WO2012073789A1 - マスタ操作入力装置及びマスタスレーブマニピュレータ - Google Patents

マスタ操作入力装置及びマスタスレーブマニピュレータ Download PDF

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WO2012073789A1
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master
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slave manipulator
unit
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岸　宏亮
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オリンパス株式会社
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    • A61B2090/0807—Indication means
    • A61B2090/0811—Indication means for the position of a particular part of an instrument with respect to the rest of the instrument, e.g. position of the anvil of a stapling instrument
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    • A61B2560/04—Constructional details of apparatus
    • A61B2560/0487—Special user inputs or interfaces

Definitions

  • the present invention relates to a master operation input device for remotely operating a slave manipulator and a master slave manipulator having such a master operation input device.
  • a manipulator system (master slave manipulator) is known in which a manipulator (slave manipulator) that directly contacts a patient's body cavity can be remotely operated by a master operation input device.
  • a master-slave manipulator is known in which the degree of freedom of the slave arm included in the slave manipulator is 7 degrees or more (3 degrees of freedom + 3 degrees of freedom + redundant degrees of freedom).
  • Japanese Patent Laid-Open No. 5-228854 it is also possible to directly command the driving amount of the joint corresponding to the degree of redundancy.
  • the structure of the operation unit for instructing the driving amount of the joint corresponding to the redundancy degree of freedom is different from the structure of the joint corresponding to the redundancy degree of freedom of the slave arm. Therefore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-228854, when directly instructing the driving amount of the joint corresponding to the degree of freedom of redundancy, the operator does not intuitively know how much operation should be performed. The operability is not always good.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a master operation input device capable of more intuitive operation and improved operability, and a master slave manipulator having such a master operation input device. Objective.
  • a master operation input device for operating a slave manipulator having joints corresponding to a plurality of degrees of freedom, and is held by an operator
  • the position and posture of the slave manipulator can be changed freely according to the change of the position and posture, and the position and posture of the distal end of the slave manipulator which is the farthest end when the slave manipulator is viewed from the fixed end can be changed.
  • a gripping unit configured to give a command value, and a first operation that is provided at a position that can be operated by the operator's fingertip while the gripping unit is gripped and that can be operated independently of the gripping unit And a portion.
  • a master slave manipulator includes a slave manipulator having joints corresponding to a plurality of degrees of freedom, the master operation input device according to the aspect, command values for the position and orientation,
  • the drive amount of each joint of the slave manipulator is calculated from the command value of the drive amount for driving the joint at the distal end of the slave manipulator, and each joint of the slave manipulator is driven according to the calculation result of the drive amount And a control unit.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a master-slave manipulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an operation unit of the master operation input device according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the operation unit configured as shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a state when the operation unit of the master operation input device is actually operated.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the structure of the slave arm.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of an operation unit of a modified example in which the first roll joint has a double-axis structure.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the operation unit configured as shown in FIG. FIG.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating a structure of a slave arm of a modified example in the case where the joint provided in the grip portion is a yaw joint.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating a structure of a master operation input device according to a modified example in which the joint provided in the grip portion is a yaw joint.
  • FIG. 9A is a diagram illustrating a structure of a slave arm of a modified example in the case where a joint provided in the grip portion is a pitch joint.
  • FIG. 9B is a diagram illustrating a structure of a master operation input device according to a modified example in which a joint provided in the grip portion is a pitch joint.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating a structure of a slave arm according to a modification in the case where the joint provided in the grip portion is a linear motion joint.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating a structure of a master operation input device according to a modification in the case where the joint provided in the grip portion is a linear motion joint.
  • FIG. 11A is a diagram illustrating a structure of a slave arm according to a modification in the case where a plurality of joints are provided in the grip portion.
  • FIG. 11B is a diagram illustrating a structure of a master operation input device according to a modification in the case where a plurality of joints are provided in the grip portion.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a wireless operation unit.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a wireless operation unit.
  • FIG. 13A is a diagram illustrating the movement of the operation unit.
  • FIG. 13B is a diagram illustrating the movement of the operation unit.
  • FIG. 13C is a diagram illustrating the movement of the operation unit.
  • FIG. 14 is a flowchart showing the flow of joint drive of the slave arm in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an opening angle of the tip effector operation unit.
  • FIG. 16 is a flowchart showing the flow of joint drive of the slave arm in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating the force acting on the tip effector operation section.
  • FIG. 18 is a flowchart showing the flow of joint drive of the slave arm in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a flowchart showing the flow of joint drive of the slave arm in the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of an example of a master-slave manipulator according to an embodiment of the present invention.
  • the master-slave manipulator according to this embodiment includes a master operation input device 10, a control device 20, and a slave manipulator 30.
  • the master operation input device 10 functions as a master in the master slave manipulator, and includes an operation unit 11 and a display unit 12.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the operation unit 11 of the master operation input device 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the operation unit 11 having the configuration shown in FIG.
  • FIG. 2 illustrates the configuration of the operation unit for the right hand.
  • the configuration of the left-hand operation unit is substantially the same as that shown in FIG. 2 except that the left-right relationship is reversed with respect to the right-hand operation unit.
  • the operation unit 11 has a grip unit 101.
  • the grip part 101 is a part that the operator 1 grips with a hand.
  • the grip part 101 is supported so as to be movable in three orthogonal axes (X axis, Y axis, and Z axis shown in FIG. 2) and rotation directions around the respective axes.
  • X axis when the operator 1 operates the master operation input device 10 as shown in FIG. 1, the direction parallel to the ground and from the face of the operator 1 toward the display unit 12 is a positive direction.
  • the X axis is set.
  • the Y axis is set along a direction parallel to the ground and perpendicular to the X axis.
  • the Z axis is set along a direction perpendicular to the ground.
  • a first roll joint 102 as an example of a first operation unit is axially fixed to the grip unit 101.
  • the first roll joint 102 has a rotation axis parallel to the X axis shown in FIG. 2 and can be rotated by the fingertip when the operator 1 holds the grip portion 101 by hand.
  • a position detector (for example, an encoder) (not shown) is provided in the vicinity of the first roll joint 102.
  • the driving amount (rotation amount) theta 5 is detected by the position detector.
  • an operation signal corresponding to the drive amount (rotation amount) ⁇ 5 of the first roll joint 102 is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • the operation signal of the first roll joint 102 is a signal that gives a command value for directly commanding the driving amount of the joint at the distal end of the slave arm 31 of the slave manipulator 30.
