JPH0871071A

JPH0871071A - 手術用マニピュレータシステム

Info

Publication number: JPH0871071A
Application number: JP6208885A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Michiguchi; 信行道口
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-09-01
Filing date: 1994-09-01
Publication date: 1996-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】手術器械である内視鏡や処置具を体腔内で動作
させるための計算機の計算量を減らすことによって計算
機への負担を軽減できる応答性及び操作性の優れた手術
用マニピュレータシステムの提供を目的としている。【構成】本発明の手術用マニピュレータシステムは、複
数の軸を有する多関節構造の手術用マニピュレータ６，
９と、この手術用マニピュレータ６，９に設けられ体腔
内に挿入可能な手術器械８，８´と、手術用マニピュレ
ータ６，９の位置および／または姿勢を決定するための
操作手段５，１５と、この操作手段５，１５により決定
される位置および姿勢の一部を、前記手術用マニピュレ
ータの複数の軸の一部により決定される位置または姿勢
に対応させる制御手段とを具備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生体の例えば体腔内に
挿入したマニピュレータを操作手段によって遠隔的に操
作し、診断・処置等の手術を行なう手術用マニピュレー
タシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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われている。

【０００３】一方、内視鏡や処置具を搭載し、遠隔操作
により内視鏡や処置具を作動し、術者に代わって手術を
行なう手術用マニピュレータが、例えば、米国特許第５
２１７００３号明細書で知られている。こうした手術用
マニピュレータは、通常、内視鏡や処置具を備える挿入
部が多関節構造となっており、各関節部をアクチュエー
タにより動作させることで、体腔内における目的部位に
対するアプローチを容易ならしめている。

【０００４】ところで、前述した内視鏡下手術において
は、体壁に開けた挿入孔から体腔内に挿入される内視鏡
や処置具が体腔内の極力広い範囲で動作できることが望
ましい。このような動作は、自由度の大きい多関節構造
の挿入部を備えた手術用マニピュレータを用いることに
よって実現可能となる。例えば特願平６−１３１８１０
号明細書に記載されている多関節構造の挿入部を備えた
手術用マニピュレータを用いれば、体腔内における目的
の位置で且つ所望のオリエンテーションで作業を行なう
ことができる。さらに、特願平６−１３１８１１号明細
書に記載された座標変換機能を備えれば、手術用マニピ
ュレータを体腔内で術者の要望通りに動作させることが
できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特願平
６−１３１８１１号明細書に記載されているように、入
力手段からの位置及び姿勢情報を内視鏡及び処置具の先
端のＴＣＰ（ToolCenter Point)に対応させる場
合には、大きな負担を計算機に課すこととなる。

【０００６】すなわち、例えば、体腔内において任意の
位置及び姿勢をとれるようにするためには、６自由度以
上のマニピュレータが必要であるが、前述した挿入孔に
より２自由度が拘束されてしまうため、最低でも８自由
度を有するマニピュレータが必要となってしまう。つま
り、関節変数が８つとなる。しかし、入力手段からの位
置及び姿勢情報からは合計６つの独立変数しか得られ
ず、したがって、関節変数を導出するためには新たな境
界条件が必要となってくる。こうした数学的な条件の
下、ＴＣＰに入力手段からの位置及び姿勢情報を対応さ
せて逆運動学方程式を解くことにより得られる各関節変
数解にあっては、解析解を得られない場合もあり、この
場合には、数値解を算出しなければならず、計算機の計
算量が解析解を処理する計算量よりも大きくなってしま
う。

【０００７】このように、入力手段からの位置及び姿勢
情報を内視鏡及び処置具の先端のＴＣＰに対応させる場
合には、計算機への負担が大きくなり、応答速度が遅く
なるなど、術者にとっては操作性が悪かった。

【０００８】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、手術器械である内視
鏡や処置具を体腔内で動作させるための計算機の計算量
を減らすことによって計算機への負担を軽減できる応答
性及び操作性の優れた手術用マニピュレータシステムを
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決する手段】上記課題を解決するために、本
発明の手術用マニピュレータシステムは、複数の軸を有
する多関節構造の手術用マニピュレータと、この手術用
マニピュレータに設けられ体腔内に挿入可能な手術器械
と、手術用マニピュレータの位置および／または姿勢を
決定するための操作手段と、この操作手段により決定さ
れる位置および姿勢の一部を、前記手術用マニピュレー
タの複数の軸の一部により決定される位置または姿勢に
対応させる制御手段とを具備したものである。

【００１０】

【作用】この構成によれば、操作手段からの位置および
姿勢情報を、手術用マニピュレータの複数の軸の一部に
対応させることにより、手術用マニピュレータを動作さ
せるために必要な計算量を減らすことができるため、計
算機への負担を軽減できる。

