８）に記載の手術用マニピュレータシ
ステム。 （１３） 前記光検出手段がインクリメンタルエンコー
ダであることを特徴とする構成（１２）に記載の手術用
マニピュレータシステム。。 （１４） 前記位置情報保持手段がカウンタ回路である
ことを特徴とする構成（８）に記載の手術用マニピュレ
ータシステム。 （１５） 前記記憶手段が電気的書き込み消去可能な不
揮発性記憶素子であることを特徴とする構成（８）に記
載の手術用マニピュレータシステム。 （１６） 前記不揮発性記憶素子がＥＥＰＲＯＭである
ことを特徴とする構成（１５）に記載の手術用マニピュ
レータシステム。

【００５９】

【発明の効果】以上本発明によれば、手術用マニピュレ
ータの小型化が可能となり、内視鏡等の医療器具が多く
配置されている部屋においては、省スペースで観察・処
置が行えるようになる。これによって、手術作業が効率
化され短時間で終了させることができるので、患者への
苦痛を最小限にとどめることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る手術用マニピュレー
タシステムの構成を示す図である。

【図２】（ａ）は処置具、（ｂ）は内視鏡の構成を示す
図である。

【図３】（ａ）は従来のアブソリュートエンコーダの結
線図であり、（ｂ）は本実施例に係るアブソリュートエ
ンコーダの結線図である。

【図４】（ａ）は第１実施例に係るマニピュレータ筐体
内の詳細な接続図であり、（ｂ）は第２実施例の詳細な
接続図である。る。

【図５】第１実施例においてマニュピュレータの各関節
の絶対位置を検出するための具体的な回路構成を示す図
である。

【図６】各軸毎のＤＡコンバータによるサンプルホール
ド動作のタイミング信号を示す図である。

【図７】信号ラインに現れるサンプルホールド電圧の波
形の変化を示す図である。

【図８】マイクロコンピュータによる演算処理のフロー
チャートである。

【図９】第２実施例においてマニュピュレータの各関節
の絶対位置を検出するための具体的な回路構成を示す図
である。

【図１０】第２実施例の他の回路構成を示す図である。

【図１１】本発明の第３実施例の全体構成図である。

【図１２】本発明の第４実施例の全体構成図である。

【符号の説明】

４…処置具、５…処置用アーム、６…内視鏡、７…観察
用アーム、８…マスターアーム、９…ヘッドマウントデ
ィスプレイ（ＨＭＤ）、１１…制御装置、５０ａ乃至５
０ｃ…アブソリュートエンコーダ、５１ａ乃至５１ｃ…
サンプルホールド付きＤＡコンバータ、５２ａ乃至５２
ｃ…遅延素子、５３ａ乃至５３ｃ…エンコーダ検知回
路、５４ａ乃至５４ｃ…抵抗、５５…オペアンプ回路、
５６…ＡＤコンバータ、５７…マイクロコンピュータ、
５８…コントロールライン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体内組織部位の観察と処置の少なくと
   も一方の器具を保持する多関節手術用マニピュレータ
   と、この多関節手術用マニピュレータを操作するための
   操作手段と、この操作手段からの操作情報に基づいて前
   記多関節手術用マニピュレータの動作を制御する制御手
   段と、を有する手術用マニピュレータシステムにおい
   て、 前記多関節手術用マニピュレータの各関節の絶対位置を
   検出する絶対位置検出手段と、 この絶対位置検出手段の位置情報を離散量から連続量に
   変換するアナログ量変換手段と、 このアナログ量変換手段から出力される各関節毎のアナ
   ログ情報を統合するアナログ情報統合手段と、 このアナログ情報統合手段から出力される統合されたア
   ナログ情報を各関節毎の位置情報に分離して各関節の位
   置情報を再検出する位置情報検出手段と、 を具備し、この位置情報検出手段によって再検出された
   位置情報を前記制御手段に出力するように構成したこと
   を特徴とする手術用マニピュレータシステム。