  • An end effector operation unit 103 as an example of a second operation unit is attached on the same straight line as the first roll joint 102. That is, the first roll joint 102 and the tip effector operation unit 103 are operably attached independently of the position / posture of the grip unit 101.
  • the tip effector operation unit 103 is configured to be opened and closed with a fingertip when the operator 1 holds the grip unit 101 by hand.
  • a position detector (for example, an encoder) (not shown) is provided in the vicinity of the tip effector operation unit 103.
  • the opening / closing amount for example, the opening / closing angle ⁇ 6 ) is detected by the position detector.
  • an operation signal corresponding to the opening / closing amount ⁇ 6 of the tip effector operation unit 103 is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • the operation signal of the tip effector operation unit 103 is a command value for directly instructing the opening / closing amount of the tip effector attached to the joint at the distal end of the slave arm 31 of the slave manipulator 30. It is a signal to give.
  • the gripper 101 is moved in the positive direction of the X axis (the direction away from the operator 1 in FIG. 1) by the length of the first roll joint 102 in the X axis direction and the length of the tip effector operation unit 103 in the X axis direction. It extends toward the first link.
  • the first link further extends in the positive direction of the Z axis (the ground direction in FIG. 1).
  • the extension portion 101a of the first link that faces the positive direction of the Z axis is rotatably supported by the second link 104 at a position on the same straight line as the rotation axis of the first roll joint 102.
  • a position detector (for example, an encoder) (not shown) is provided in the vicinity of the second roll joint constituted by the extending portion 101a and the second link 104 (in FIG. 3, the same reference numerals as those of the second link are attached). It has been. If the second roll joint is driven with the operation of the operator 1 of the grip portion 101, the drive amount (rotation amount) theta 4 is detected by the position detector. From this position detector, an operation signal corresponding to the driving amount ⁇ 4 of the second roll joint is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • the second link 104 extends in the negative direction of the Z axis and the negative direction of the X axis so as to be parallel to the extending portion 101a of the first link, and is rotatably fixed to the third link 105.
  • a cover 105 a is attached to the third link 105.
  • the cover 105a prevents the rotation shaft from falling off at the yaw joint (the same reference numeral as that of the third link in FIG. 3) formed by the second link 104 and the third link 105.
  • a position detector (for example, an encoder) (not shown) is provided in the vicinity of the yaw joint constituted by the second link 104 and the third link 105.
  • the drive amount (rotation amount) theta 3 is detected by the position detector. From this position detector, an operation signal corresponding to the drive amount ⁇ 3 of the yaw joint is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • the third link 105 extends in the negative direction of the Y axis (the right-hand direction in FIG. 1), and further extends in the positive direction of the Z axis so as to be rotatable about the fourth link 106. It has been stopped.
  • a position detector for example, an encoder (not shown) is provided in the vicinity of a pitch joint formed by the third link 105 and the fourth link 106 (in FIG. 3, the same reference numerals as those of the fourth link are attached). Yes. If the pitch joint is driven with the operation of the operator 1 of the grip portion 101, the drive amount (rotation amount) theta 2 is detected by the position detector. From this position detector, an operation signal corresponding to the drive amount ⁇ 2 of the pitch joint is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • the fourth link 106 is attached to the first linear motion joint 107.
  • a position detector for example, an encoder (not shown) is provided in the vicinity of the first linear motion joint 107. If the first translation joint 107 is driven with the operation of the operator 1 of the grip portion 101, the driving amount (Chokudoryou) d 2 is detected by the position detector. From this position detector, an operation signal corresponding to the drive amount d 2 of the first linear motion joint 107 is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • a fifth link extends from the first linear motion joint 107 in a direction orthogonal to the fourth link 106.
  • the fifth link is attached to the second linear motion joint 108.
  • a position detector (for example, an encoder) (not shown) is provided in the vicinity of the second linear motion joint 108.
  • the driving amount (Chokudoryou) d 1 is detected by the position detector. From this position detector, an operation signal corresponding to the drive amount d 1 of the second linear motion joint 108 is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • a rotating member 109 configured to be rotatable in the yaw direction is attached to the second linear motion joint 108.
  • a position detector (for example, an encoder) (not shown) is provided in the vicinity of the rotating member 109.
  • the drive amount (rotation amount) theta 1 is detected by the position detector. From this position detector, an operation signal corresponding to the driving amount ⁇ 1 of the rotating member 109 is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • FIG. 4 shows a state when the operation unit 11 of the master operation input device 10 is actually operated.
  • the operator 1 changes the position / posture of the gripper 101 by the movement of the wrist, elbow, and shoulder while the gripper 101 is gripped by the hand 200.
  • Each joint of the operation unit 11 is driven as the position / posture of the grip unit 101 changes.
  • the driving amount of each joint is detected by a position detector disposed in the vicinity of each joint, and an operation signal corresponding to each driving amount is input to the master control unit 21.
  • the operator 1 can operate the first roll joint 102 and the tip effector operation unit 103 with the fingertip while holding the grip unit 101.
  • the operation amounts of the first roll joint 102 and the tip effector operation unit 103 are detected by position detectors arranged in the vicinity of each, and an operation signal corresponding to each operation amount is input to the master control unit 21.
  • the operation unit 11 corresponds to seven degrees of freedom of six operation signals corresponding to changes in the position / posture of the grip unit 101 and operation signals indicating the operation amount of the first roll joint 102.
  • the operation signal (+ the operation signal of the tip effector) is input to the master control unit 21 of the control device 20.
  • the display unit 12 illustrated in FIG. 1 includes, for example, a liquid crystal display, and displays an image based on an image signal input from the control device 20.
  • the image signal input from the control device 20 is obtained by processing in the control device 20 an image signal obtained via an electronic camera (electronic endoscope) attached to the slave arm 31.
  • an electronic camera electronic endoscope
  • the operator 1 of the master operation input device 10 can image the hand of the slave manipulator 30 disposed at a location away from the master operation input device 10. It is possible to confirm.
  • the control device 20 includes a master control unit 21, a manipulator control unit 22, and an image processing unit 23.
  • the master control unit 21 calculates the position / posture command value of the hand of the slave arm 31 according to, for example, kinematic calculation in accordance with the operation signal from the master operation input device 10, and the manipulator control unit 22 calculates the position / posture command value. Output to. Further, the master control unit 21 sends an operation signal for instructing the driving amount of the distal end joint from the master operation input device 10 and an operation signal for instructing the driving amount of the tip effector to the manipulator control unit 22. Output.