【００１１】つまり、手術用マニピュレータの複数の軸
の一部に対応させることにより、関節変数解として多く
の場合に閉じた解、すなわち解析解が得られる（解析解
導出のための計算量は、数値解導出のための計算量に比
べて大幅に少ない。）。また、仮に解析解が得られず、
数値解になったとしても、操作手段の位置及び姿勢情報
を、手術用マニピュレータの先端であるＴＣＰに対応さ
せるのに比較して、複数の軸の一部に対応させた方が、
計算量は大幅に少ない。いずれにしても、関節変数解導
出に必要な計算量は少なくて済む。したがって、計算機
への負担を軽減できる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例につ
いて説明する。図１ないし図８は本発明の第１の実施例
を示すものである。まず、図１および図２を参照しなが
ら手術装置の全体構成について説明する。図中、１は手
術台であり、２は患者である。手術台１の両側壁にはベ
ッドサイドレール３が設けられ、このベッドサイドレー
ル３には術者４が操作する操作用マニピュレータ５と処
置用マニピュレータ６と観察用マニピュレータ９とが設
けられている。

【００１３】処置用マニピュレータ６の先端部には手術
器械としての処置具８´が設けられている。なお、この
場合の処置具８´は、例えば、把持鉗子、電気メス、レ
ーザー等である。また、術者４によって操作される操作
用マニピュレータ５の位置及び姿勢の情報はモータコン
トロールユニット７に入力され、このモータコントロー
ルユニット７は、この位置及び姿勢の情報に基づいて、
処置用マニピュレータ６を動作させる。この場合、操作
用マニピュレータ５ではなく、ジョイスティック、３Ｄ
ディジタイザ、サイバーグローグ（商品名）等を用いて
も良い。

【００１４】観察用マニピュレータ９の先端部には手術
器械としての内視鏡８が設けられている。内視鏡８には
例えば撮像素子が１対配置されており、これによって、
体内の画像情報を立体的に得ることができるようになっ
ている。つまり、これら一対の撮像素子で得られた画像
情報は、１対のカメラコントロールユニット１０ａ，１
０ｂを介して画像処理装置１１ａ，１１ｂに送られ、モ
ニター１２あるいはヘッドマウントディスプレイＨＭＤ
１３で立体表示される。また、内視鏡８には光源装置１
４が接続されており、観察部位の照明を行うことができ
るようになっている。

【００１５】位置検出センサとしての３Ｄディジタイザ
１５が、術者の頭部に固定されるヘッドマウントディス
プレイ（ＨＭＤ）１３に装着されている。なお、３Ｄデ
ィジタイザ１５は術者の頭部に直接に固定されていても
良い。モータコントロールユニット１６は、３Ｄディジ
タイザ１５の動きすなわち術者の頭部の動きを検出する
ことによって、観察用マニピュレータ９を術者の頭部の
動きに合わせて動作させるように制御する。なお、３Ｄ
ディジタイザ１５の代わりに、ジョイスティック、３Ｄ
マウス、超音波センサ、あるいは観察用マスターマニピ
ュレータを用いても良い。

【００１６】患者２の腹壁には挿入孔２ａが開けられ、
この挿入孔２ａを通じて内視鏡８と処置具８´が経皮的
に体腔内に挿入されている。挿入孔２ａは、術中に患者
が動かない限り、空間的に固定された孔である。

【００１７】次に、図３ないし図８を参照しながら、観
察用マニピュレータ９に関し、３Ｄディジタイザ１５か
らの位置および姿勢情報に基づく関節変数解導出ための
逆運動学方程式の解法について説明する。なお、以下、
観察用マニピュレータ９が内視鏡８を含めた一体的なも
のであるとして話を進めることとする。

【００１８】図３には観察用マニピュレータ９のリンク
構造２０が示されている。リンク構造２０を形成する各
リンクのうち、第０リンク２１は手術台１の両側壁に設
けられたベッドサイドレール３に接続される台座であ
る。この第０リンク２１から第１リンク２２、第２リン
ク２３、第３リンク２４、第Ａリンク２５、第Ｂリンク
２６、第４リンク２７、第５リンク２８、第６リンク２
９のそれぞれが、第１関節３０（以下、関節Ａ１とい
う。）、第２関節３１（以下、関節Ａ２という。）、第
３関節３２（以下、関節Ａ３という。）、第Ａ関節３３
（以下、関節ＡＡという。）、第Ｂ関節３４（以下、関
節ＡＢという。）、第４関節３５（以下、関節Ａ４とい
う。）、第５関節３６（以下、関節Ａ５という。）、第
６関節３７（以下、関節Ａ６という。）の各関節を介し
て屈曲自在に連結されている。なお、この場合、撮像装
置（図示せず）は第６リンク２９の先端部８ａに取付け
られている。

【００１９】各関節Ａ１〜Ａ６のうち、関節Ａ２と関節
Ａ３は直動関節であり、その他の関節は全て回転関節と
なっている。また、各関節Ａ１〜Ａ６は、例えば電磁モ
ータ等のアクチュエータ（図示しない）によって動作す
るようになっている。また、各関節Ａ１〜Ａ６にはエン
コーダが取り付けられており、これらのエンコーダによ
って各関節の軸回りの回転角或いは直動部の伸縮長さを
検出できるようになっている。

【００２０】図４は、観察用マニピュレータ９の外観図
を示している。観察用マニピュレータ９のうち実際に体
腔内に挿入される部分は、第４リンク２７の一部と第５
リンク２８及び第６リンク２９である。つまり、第４リ
ンク２７が挿入孔２ａを貫通した状態で第５リンク２８
及び第６リンク２９が体腔内に配置される。

【００２１】図示のごとく、観察用マニピュレータ９
は、合計８つの関節Ａ１〜Ａ６を有する冗長機構を成し
ている。しかし、挿入孔２ａにおいて２自由度が拘束さ
れてしまうため、内視鏡８の先端部８ａでは機構的に６
自由度となる。したがって、図３および図４の機構にお
いて、体腔内に挿入される内視鏡８の先端部８ａは、観
察用マニピュレータ９の動作範囲内であれば、体腔内で
任意の位置且つ任意の姿勢をとることが機構的に可能と
なる。

【００２２】図５には、図３に示された各リンク２１〜
２８に設定されたリンク座標系が示されている。図中４
０は、第０リンク座標系４０であり、第０リンク２１上
に設定されたＸＹＺ直交座標系である。以下、この第０
リンク座標系４０をベース座標系４０という。ベース座
標系４０は、以後、観察用マニピュレータ９においての
基準座標系であり、観察用マニピュレータ９をベッドサ
イドレール３から動かさない限り、空間上に固定された
座標系である。

【００２３】ベース座標系４０に原点Ｏ₁ を一致させて
第１リンク座標系４１が第１リンク２２上に設定されて
いる。後述するが、関節Ａ１においての関節角θ₁ が０
°の時に、第１リンク座標系４１とベース座標系４０の
両座標系が一致するように設定されている。また、第２
リンク座標系４２〜第６リンク座標系４８がそれぞれ第
２リンク２３〜第６リンク２９上に設定されている。こ
の場合、第３リンク座標系４３の原点Ｏ₃ と第Ａリンク
座標系４４の原点Ｏ_A が一致するように設定されてい
る。また、第４リンク座標系４６〜第６リンク座標系４
８の原点Ｏ₄ ，Ｏ₅ ，Ｏ₆ が一致するように設定されて
いる。さらに、第６リンク座標系４８の原点Ｏ₆ は、第
６リンク２９の先端部８ａに一致せず、第４および第５
リンク座標系４６，４７の原点Ｏ₄ ，Ｏ₅ と一致するよ
うに設定されている。以下、第６リンク座標系４８をリ
スト座標系４８という。なお、各リンク座標系４０〜４
８は、Demavit-Hartenberg表現に基づいてそれぞれ設定
されている。

【００２４】図６には、観察用マニピュレータ９におけ
るリンクパラメータが示されている。図５に示される各
リンク座標系間の関係から、関節角θ_i 、ねじれ角α
_i 、リンク長ａ_i 、リンク間距離ｄ_i （ｉ＝１，２，
３，Ａ，Ｂ，４，５，６）のそれぞれがDemavit-Harten
bergの表現に基づいて得られる。なお、図６中にカッコ
でくくられた文字θ₁ 、ｄ₂ 、ｄ₃ 、θ_A 、θ_B 、θ
₄ 、θ₅ 、θ₆ は、関節Ａ１〜Ａ６に対応する関節変数
である。なお、図５は、θ₁ ＝θ_A ＝０°、θ_B ＝θ₄
＝θ₅ ＝−９０°、θ₆ ＝９０°の状態を示している。

【００２５】ここで、一般に、第ｉリンク座標系と第
（ｉ−１）リンク座標系との関係をリンク座標変換行列
^i-1 Ａ_i （４×４行列）で表現することが知られてい
る。これに基づいて、前記リンクパラメータを参考にす
ると、例えば、ベース座標系４０に対する第１リンク座
標系４１のリンク座標変換行列⁰ Ａ₁ が得られる。同様
に、各リンク座標変換行列、¹ Ａ₂ 、² Ａ₃ 、³ Ａ_A 、
^A Ａ_B 、^B Ａ₄ 、⁴ Ａ₅ 、⁵ Ａ₆ がそれぞれ得られる。

【００２６】また、一般に、同次変換行列⁰ Ｔ_i （４×
４行列）が、ベース座標系４０に関して第ｉ座標系の位
置および姿勢を表現することが知られている。さらに、
同次変換行列⁰ Ｔ_i は、リンク座標変換行列^i-1 Ａ_i を
連続的に掛け合わせることにより得られる。以下、同次
変換行列⁰ Ｔ_i をアーム行列⁰ Ｔ_i という。

【００２７】したがって、観察用マニピュレータ９にお
いて、ベース座標系４０に対するリスト座標系４８のア
ーム行列⁰ Ｔ₆ は、各リンク座標変換行列を用いて以下
のように表現できる。 ⁰ Ｔ₆ ＝⁰ Ａ₁ ¹ Ａ₂ ² Ａ₃ ³ Ａ_A ^A Ａ_B ^B Ａ₄ ⁴ Ａ₅ ⁵ Ａ₆ （数式１）