  • the manipulator control unit 22 receives the command value of the position / posture from the master control unit 21 and the drive amount of each joint of the slave arm 31 required to match the position / posture of the hand of the slave arm 31 with the command value. For example, by inverse kinematics calculation. Then, the manipulator control unit 22 drives each joint of the slave arm 31 according to the calculated drive amount. The manipulator control unit 22 receives the operation signal for instructing the driving amount of the joint at the distal end from the master control unit 21 and the operation signal for instructing the driving amount of the tip effector. Drive the joint at the distal end or drive the tip effector.
  • the image processing unit 23 processes an image signal obtained from an electronic camera (such as an electronic endoscope) provided at the tip of the slave arm 31, generates an image signal for display on the display unit 12, and displays the display unit 12. Output to.
  • an electronic camera such as an electronic endoscope
  • the slave manipulator 30 has a slave arm 31. Each joint of the slave arm 31 is driven according to a control signal from the manipulator control unit 22.
  • FIG. 5 shows an example of the structure of the slave arm 31.
  • the slave arm 31 shown in FIG. 5 has seven joints 202 to 208 arranged continuously.
  • a tip effector 201 is attached to the joint 202 at the distal end of the slave arm 31.
  • the joint at the distal end refers to a joint arranged at a position farthest from the side where the slave arm 31 is fixed.
  • the tip effector 201 shown in FIG. 5 shows an example of a gripper (gripper).
  • a camera electronic endoscope
  • joints 202 and 205 are roll joints that rotate around the roll axis (corresponding to the X axis shown in FIG. 2), and joints 203 and 208 correspond to the yaw axis (corresponding to the Z axis shown in FIG. 2).
  • Yaw joints rotating around, and joints 204 and 207 are pitch joints rotating around the pitch axis (corresponding to the Y axis shown in FIG. 2).
  • the joint 206 is a linear joint that moves linearly along the roll axis. In the example of FIG. 5, all the seven joints are independent.
  • a joint 202 for rolling the tip effector 201 is provided as a redundant joint.
  • the distal end joint 202 and the tip effector 201 can directly command the drive amount by the master operation input device 10.
  • the distal end of the slave arm 31 is moved to a position in the operation unit 11 of the master operation input device 10 that can be operated by the fingertip while the operator 1 is holding the grip unit 101.
  • the first roll joint 102 which is an operation unit having the same structure as the end joint 202 is provided. As a result, the operator 1 can stably operate the slave arm 31 with seven degrees of freedom with one hand.
  • a needle-operating operation is required at the time of postoperative suturing.
  • the needle is applied to a necessary part of the patient while the gripper as the tip effector 201 attached to the hand of the slave arm 31 is rolled.
  • the roll joint 205 which is a joint far from the tip effector 201, is rolled, the tip effector 201 is also rolled, but the other joints also move greatly, and the joint of the slave arm 31 becomes a surrounding organ. May collide with each other.
  • the roll joint 202 which is a joint at the distal end of the slave arm 31 is rolled so that other joints do not operate unnecessarily. Is desirable.
  • the operator 1 since the structure of the first roll joint 102 is the same as that of the joint 202 at the distal end of the slave arm 31, the operator 1 operates the operation amount of the first roll joint 102 and the drive of the roll joint 202. It is possible to intuitively recognize the relationship with the quantity. For this reason, the operator 1 can finely control the drive amount of the joint 202 at the distal end of the slave arm 31.
  • the joint 202 at the distal end can be operated by moving the first roll joint 102 while instructing the position / posture of the tip effector 201 with the grip portion 101 held by the palm, and the posture of the finger is the tip.
  • the posture of the effector 201 an intuitive operation is possible.
  • the posture of the finger corresponds to the position / posture of the tip effector 201.
  • the tip effector operation unit 103 is attached on the same straight line connecting the first roll joint 102 and the grip unit 101, so that the operator 1 holds the grip unit 101 while holding it. It is possible to operate the tip effector operation unit 103.
  • the first roll joint 102 and the tip effector operation unit 103 can be driven independently, and by placing a finger on the tip effector operation unit 103 and opening and closing the tip effector operation unit 103, ⁇ 6 can be obtained, by twisting the end effector operation unit 103, it is possible to first roll joint 102 which is a base to obtain the theta 5 rotates.
  • the first roll joint 102 in this embodiment is driven independently of the other joints. Therefore, the master operation input device 10 in the present embodiment can be applied to the slave manipulator 30 that does not have redundant degrees of freedom of 6 degrees or less.
  • the first roll joint 102 is supported only by the grip portion 101.
  • the first roll joint 102 only needs to be configured to be able to roll independently of other joints.
  • the first roll joint 102 (the tip effector operation unit 103 in FIG. 6) may be supported by the point.
  • a schematic diagram of the configuration of FIG. 6 is shown in FIG.
  • FIG. 7 in the case of the configuration shown in FIG. 6, the first roll joint 102 and the second roll joint 104 are disposed substantially adjacent to each other.
  • the second roll joint 104 does not roll as the first roll joint 102 rolls. To do.
  • the example which provided the roll joint in the holding part 101 is shown.
  • the joint at the distal end of the slave arm 31 is a roll joint.
  • the joint provided in the grip portion 101 is also changed.
  • FIG. 8A when the joint at the distal end of the slave arm 31 is a yaw joint, the joint 1021 provided in the grip portion 101 is also a yaw joint as shown in FIG. 8B.
  • FIG. 9A when the joint at the distal end of the slave arm 31 is a pitch joint, the joint 1022 provided in the grip portion 101 is also a pitch joint as shown in FIG. 9B.
  • the joint 1023 provided in the grip portion 101 is also a linear motion joint as shown in FIG. 10B.
  • FIG. 11A when two or more kinds of independent joints 202a and 202b are provided at the distal end of the slave arm 31, a plurality of joints are provided in the grip portion 101.
  • FIG. 11A illustrates a slave arm 31 with 8 degrees of freedom in which a roll joint 202b and a linear motion joint 202a are added in addition to the joints 203 to 208 corresponding to 6 degrees of freedom.
  • the gripper 101 is also provided with two joints that can be operated independently, each having a roll joint 102b and a linear motion joint 102a. With this configuration, the joint at the distal end of the slave arm 31 and the joint provided on the grip portion 101 can have the same structure.
  • FIG. 11B is an example in which two joints are provided. However, when the number of joints of the slave arm 31 is increased, the number of joints provided in the grip portion 101 of the master operation input device 10 is increased accordingly.
  • the structure of the tip effector 201 of the slave arm 31 is different from that shown in FIG. 5, it is desirable to change the structure of the tip effector operation unit 103 accordingly.
  • the joints 104 to 109 provided in the operation unit 11 shown in FIG. 2 are for instructing the position / posture of the hand of the slave arm 31, and can instruct the position / posture of the hand of the slave arm 31.
  • the joints 104 to 109 are not necessary.
  • a sensor for example, an acceleration sensor
  • the operation unit 11 can be configured as shown in FIG. In the example of FIG. 12, the operator 1 grips the grip part 101 of the operation part 11, and moves or rotates the operation part 11 in the three-dimensional space, so that it corresponds to the three degrees of freedom of the position. An operation signal can be given.
  • the operation signal corresponding to the three degrees of freedom of the posture is obtained by analyzing an image obtained by the camera 13, for example.
  • FIG. 12 shows an example in which the operation signal obtained by the operation unit 11 can be wirelessly communicated via the wireless communication unit 14.
  • the operation signal obtained by the operation unit 11 may be wired.
  • the inverse kinematic calculation for obtaining the driving amount of each joint is performed by selecting one of the two joints in the slave arm 31 in a redundant relationship as a driving joint and setting the rest as a fixed joint.
  • a redundant relationship refers to a relationship in which operation axes such as a rotation axis and a linear motion axis of a joint are parallel to each other.
  • an equivalent rotation vector (also called an equivalent rotation axis vector or the like) is used to determine which joint is the drive joint. For this reason, an equivalent rotation vector will be described.
  • the posture change of the grip part 101 of the operation part 11 is defined as follows.
  • the position of the grip portion 101 illustrated in FIG. 13C is a position Om (t) illustrated in FIG. 13A at a certain time t.
  • the gripper 101 at time t has a master roll axis Xm, a master pitch axis Ym, and a master yaw axis Zm as shown in FIGS. 13A and 13C, respectively, Xm (t), Ym (t), and Zm (t). It is assumed that the posture is facing the direction. From this state, it is assumed that the position of the gripping portion 101 is changed to the position Om (t + 1) shown in FIG.
  • the posture of the gripper 101 at time t + 1 is such that the master roll axis Xm, the master pitch axis Ym, and the master yaw axis Zm are in the directions Xm (t + 1), Ym (t + 1), and Zm (t + 1) shown in FIG. 13A, respectively.
  • the posture change of the gripper 101 at this time is a combination of rotation around the master roll axis Xm (t), rotation around the master pitch axis Ym (t), and rotation around the master yaw axis Zm (t). is there.
  • the two roll joints of the joint 202 and the joint 205 are in a redundant relationship.
  • the master control unit 21 selects one of the joint 202 and the joint 205 as a driving joint and sets the other as a fixed joint based on the determination using the rotation axis Vr. That is, at this time, the slave arm 31 can be handled as having no redundant degree of freedom temporarily, so that the calculation for obtaining the driving amount of each joint can be facilitated.
  • FIG. 14 is a flowchart showing the flow of joint drive of the slave arm 31 in the first embodiment.
  • the master control unit 21 obtains the current position and posture of the gripping unit and the previous position and posture according to the operation signal from the master operation input device 10. Based on these values, the master roll axis Xm of the immediately preceding gripper and an equivalent rotation vector indicating the rotation axis Vr accompanying the posture change are further calculated.
  • step S20 the master control unit 21 determines whether or not the angle ⁇ formed by the master roll axis Xm and the rotation axis Vr is equal to or less than a predetermined value set in advance.
  • step S21 the master control unit 21 selects the joint 202 close to the tip effector 201 as a driving joint, and sets the other joint 205 as a fixed joint.
  • step S22 the master control unit 21 selects the joint 205 far from the tip effector 201 as a driving joint, and sets the other joint 202 as a fixed joint.
  • step S20 The determination in step S20 is based on the following concept.
  • a specified value at an angle ⁇ (t) formed by the equivalent rotation vector Vr (t) and the master roll axis Xm (t) is set, and when ⁇ (t) is equal to or less than this specified value, the roll axis at the tip It is regarded as a “fine movement” such as a needle-hanging operation in which the joint moves exclusively. Therefore, the specified value serving as a determination criterion can be appropriately set depending on how much operation is determined to be “fine movement”, and can be set to 15 degrees, for example.
  • step S21 or step S22 the master control unit 21 outputs a joint selection signal indicating the selection result to the manipulator control unit 22 together with the position / posture command values. After step S21 or step S22, the process proceeds to step S30.
  • step S30 the manipulator control unit 22 is necessary to match the position / posture of the hand of the slave arm 31 with the command value based on the position / posture command value and the joint selection signal received from the master control unit 21.
  • the driving amount of each joint of the slave arm 31 is calculated by inverse kinematics calculation, and the command value for each joint is determined.
  • the slave arm 31 is originally a joint corresponding to seven degrees of freedom, but one of the joints 202 and 205 in a redundant relationship is a fixed joint (that is, the driving amount becomes zero), and therefore the slave arm 31 has seven.
  • the number of joints calculated by the inverse kinematic calculation can be reduced as compared with the case where all the driving amounts of the degrees of freedom are unknown, the inverse kinematic calculation is simplified, and the load on the manipulator control unit 22 is reduced.
  • step S ⁇ b> 40 the manipulator control unit 22 calculates the drive amount Mr of the first roll joint 102 which is the master side redundant joint based on the information received from the master control unit 21.
  • step S50 the manipulator control unit 22 adds the drive amount Mr calculated in step S40 to the drive amount of the joint 202 calculated in step S30, and determines the command value of the joint 202. As a result, command values for all joints of the slave arm 31 are determined.
  • step S60 the manipulator control unit drives each joint of the slave arm 31 in accordance with the command value of each joint obtained in step S50, and a series of processing ends. This flow is repeated at a predetermined interval, for example, every 10 to several tens of milliseconds, and selection of the driving joint is repeated.
  • the tip effector such as a gripper attached to the hand of the slave arm is rolled while the needle is applied to a necessary part of the patient, and the tip effector is moved finely at the target part. It is.
  • the slave arm 31 controls the position and posture of the tip effector while operating the seven joints in a coordinated manner. ) Is rolled, the tip effector is also rolled, but the other joints also move greatly, and the joint of the slave arm 31 may collide with surrounding organs and the like.