【００２８】

【数１】

【００２９】なお、（数式１´）の⁰ Ｐ₆ は、ベース座
標系４０の原点Ｏ₀ からリスト座標系４８の原点Ｏ₆ へ
向かう位置ベクトル（３×１ベクトル）であり、⁰ Ｒ₆
は、ベース座標系４０に対するリスト座標系４８の回転
行列（３×３行列）である。

【００３０】次に、図７を参照しながら観察用マニピュ
レータ９における逆運動学方程式を解く際に必要な境界
条件について説明する。（数式１）には関節変数が合計
８つ存在する。つまり、未知数が８つ存在するというこ
とになる。一方、アーム行列⁰ Ｔ₆ の独立変数は、回転
行列⁰ Ｒ₆ の部分に３つ存在し、位置ベクトル⁰ Ｐ₆ の
部分に３つ存在する。つまり、６つの独立変数が存在す
る。したがって、アーム行列⁰ Ｔ₆ が任意に与えられた
場合には、これを満足する各関節変数解を数学的に一意
的に求めることが困難となる。このことから、逆運動学
方程式を解くためには、境界条件からの独立方程式が必
要となる。

【００３１】今、図７において、第Ｂリンク座標系４５
の原点Ｏ_B とリスト座標系４８の原点Ｏ₆ とをそれぞれ
Ｂ，Ｃとし、また、挿入孔２ａをＡとする。ここで、Ａ
はベース座標系４０に対して空間的に固定された点であ
る。そして、さらに、ベース座標系４０の原点Ｏ₀ から
各Ｂ，Ｃ，Ａへ向かう位置ベクトルをそれぞれＰ_0B、Ｐ
_0C、Ｐ_0Aとし、ＢからＡに向かう位置ベクトルをＵ_A 、
ＢからＣへの位置ベクトルをＵ_C とすると、Ｕ_A ＝Ｐ_0A
−Ｐ_0B、Ｕ_C ＝Ｐ_0C−Ｐ_0Bとなる。ここで、Ｐ_0Cはアー
ム行列⁰ Ｔ₆ においての⁰ Ｐ₆ であり、Ｐ_0Bはアーム行
列⁰ Ｔ_B の右上の行列成分に相当する位置ベクトル（３
×１行列）である。

【００３２】また、Ｂ，Ａ，Ｃは、第４リンク２７上に
ある関節Ａ４の動作軸上に存在するため、空間的に常に
一直線上に存在する関係にある。つまり、Ｕ_A とＵ_B と
の外積をＵとすると次の境界条件が常に成立する。

【００３３】Ｕ＝Ｕ_A ×Ｕ_B ＝０（ゼロベクトル）（数式２）この（数式２）から分かるように、Ｕは常に０（ゼロベ
クトル）となる。したがって（数式２）からは独立方程
式が３つ得られる。

【００３４】以上説明したように、（数式１）と（数式
２）とからは合計９つの独立方程式が得られるため、未
知数である関節変数θ₁ 〜θ₆ が８つであることを考え
れば、数学的に解を得ることは可能である。

【００３５】図８は、術者の動きと観察用マニピュレー
タ９との対応関係を示している。図示のごとく、３Ｄデ
ィジタイザ１５にはセンサー座標系５１（Ｏ_s Ｘ_s Ｙ_s
Ｚ_s）が設定されている。また、所定の位置にはセンサ
ー座標系５１の基準座標系となるセンサーベース座標系
５０（Ｏ_s0Ｘ_s0Ｙ_s0Ｚ_s0）が設定されている。

【００３６】センサーベース座標系５０の原点Ｏ_s0には
３Ｄディジタイザ１５の波源となるソース（図示しな
い）が設けられており、このソースに対する３Ｄディジ
タイザの位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）および姿勢（ロール、ピッ
チ、ヨー）を容易に計測できるようになっている。すな
わち、センサーベース座標系５０に対するセンサー座標
系５１の位置関係を示す回転行列および位置ベクトルを
容易に求めることができるようになっている。また、術
者と観察用マニピュレータ９との対応については、術者
の動きとリスト座標系４８との動きを一致させる。つま
り、センサー座標系５１とセンサーベース座標系５０と
の関係が、リスト座標系４８とベース座標系４０との関
係に一致するようにする。なお、図８では、センサーベ
ース座標系５０とベース座標系４０とが平行に位置して
いるが、その必要はない。

【００３７】リスト座標系４８をセンサー座標系５１に
対応させて動作させるためには、アーム行列⁰ Ｔ₆ の回
転行列⁰ Ｒ₆ および位置ベクトル⁰ Ｐ₆ に、センサーベ
ース座標系５０に対するセンサー座標系５１の位置およ
び姿勢情報を対応させればよい。センサーベース座標系
５０に対するセンサー座標系５１の位置ベクトル及び回
転行列をそれぞれ^S0Ｐ_S 、^S0Ｒ_S と定義すると、センサ
ー座標系５１とセンサーベース座標系５０との関係をリ
スト座標系４８とベース座標系４０との関係に一致させ
ることにより、⁰ Ｐ₆ ＝^S0Ｐ_S および⁰ Ｒ₆ ＝^S0Ｒ_S が
成り立つ。したがって、アーム行列⁰ Ｔ₆ に、位置ベク
トルとして^S0Ｐ_S を、回転行列として^S0Ｒ_S をそれぞれ
代入し、その結果得られるアーム行列⁰ Ｔ₆ の各成分と
一致するように（数式１）の右辺の各関節変数θ₁ 〜θ
₆ を境界条件（数式２）を用いて求めればよい。