  • the joint 202 close to the tip effector 201 is selected as the driving joint, and the joint 205 far from the tip effector 201 is Fixed. Therefore, when a “fine movement” is performed in which only the tip effector is rolled, such as a needle hooking operation, the other joints of the slave arm do not move greatly, The operation can be performed more safely on the patient.
  • step S30 can be simplified. As a result, the load on the manipulator control unit due to the calculation is reduced, the time required for the calculation is shortened, and each joint of the slave arm can be driven smoothly.
  • the description will focus on the determination criteria, and the overlapping description will be omitted for the common parts.
  • FIG. 16 is a flowchart showing the flow of joint drive of the slave arm 31 in the second embodiment.
  • step S ⁇ b> 10 ⁇ / b> A the opening angle ⁇ g of the tip effector operation unit 103 is measured and sent from the master operation input device 10 to the master control unit 21.
  • step S20A the master control unit 21 determines whether the opening angle ⁇ g is a predetermined value, for example, 1 degree or less.
  • step S20A determines whether the determination in step S20A is Yes. If the determination in step S20A is Yes, the process proceeds to step S21, and the master control unit 21 selects the joint 202 close to the tip effector 201 as the driving joint, and sets the other joint 205 as a fixed joint. On the other hand, when the determination is No, the process proceeds to step S22, and the master control unit 21 selects the joint 205 far from the tip effector 201 as a driving joint, and sets the other joint 202 as a fixed joint.
  • the value of the opening angle ⁇ g becomes equal to or less than a specified value, and the joint 202 is selected as the driving joint. Therefore, as in the first embodiment, when “fine movement” is performed, other joints of the slave arm do not move greatly, and procedures and operations involving fine movement can be performed more safely on the patient. Can do.
  • the tip effector 201 may be provided with an angle sensor or the like, and the opening angle of the tip effector 201 may be acquired and used for the determination in step S20A. Further, when the opening angle of the tip effector 201 is used for determination, the opening angle of the tip effector 201 may be acquired by processing an image of the tip effector displayed on the display unit.
  • the description will focus on the determination criteria, and the description of common parts will be omitted.
  • the tip effector operation unit 103 when a force greater than a specified value is applied to the tip effector operation unit 103, something is gripped by the tip effector, that is, the above-mentioned “fine movement” is performed. Based on the idea that it is time, determination is made to select the drive joint based on the value of the force Fg acting on the tip effector operation unit 103 shown in FIG.
  • a known force sensor or the like is attached to the tip effector operation unit 103 so that the force Fg can be detected, and the detected value is sent to the master control unit 21.
  • FIG. 18 is a flowchart showing the flow of joint drive of the slave arm 31 in the third embodiment.
  • step S ⁇ b> 10 ⁇ / b> B the force Fg acting on the tip effector operation unit 103 is measured and sent from the master operation input device 10 to the master control unit 21.
  • step S20B the master control unit 21 determines whether the force Fg is a specified value, for example, 1N or more.
  • step S20B determines whether the determination in step S20B is Yes. If the determination in step S20B is Yes, the process proceeds to step S21, and the master control unit 21 selects the joint 202 close to the tip effector 201 as the driving joint, and sets the other joint 205 as a fixed joint. On the other hand, when the determination is No, the process proceeds to step S22, and the master control unit 21 selects the joint 205 far from the tip effector 201 as a driving joint, and sets the other joint 202 as a fixed joint.
  • the value of the force Fg becomes equal to or greater than a specified value, and the joint 202 is selected as the driving joint. Therefore, as in the first embodiment, when “fine movement” is performed, other joints of the slave arm do not move greatly, and procedures and operations involving fine movement can be performed more safely on the patient. Can do.
  • a force sensor or the like may be provided in the tip effector 201, and the value of the reaction force received by the tip effector 201 by gripping a needle or the like may be acquired and used for the determination in step S20B.
  • the fourth embodiment differs from the first embodiment only in the determination criteria for selecting the drive joint, the description will focus on the determination criteria, and overlapping descriptions of common parts will be omitted.
  • the tip effector 201 is moved toward the treatment target site, that is, the above-mentioned “fine” Based on the idea that “movement” is not performed, a determination is made to select a drive joint based on the amount of movement of the grip portion 101.
  • FIG. 19 is a flowchart showing the flow of joint drive of the slave arm 31 in the fourth embodiment.
  • step S ⁇ b> 10 ⁇ / b> C the master control unit 21 obtains the current position and the previous position of the gripping unit 101 according to the operation signal from the master operation input device 10. Based on these values, the absolute value em (the square root of ( ⁇ Xm 2 + ⁇ Ym 2 + ⁇ Zm 2 )) of the position change of the grip portion 101 is acquired.
  • step S20C the master control unit 21 determines whether or not the absolute value em is equal to or less than a specified value. If the determination result is Yes, the amount of movement of the gripping part 101 at a predetermined interval is small, that is, the gripping part 101 is moving at a relatively low speed, and the processing proceeds to step S21 and the joint close to the tip effector 201 202 is selected as the drive joint, and the other joint 205 is set as a fixed joint. On the other hand, when the determination is No, the process proceeds to step S22, and the master control unit 21 selects the joint 205 far from the tip effector 201 as a driving joint, and sets the other joint 202 as a fixed joint.
  • the example in which the movement amount of the gripper is acquired from the master operation input device has been described. Instead, the movement amount of the tip effector provided at the tip of the slave arm is acquired and the step is performed. You may use for determination of S20C.
  • the above-described embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some configuration requirements are deleted from all the configuration requirements shown in the embodiment, the above-described problem can be solved, and this configuration requirement is deleted when the above-described effects can be obtained.
  • the configuration can also be extracted as an invention.
  • the roll joints 202 and 205 are in a redundant relationship in the slave arm.
  • the joints in the redundant relationship may be yaw joints 202 and 208 as shown in FIG. 8A or pitch joints 202 and 204 as shown in FIG. 9A.
  • linear motion joints 202 and 206 as shown in FIG. 10A may be used.