【００３８】境界条件（数式２）を用いて（数式１）か
ら逆運動学方程式を解くことにより得られる関節変数解
（θ₁ 、ｄ₂ 、ｄ₃ 、θ_A 、θ_B 、θ₄ 、θ₅ 、θ₆ ）
の形を以下に示す。

【００３９】θ₁ ＝θ₁ （^S0Ｐ_S ） θ_A ＝θ_A （θ₁ 、^S0Ｐ_S ） θ_B ＝θ_B （θ₁ 、^S0Ｐ_S ）ｄ₂ ＝ｄ₂ （θ₁ 、θ_A 、θ_B 、^S0Ｐ_S ）ｄ₃ ＝ｄ₃ （θ₁ 、θ_A 、θ_B 、^S0Ｐ_S ） θ₄ ＝θ₄ （θ₁ 、θ_A 、θ_B 、^S0Ｒ_S ） θ₅ ＝θ₅ （θ₁ 、θ_A 、θ_B 、^S0Ｒ_S ） θ₆ ＝θ₆ （θ₁ 、θ_A 、θ_B 、^S0Ｒ_S ）このように、関節変数解θ₁ 〜θ₆ は全て閉じた解すな
わち解析解として得られる。関節変数解の右辺のカッコ
内は、各関節変数解の導出に用いられる変数である。ま
た、^S0Ｐ_S および^S0Ｒ_S はアーム行列⁰ Ｔ₆ 内で用いら
れているものであり、３Ｄディジタイザ１５からの位置
および姿勢を反映したものである。

【００４０】なお、リンクパラメータおよび挿入孔２ａ
であるＡの座標値は必要に応じて各関節変数解の中に入
っている。また、関節ＡＡおよび関節ＡＢを、アクチュ
エータがない状態すなわちフリー関節としても、観察用
マニピュレータ９の動作には支障がない。

【００４１】また、本実施例では、術者の動きを３Ｄデ
ィジタイザ１５によって検出して術者の動きに一致させ
るように観察用マニピュレータ９を動作させているが、
３Ｄディジタイザ１５に代わって、例えば予め記憶され
たデータを基にして観察用マニピュレータ９を動作させ
ることも可能である。

【００４２】以上説明したように、本実施例では、関節
変数解が全て解析解として求められる。そのため、数値
解の導出に比べて大幅に計算量を減らすことができるた
め、コンピュータへの負荷が少なくて済み、計算時間を
短縮できる。また、それに応じて、一定時間毎に操作入
力手段（３Ｄディジタイザ１５）からの位置および姿勢
情報を取り込むサンプリング時間を短くすることができ
るため、応答性が向上し、結果的に操作性が向上する。

【００４３】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。本実施例は、手術用マニピュレータとしてのスレ
ーブマニピュレータ（観察用マニピュレータ９）の動作
方向と、その操作手段（３Ｄディジタイザ１５）の動作
方向との対応関係を任意に設定できるようにしたもので
ある。なお、本実施例の構成は第１の実施例と同一であ
るため、その説明を省略する。

【００４４】図９は術者の動きと観察用マニピュレータ
９との対応関係を示している。リスト座標系４８の基準
座標系となるタスク座標系６０が設定されている。タス
ク座標系６０は、任意に設定可能であり、ベース座標系
４０に対して同次変換行列⁰ Ｔ_t で表現される位置関係
にある。また、リスト座標系４８のベース座標系４０お
よびタスク座標系６０に対する同次変換行列は⁰ Ｔ₆ お
よび^t Ｔ₆ でそれぞれ表現される。

【００４５】一方、センサー座標系５１の基準座標系と
なるセンサータスク座標系６１が設定されている。この
センサータスク座標系６１は、任意に設定可能であり、
センサーベース座標系５０に対して同次変換行列^SOＳ_st
で表現される位置関係にある。なお、センサーベース座
標系５０は、ソースを動かさない限り、空間上に固定さ
れた座標である。また、センサー座標系５１のセンサー
ベース座標系５０およびセンサータスク座標系６１に対
する同次変換行列は^SOＳ_s および_stＳ_s でそれぞれ表現
される。

【００４６】術者と観察用マニピュレータ９との対応関
係については、術者の動きとリスト座標系４８との動き
を一致させる。つまり、センサー座標系５１とセンサー
タスク座標系６１との関係を、リスト座標系４８とタス
ク座標系６０との関係に一致させる。

【００４７】まず、同次変換行列^SOＳ_s とアーム行列⁰
Ｔ₆ は、連鎖積を使うことにより、以下の式で表現でき
る。 ^SOＳ_s ＝^SOＳ_st・^stＳ_s （数式３） ⁰ Ｔ₆ ＝⁰ Ｔ_t ・^t Ｔ₆ （数式４）リスト座標系４８をセンサー座標系５１に対応させて動
作させるためには、（数式３）および（数式４）より、 ^stＳ_s ＝^t Ｔ₆ （数式５）のごとき関係にすればよい。

【００４８】また、同次変換行列^stＳ_s は（数式３）を
変形することにより以下のように求められる。 ^stＳ_s ＝（^SOＳ_st）^-1・^SOＳ_s （数式６）したがって、アーム行列⁰ Ｔ₆ は、（数式４）〜（数式
６）より ⁰ Ｔ₆ ＝⁰ Ｔ_t ・（^SOＳ_st）^-1・^SOＳ_s （数式７）として得ることができる。ここで、同次変換行列⁰ Ｔ_t
および^SOＳ_stはそれぞれ基準座標系であるため、行列内
の各要素は全て定数となる。したがって、アーム行列⁰
Ｔ₆ に関する変数は同次変換行列^SOＳ_s だけとなる。

【００４９】このようにして（数式７）からアーム行列
⁰ Ｔ₆ が導出されるため、（数式７）のアーム行列⁰ Ｔ
₆ を（数式１）に適用し、第１の実施例と同様に（数式
１）および境界条件（数式２）を用いることにより、各
関節変数解θ₁ 〜θ₆ が求められる。

【００５０】以上説明したように、本実施例によれば、
３Ｄディジタイザー１５のソースの位置を意識すること
なく任意の位置および姿勢で手術が行なえる。また、観
察用マニピュレータ９の動きをリスト座標系４８やベー
ス座標系４０を意識することなく術者の動きに対応させ
ることができるため、患部を観察しやすくなる。したが
って、手術の操作性が向上する。

【００５１】次に、本発明の第３の実施例について説明
する。本実施例は、第１の実施例及び第２の実施例で述
べた３Ｄディジタイザーと観察用マニピュレータ９との
対応関係を、操作用マスターマニピュレータ５と処置用
マニピュレータ６に適用したものである。

【００５２】本実施例では、操作手段としての操作用マ
スターマニピュレータ９からの位置および姿勢の情報の
導出についてのみ説明する。なお、処置用マスターマニ
ピュレータと観察用マニピュレータとは同一構造である
ため、関節変数解の導出については第１の実施例或いは
第２の実施例と全く同じである。

【００５３】図１０は、操作用マスターマニピュレータ
５のリンク構造を示している。図中７０は、第０リンク
であり、手術台１の両側壁に設けられたベッドサイドレ
ール３に接続される台座である。この第０リンク７０か
ら第１リンク７１、第２リンク７２、第３リンク７３、
第４リンク７４、第５リンク７５、第６リンク７６のそ
れぞれが、第１関節７７（以下、関節Ｍ１という。）、
第２関節７８（以下、関節Ｍ２という。）、第３関節７
９（以下、関節Ｍ３という。）、第４関節８０（以下、
関節Ｍ４という。）、第５関節８１（以下、関節Ｍ５と
いう。）、第６関節８２（以下、関節Ｍ６という。）の
各関節を介して屈曲自在に連結されている。なお、各関
節Ｍ１〜Ｍ６は全て回転関節により構成されている。ま
た、関節Ｍ１〜Ｍ６にはエンコーダが取り付けられてお
り、これによって、各関節軸回りの回転角を検出できる
ようになっている。

【００５４】図１１は、操作用マスターマニピュレータ
５の外観図を示している。第６リンク７６の末端には鉗
子８３が設けられている。この鉗子８３の開閉はエンコ
ーダにより検出され、鉗子８３の開閉動作と同様の開閉
動作が、処置用マニピュレータの先端に設けられた手術
器械としての処置具の例えばグリッパーで行なわれる。
すなわち、鉗子８３の開閉動作と前記グリッパーの開閉
動作とが１対１で対応する。このような動作制御は前述
したモータコントロールユニット７（図１参照）によっ
て行なわれる。

【００５５】操作用マスタマニピュレータ５が関節Ｍ１
〜Ｍ６から成る６軸機構を有していることにより、鉗子
８３は、操作用マスタマニピュレータ５の動作範囲内で
あれば、任意の位置および姿勢をとることができる。

【００５６】図１２は、図１０で示される操作用マニピ
ュレータ５の各リンク７０〜７６に設定されたリンク座
標系を示している。図１２中、８５は、第０リンク座標
系８５であり、第０リンク７０に設定されたＸＹＺ直交
座標系である。以下、この第０リンク座標系８５をマス
ターベース座標系８５という。

【００５７】マスターベース座標系８５は、以後、操作
用マニピュレータ５においての基準座標系であり、操作
用マニピュレータ５をベッドサイドレール３から動かさ
ない限り、空間上に固定された座標系である。マスター
ベース座標系８５に原点Ｏ_M0を一致させて第１リンク座
標系８６が第１リンク７１上に設定されている。第２リ
ンク座標系８７〜第６リンク座標系９１がそれぞれ第２
リンク７２〜第６リンク７６上に設定されている。な
お、第４リンク座標系８９〜第６リンク座標系９１の原
点Ｏ₄ ，Ｏ₅ ，Ｏ₆ は一致するように設定してある。