Abstract

　複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータを操作するためのマスタ操作入力装置(10)は、把持部(101)と、第１の操作部(102)とを含む。把持部(101)は、操作者によって把持された状態で位置及び姿勢を変化自在であって、該位置及び姿勢の変化に応じて、スレーブマニピュレータを固定端から見た場合の最も遠い端部であるスレーブマニピュレータの遠位端の位置及び姿勢の指令値を与えるように構成されている。第１の操作部(102)は、把持部（101）が把持された状態で操作者の指先によって操作可能な位置に設けられ、把持部(101)とは独立に操作可能である。

Description

マスタ操作入力装置及びマスタスレーブマニピュレータ
　本発明は、スレーブマニピュレータを遠隔操作するためのマスタ操作入力装置及びそのようなマスタ操作入力装置を有するマスタスレーブマニピュレータに関する。
　近年、医療施設の省人化を図るため、ロボットによる医療処置の研究が行われている。特に、外科分野では、多自由度（多関節）アームを有するマニピュレータによって患者の処置をするマニピュレータシステムについての各種の提案がなされている。このようなマニピュレータシステムにおいて、患者の体腔に直接接触するマニピュレータ（スレーブマニピュレータ）を、マスタ操作入力装置によって遠隔操作できるようにしたマニピュレータシステム（マスタスレーブマニピュレータ）が知られている。また、近年では、スレーブマニピュレータが有するスレーブアームの自由度を７自由度以上（位置の３自由度＋姿勢の３自由度＋冗長自由度）としたマスタスレーブマニピュレータも知られている。
　一般に、７自由度以上を有するスレーブアームの場合、マスタ操作入力装置から入力可能な指令値が６個以下であると、スレーブアームの各関節の駆動量を計算するための逆運動学計算が複雑化する。このような複雑な計算を避けるための提案の１つとして、例えば特開平５－２２８８５４号公報の提案がなされている。特開平５－２２８８５４号公報では、ハンドルの操作によって６自由度の指令値を入力可能としたマスタアーム（マスタ操作入力装置）において、スイッチやダイヤル等の操作部をさらに設けることで、７自由度に対応した指令値を片手で入力可能としている。
　特開平５－２２８８５４号公報では、冗長自由度に対応した関節の駆動量を直接指令することも可能である。ここで、特開平５－２２８８５４号公報では、冗長自由度に対応した関節の駆動量を指令するための操作部の構造が、スレーブアームの冗長自由度に対応した関節の構造と異なっている。したがって、特開平５－２２８８５４号公報では、冗長自由度に対応した関節の駆動量を直接指令する場合において、操作者は、どの程度の量の操作を行えば良いのかが直感的には分からず、操作性が必ずしも良いとは言えない。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、より直感的な操作を可能として操作性を向上したマスタ操作入力装置及びそのようなマスタ操作入力装置を有するマスタスレーブマニピュレータを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、一態様のマスタ操作入力装置は、複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータを操作するためのマスタ操作入力装置であって、操作者によって把持された状態で位置及び姿勢を変化自在であって、該位置及び姿勢の変化に応じて、前記スレーブマニピュレータを固定端から見た場合の最も遠い端部である前記スレーブマニピュレータの遠位端の位置及び姿勢の指令値を与えるように構成された把持部と、前記把持部が把持された状態で前記操作者の指先によって操作可能な位置に設けられ、前記把持部とは独立に操作可能な第１の操作部と、を具備することを特徴とする。
　また、上記の目的を達成するために、一態様のマスタスレーブマニピュレータは、複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータと、前記態様のマスタ操作入力装置と、前記位置及び姿勢の指令値、並びに前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節を駆動するための駆動量の指令値から、前記スレーブマニピュレータの各関節の駆動量を算出し、該駆動量の算出結果に従って前記スレーブマニピュレータの各関節を駆動する制御部と、を有することを特徴とする。
図１は、本発明の一実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの全体構成を示す図である。 図２は、本実施形態に係るマスタ操作入力装置の操作部の構成を示す図である。 図３は、図２で示した構成の操作部の模式図である。 図４は、マスタ操作入力装置の操作部が実際に操作される際の様子を示す図である。 図５は、スレーブアームの構造の一例を示す図である。 図６は、第１ロール関節を２重軸構造とした変形例の操作部の構成を示す図である。 図７は、図６で示した構成の操作部の模式図である。 図８Ａは、把持部に設ける関節をヨー関節とする場合の変形例のスレーブアームの構造を示す図である。 図８Ｂは、把持部に設ける関節をヨー関節とする場合の変形例のマスタ操作入力装置の構造を示す図である。 図９Ａは、把持部に設ける関節をピッチ関節とする場合の変形例のスレーブアームの構造を示す図である。 図９Ｂは、把持部に設ける関節をピッチ関節とする場合の変形例のマスタ操作入力装置の構造を示す図である。 図１０Ａは、把持部に設ける関節を直動関節とする場合の変形例のスレーブアームの構造を示す図である。 図１０Ｂは、把持部に設ける関節を直動関節とする場合の変形例のマスタ操作入力装置の構造を示す図である。 図１１Ａは、把持部に設ける関節を複数とする場合の変形例のスレーブアームの構造を示す図である。 図１１Ｂは、把持部に設ける関節を複数とする場合の変形例のマスタ操作入力装置の構造を示す図である。 図１２は、無線式の操作部の例を示す図である。 図１３Ａは、操作部の移動について説明する図である。 図１３Ｂは、操作部の移動について説明する図である。 図１３Ｃは、操作部の移動について説明する図である。 図１４は、本発明の第１の実施態様におけるスレーブアームの関節駆動の流れを示すフローチャートである。 図１５は、先端効果器操作部の開き角度を示す図である。 図１６は、本発明の第２の実施態様におけるスレーブアームの関節駆動の流れを示すフローチャートである。 図１７は、先端効果器操作部に作用する力を示す図である。 図１８は、本発明の第３の実施態様におけるスレーブアームの関節駆動の流れを示すフローチャートである。 図１９は、本発明の第４の実施態様におけるスレーブアームの関節駆動の流れを示すフローチャートである。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。　
　図１は、本発明の一実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの一例の全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータは、マスタ操作入力装置１０と、制御装置２０と、スレーブマニピュレータ３０と、を有している。
　マスタ操作入力装置１０は、本マスタスレーブマニピュレータにおけるマスタとして機能するものであって、操作部１１と、表示部１２と、を有している。
　操作部１１は、例えばマスタ操作入力装置１０の表示部１２に固定されており、操作者１の操作を受けてスレーブマニピュレータ３０を操作するための操作信号を出力する。　
　図２は、本実施形態に係るマスタ操作入力装置１０の操作部１１の構成を示す図である。また、図３は、図２で示した構成の操作部１１の模式図である。ここで、図２は、右手用の操作部の構成を例示している。左手用の操作部の構成は、右手用の操作部に対して左右の関係が逆転するだけで実質的な構成は図２に示すものと同様である。