【００５８】ここで、ハンド座標系９２を設定する。ハ
ンド座標系９２の原点Ｏ_h は、第６リンク座標系９１の
原点Ｏ₆ と一致し、ハンド座標系９２のＺ_h 軸およびＸ
_h 軸はそれぞれ第６リンク座標系９１のＺ₆ 軸とＹ₆ 軸
と反対向きになるように設定されている。なお、各リン
ク座標系８５〜９１は、Demavit-Hartenberg表現に基づ
いてそれぞれ設定されている。

【００５９】図１３には、操作用マニピュレータ５にお
けるリンクパラメータが示されている。図１２で示され
る各リンク座標系８５〜９１の関係から、関節角θ_i 、
ねじれ角α_i 、リンク長ａ_i 、リンク間距離ｄ_i （ｉ＝
１、２、３、４、５、６）がそれぞれDemavit-Hartenbe
rg表現に基づいて得られる。図１３中で、カッコ内に囲
まれているθ₁ 〜θ₆ は関節Ｍ１〜Ｍ６にそれぞれ対応
した関節変数である。なお、図１２中に示されている操
作用マニピュレータ５は、θ₁ ＝θ₄ ＝θ₆ ＝０°、θ
₂ ＝θ₃ ＝９０°、θ₅ ＝−９０°の状態を示してい
る。また、リンクパラメータ中のリンク間距離ｄ₄ は、
リンク座標系の設定方法のためにマイナスの値である。

【００６０】ここで、リンク座標変換行列^i-1 Ｍ_i （４
×４行列）を求める。前記リンクパラメータを参考にし
て、例えば、ベース座標系８５に対する第１リンク座標
系８６のリンク座標変換行列^M0Ｍ₁ が得られる。同様
に、各リンク座標変換行列¹ Ｍ₂ 、² Ｍ₃ 、³ Ｍ₄ 、⁴
Ｍ₅ 、⁵ Ｍ₆ がそれぞれ得られる。さらに、ハンド座標
系９２の第６リンク座標系９１に対する座標変換行列を
⁶ Ｍ_h とすると、この座標変換行列⁶ Ｍ_h と各リンク座
標変換行列^M0Ｍ₁ 〜⁵ Ｍ₆ とを掛け合わせることより、
アーム行列^M0Ｔ´_h が得られる。すなわち、 ^M0Ｔ´_h ＝^M0Ｍ₁ ・¹ Ｍ₂ ・² Ｍ₃ ・³ Ｍ₄ ・⁴ Ｍ₅ ・⁵ Ｍ₆ ・⁶ Ｍ_h ……（数式８）

【００６１】

【数２】

【００６２】この場合、アーム行列^M0Ｔ´_h は、マスタ
ーアーム座標系８５に対するハンド座標系９２の位置関
係を表すものである。ここで、（数式８´）の^M0Ｐ_h
は、マスターベース座標系８５の原点Ｏ_M0からハンド座
標系９２の原点Ｏ_h へ向かう位置ベクトルであり、^M0Ｒ
_h は、マスターベース座標系８５に対するハンド座標系
９２の回転行列である。また、（数式８）の右辺は、操
作用マニピュレータ５においての各関節変数θ₁ 〜θ₆
からなる関数である。つまり、各関数変数θ₁ 〜θ₆ が
決定されることより、回転行列^M0Ｒ_h および位置ベクト
ル^M0Ｐ_h が求まり、結果的に、アーム行列^M0Ｔ´_h が求
まるわけである。また、各関節変数θ₁ 〜θ₆ が操作用
マニピュレータ５の関節Ｍ１〜Ｍ６に設けられたエンコ
ーダにより検出される回転角に対応しているため、術者
が鉗子８３を操作することよって、術者の手および鉗子
８３の位置及び姿勢情報がマスターベース座標系８５に
対して求まる。

【００６３】次に、本発明の第４の実施例について説明
する。本実施例では、内視鏡と処置具とが一体となった
手術器械を手術用マニピュレータの先端に設けた場合に
ついて説明する。

【００６４】図１４の（ａ）中、９５は手術用マニピュ
レータである。この手術用マニピュレータ９５の先端部
９６には、３Ｄスコープである内視鏡９７と一対の処置
具９８，９９とが一体となった手術器械が設けられてい
る。図１４の（ｂ）に先端部９６の拡大図が示されてい
る。

【００６５】一方、操作手段として、図１４の（ｃ）に
示すような多関節構造を有するマスターマニピュレータ
１００が設けられている。このマスターマニピュレータ
１００の先端にはＨＭＤ１３と一対の処置具操作用アー
ム１０１，１０２とが設けられている。処置具操作用ア
ーム１０１，１０２の一方と他方は一対の処置具９８，
９９の一方と他方にそれぞれ個別的に対応しており、こ
れらは、マスター（処置具操作用アーム）とスレーブ
（処置具）との関係をなす個別的に対応した動きをする
ようになっている。

【００６６】また、内視鏡９７は、術者の頭部の動きに
追従するように動作する。頭部の動きに関する情報は、
多関節構造をなすマスターマニピュレータ１００の位置
および姿勢情報から得ることができる。なお、手術用マ
ニピュレータ９５は、その先端部９６の一対の処置具９
８，９９を除いて、観察用マニピュレータ９と同一構造
になっている。

【００６７】以上の構成によれば、術者がＨＭＤ１３に
表示される立体画像を見ながら頭の位置を動かすと、そ
の動作に追従して立体的に観察可能な３Ｄスコープであ
る内視鏡９７の観察位置（術野）が動作するため、術者
はあたかも体腔内にいるような臨場感が得られる。さら
に、ＨＭＤ１３に表示される立体画像を見ながら処置具
操作用アーム１０１，１０２を操作して処置具９８，９
９の動作を行なうと、体腔内にい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。

【００６８】なお、以上説明してきた態様により、以下
の項で示す各種の構成が得られる。１．複数の軸を有する多関節構造の手術用マニピュレー
タと、この手術用マニピュレータに設けられ体腔内に挿
入可能な手術器械と、手術用マニピュレータの位置およ
び／または姿勢を決定するための操作手段と、この操作
手段により決定される位置および姿勢の一部を、前記手
術用マニピュレータの複数の軸の一部により決定される
位置または姿勢に対応させる制御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。

【００６９】２．前記手術器械が内視鏡であることを特
徴とする第１項に記載の手術用マニピュレータシステ
ム。３．前記手術器械が処置具であることを特徴とする第１
項に記載の手術用マニピュレータシステム。

【００７０】４．前記手術器械が内視鏡と処置具とを一
体にして構成されていることを特徴とする第１項に記載
の手術用マニピュレータシステム。５．前記操作手段がマスターマニピュレータであること
を特徴とする第１項に記載の手術用マニピュレータシス
テム。

【００７１】６．前記操作手段が位置センサであること
を特徴とする第１項に記載の手術用マニピュレータシス
テム。７．前記操作手段の位置が手術用マニピュレータの関節
の位置に対応し、操作手段の姿勢が前記関節を基準とす
るマニピュレータの作用点までのオリエンテーションに
対応することを特徴とする第１項に記載の手術用マニピ
ュレータシステム。

【００７２】８．前記手術用マニピュレータの関節が、
体腔内に挿入される前記手術器械の挿入部の湾曲部の基
部であり、前記オリエンテーションが前記湾曲部の湾曲
角に対応することを特徴とする第７項に記載の手術用マ
ニピュレータシステム。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の手術用マ
ニピュレータシステムによれば、操作手段からの位置お
よび姿勢情報を、手術用マニピュレータの複数の軸の一
部に対応させることにより、手術用マニピュレータを動
作させるために必要な計算量を減らすことができるた
め、計算機への負担を軽減できる。これによって、例え
ば計算時間が短縮されるため、手術用マニピュレータの
応答性が向上し、結果的に操作性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の手術用マニピュレータシステムの全体
構成図である。

【図２】図１の手術用マニピュレータシステムの使用状
態の一例を示す斜視図である。

【図３】本発明の第１の実施例に係る手術用マニピュレ
ータシステムの観察用マニピュレータのリンク構造図で
ある。

【図４】図３の観察用マニピュレータの外観図である。

【図５】図３の観察用マニピュレータの各リンクに設定
されたリンク座標系を示す図である。

【図６】図３の観察用マニピュレータにおけるリンクパ
ラメータを表としてまとめた図である。

【図７】観察用マニピュレータにおける逆運動学方程式
を解く際に必要な境界条件を求めるのに使用されるベク
トル図である。

【図８】術者の動きと観察用マニピュレータとの対応関
係を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施例に係る観察用マニピュレ
ータと術者の動きとの対応関係を示す図である。

【図１０】本発明の第２の実施例に係る操作用マスター
マニピュレータのリンク構造図である。

【図１１】図１０の操作用マスターマニピュレータの外
観図である。

【図１２】図１０の操作用マスターマニピュレータの各
リンクに設定されたリンク座標系を示す図である。

【図１３】操作用マスターマニピュレータにおけるリン
クパラメータを表としてまとめた図である。

【図１４】本発明の第４の実施例に係り、内視鏡と処置
具とが一体となった手術器械を有する手術用マニピュレ
ータの斜視図である。

【符号の説明】

５…操作用マスターマニピュレータ（操作手段）、６…
処置用マニピュレータ（手術用マニピュレータ）、７，
１６…モータコントロールユニット、８…内視鏡（手術
器械）、８´…処置具（手術器械）、９…観察用マニピ
ュレータ（手術用マニピュレータ）、１５…３Ｄディジ
タイザ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の軸を有する多関節構造の手術用マ
ニピュレータと、この手術用マニピュレータに設けられ
体腔内に挿入可能な手術器械と、手術用マニピュレータ
の位置および／または姿勢を決定するための操作手段
と、この操作手段により決定される位置および姿勢の一
部を、前記手術用マニピュレータの複数の軸の一部によ
り決定される位置または姿勢に対応させる制御手段とを
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。