　図２に示すように、操作部１１は、把持部１０１を有している。把持部１０１は、操作者１が手で把持する部分である。把持部１０１は、直交３軸（図２に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向及び各軸周りの回転方向に移動可能に支持されている。ここで、図２では、図１に示すようにして操作者１がマスタ操作入力装置１０を操作する場合において、地面と平行で、操作者１の顔から表示部１２に向かう方向を正方向としてＸ軸を設定している。また、地面と平行でＸ軸に対して垂直な方向に沿ってＹ軸を設定している。さらに、地面と垂直な方向に沿ってＺ軸を設定している。
　把持部１０１には、第１の操作部の一例としての第１ロール関節１０２が軸止されている。このような構成において、第１ロール関節１０２は、その回転軸が図２に示すＸ軸と平行であり、操作者１が把持部１０１を手で持った際に指先で回転可能なように構成されている。第１ロール関節１０２の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１によって第１ロール関節１０２が回転操作された場合には、その駆動量（回転量）θ５が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第１ロール関節１０２の駆動量（回転量）θ５に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。後述するが、第１ロール関節１０２の操作信号は、スレーブマニピュレータ３０が有するスレーブアーム３１の遠位端の関節の駆動量を直接的に指令するための指令値を与える信号である。
　また、第１ロール関節１０２と同一直線上には、第２の操作部の一例としての先端効果器（end effector）操作部１０３が取り付けられている。つまり、把持部１０１の位置・姿勢とは独立して、第１ロール関節１０２と先端効果器操作部１０３が操作可能に取り付けられている。先端効果器操作部１０３は、操作者１が把持部１０１を手で持った際に指先で開閉操作可能なように構成されている。先端効果器操作部１０３の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１によって先端効果器操作部１０３が開閉操作された場合には、その開閉量（例えば開閉角θ６）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、先端効果器操作部１０３の開閉量θ６に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。後述するが、先端効果器操作部１０３の操作信号は、スレーブマニピュレータ３０が有するスレーブアーム３１の遠位端の関節に取り付けられた先端効果器の開閉量を直接的に指令するための指令値を与える信号である。
　また、把持部１０１は、第１ロール関節１０２のＸ軸方向長さと先端効果器操作部１０３のＸ軸方向長さの分だけＸ軸の正方向（図１において操作者１から離れる方向）に向かって延在されて第１リンクを構成している。この第１リンクは、さらに、Ｚ軸の正方向（図１における地面方向）に向かって延在されている。Ｚ軸の正方向に向かう第１リンクの延在部１０１ａは、第１ロール関節１０２の回転軸と同一直線上の位置で第２リンク１０４に回転自在に軸止されている。延在部１０１ａと第２リンク１０４とによって構成される第２ロール関節（図３では第２リンクと同じ符号を付している）の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴って第２ロール関節が駆動された場合には、その駆動量（回転量）θ４が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第２ロール関節の駆動量θ４に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。
　また、第２リンク１０４は、第１リンクの延在部１０１ａと平行となるようにＺ軸の負方向及びＸ軸の負方向に向かって延在されて第３リンク１０５に回転自在に軸止されている。第３リンク１０５にはカバー１０５ａが取り付けられている。カバー１０５ａにより、第２リンク１０４と第３リンク１０５とによって構成されるヨー関節（図３では第３リンクと同じ符号を付している）における回転軸の抜け落ちが防止される。また、第２リンク１０４と第３リンク１０５とによって構成されるヨー関節の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴ってヨー関節が駆動された場合には、その駆動量（回転量）θ３が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、ヨー関節の駆動量θ３に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。
　また、第３リンク１０５は、Ｙ軸の負方向（図１における右手方向）に向かって延在され、さらに、Ｚ軸の正方向に向かって延在されて第４リンク１０６に回転自在に軸止されている。第３リンク１０５と第４リンク１０６とによって構成されるピッチ関節（図３では第４リンクと同じ符号を付している）の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴ってピッチ関節が駆動された場合には、その駆動量（回転量）θ２が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、ピッチ関節の駆動量θ２に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。
　また、第４リンク１０６は、第１直動関節１０７に取り付けられている。第１直動関節１０７の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴って第１直動関節１０７が駆動された場合には、その駆動量（直動量）ｄ２が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第１直動関節１０７の駆動量ｄ２に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。
　第１直動関節１０７からは第４リンク１０６と直交する方向に第５リンクが延在されている。この第５リンクは、第２直動関節１０８に取り付けられている。第２直動関節１０８の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴って第２直動関節１０８が駆動された場合には、その駆動量（直動量）ｄ１が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第２直動関節１０８の駆動量ｄ１に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。
　第２直動関節１０８には、ヨー方向に回転自在に構成された回転部材１０９が取り付けられている。回転部材１０９の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者１の把持部１０１の操作に伴って回転部材１０９が駆動された場合には、その駆動量（回転量）θ１が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、回転部材１０９の駆動量θ１に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。
　図４は、マスタ操作入力装置１０の操作部１１が実際に操作される際の様子を示している。図４に示すように、操作者１は、把持部１０１を手２００に把持した状態で、手首や肘、肩の動きにより把持部１０１の位置・姿勢を変化させる。把持部１０１の位置・姿勢の変化に伴って操作部１１の各関節が駆動される。各関節の駆動量は、各関節の近傍に配置された位置検出器によって検出され、各駆動量に応じた操作信号がマスタ制御部２１に入力される。
　また、図４に示すように、本実施形態では、操作者１は、把持部１０１を把持しつつ指先で第１ロール関節１０２及び先端効果器操作部１０３を操作可能である。第１ロール関節１０２及び先端効果器操作部１０３の操作量は、各々の近傍に配置された位置検出器によって検出され、各操作量に応じた操作信号がマスタ制御部２１に入力される。
　以上のような構成により、操作部１１は、把持部１０１の位置・姿勢の変化に対応した６個の操作信号と第１ロール関節１０２の操作量を示す操作信号との、７自由度に対応した操作信号（＋先端効果器の操作信号）を制御装置２０のマスタ制御部２１に入力する。
　ここで、図１に戻って説明を続ける。図１に示す表示部１２は、例えば液晶ディスプレイから構成され、制御装置２０から入力された画像信号に基づいて画像を表示する。後述するが、制御装置２０から入力される画像信号は、スレーブアーム３１に取り付けられた電子カメラ（電子内視鏡）を介して得られた画像信号を、制御装置２０において処理したものである。このような画像信号に基づく画像を、表示部１２に表示させることにより、マスタ操作入力装置１０の操作者１は、マスタ操作入力装置１０から離れた場所に配置されたスレーブマニピュレータ３０の手先の画像を確認することが可能である。
　制御装置２０は、マスタ制御部２１と、マニピュレータ制御部２２と、画像処理部２３と、を有している。　
　マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの操作信号に従って、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢の指令値を例えば運動学計算に従って算出し、この位置・姿勢の指令値をマニピュレータ制御部２２に出力する。また、マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの遠位端の関節の駆動量を指令するための操作信号及び先端効果器の駆動量を指令するための操作信号をマニピュレータ制御部２２に出力する。
　マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１からの位置・姿勢の指令値を受けて、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢を指令値に一致させるために必要なスレーブアーム３１の各関節の駆動量を、例えば逆運動学計算によって算出する。そして、マニピュレータ制御部２２は、算出した駆動量に従ってスレーブアーム３１の各関節を駆動させる。また、マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１からの遠位端の関節の駆動量を指令するための操作信号及び先端効果器の駆動量を指令するための操作信号を受けてスレーブアーム３１の遠位端の関節を駆動させたり、先端効果器を駆動させたりする。
　画像処理部２３は、スレーブアーム３１の先端に設けられた電子カメラ（電子内視鏡等）から得られた画像信号を処理し、表示部１２の表示用の画像信号を生成して表示部１２に出力する。
　スレーブマニピュレータ３０は、スレーブアーム３１を有している。スレーブアーム３１は、マニピュレータ制御部２２からの制御信号に従って各関節が駆動される。図５にスレーブアーム３１の構造の一例を示す。図５に示すスレーブアーム３１は、７個の関節２０２～２０８が連設して配置されている。また、スレーブアーム３１の遠位端の関節２０２には、先端効果器２０１が取り付けられている。ここで、遠位端の関節とは、スレーブアーム３１が固定されている側から見て最も遠い位置に配置された関節のことを言う。また、図５で示した先端効果器２０１は、把持器（グリッパー）の例を示している。この他、先端部にカメラ（電子内視鏡）等を取り付けても良い。
　図５に示す関節のうち、関節２０２、２０５はロール軸（図２に示すＸ軸に対応）周りに回転するロール関節であり、関節２０３、２０８はヨー軸（図２に示すＺ軸に対応）周りに回転するヨー関節であり、関節２０４、２０７はピッチ軸（図２に示すＹ軸に対応）周りに回転するピッチ関節である。また、関節２０６はロール軸に沿って直動する直動関節である。図５の例においては、７個の関節は全てが独立している。
　図５に示した関節２０３～２０８を協調させながら駆動させることによって、スレーブアーム３１における手先の位置の３自由度と姿勢の３自由度とが実現される。また、これらの関節に加えて図５では、先端効果器２０１をローリングさせるための関節２０２を冗長関節として設けている。このような構成により、例えば、スレーブアーム３１をローリングさせる場合において、先端効果器２０１の付近のみをローリングさせるような動作も可能である。上述したように、遠位端の関節２０２と先端効果器２０１は、マスタ操作入力装置１０によって駆動量を直接指令することが可能である。
　以上説明したように、本実施形態によれば、マスタ操作入力装置１０の操作部１１における、操作者１が把持部１０１を把持した状態で指先によって操作可能な位置に、スレーブアーム３１の遠位端の関節２０２と同一の構造を有する操作部である第１ロール関節１０２を設けるようにしている。これにより、操作者１は、７自由度のスレーブアーム３１の操作を片手でかつ安定して行うことが可能である。
　ここで、例えば、内視鏡下手術においては、術後の縫合の際に針かけ動作が必要となる。このような針かけ動作においては、スレーブアーム３１の手先に取り付けられた先端効果器２０１としてのグリッパーをローリングさせながら患者の必要な部位に針をかけることになる。このとき、先端効果器２０１から遠い関節であるロール関節２０５をローリングさせると、先端効果器２０１のローリングも行われる反面、その他の関節も大きく動作してしまってスレーブアーム３１の関節が周囲の臓器等に衝突してしまう場合があり得る。このため、針かけ動作のような、主にローリング動作が必要な場合には、他の関節が不必要に動作しないよう、スレーブアーム３１の遠位端の関節であるロール関節２０２をローリングさせることが望ましい。本実施形態では、第１ロール関節１０２の構造をスレーブアーム３１の遠位端の関節２０２と同一の構造としているので、操作者１は、第１ロール関節１０２の操作量とロール関節２０２の駆動量との関係を直感的に認識することが可能である。このため、操作者１は、スレーブアーム３１の遠位端の関節２０２の駆動量を細かく制御することが可能となる。つまり、手の平で握っている把持部１０１で先端効果器２０１の位置・姿勢を指示しながら、先端遠位端の関節２０２を、第１ロール関節１０２を動かすことにより操作でき、指の姿勢が先端効果器２０１の姿勢と対応し、直感的な操作が可能となる。当然、把持部１０１に対して相対的に第１ロール関節１０２が回転しなくても、指の姿勢が先端効果器２０１の位置・姿勢と対応する。
　また、本実施形態では、第１ロール関節１０２と把持部１０１とを結ぶ同一直線上に先端効果器操作部１０３を取り付けるようにしているので、操作者１は、把持部１０１を把持したままで先端効果器操作部１０３を操作することが可能である。第１ロール関節１０２と先端効果器操作部１０３は独立して駆動可能であり、先端効果器操作部１０３に指をかけて、先端効果器操作部１０３を開閉することによりθ６が取得でき、先端効果器操作部１０３をねじることにより、そのベースである第１ロール関節１０２が回転してθ５を取得することができる。
　本実施形態における第１ロール関節１０２は、他の関節とは独立して駆動される。したがって、本実施形態におけるマスタ操作入力装置１０は、６自由度以下の冗長な自由度を有しないスレーブマニピュレータ３０に対しても適用可能である。
　［変形例］
　以下、本実施形態の変形例について説明する。まず、図２に示した例では、第１ロール関節１０２は、把持部１０１のみで支持されている。実際には、第１ロール関節１０２は、他の関節と独立してローリング可能に構成されていれば良く、例えば図６で示したように把持部１０１と第１リンクの延在部１０１ａの２点で第１ロール関節１０２（図６では先端効果器操作部１０３）を支持するようにしても良い。図６の構成の模式図を図７に示す。図７に示すように、図６に示した構成の場合には、第１ロール関節１０２と第２ロール関節１０４とが実質的に隣接して配置されることになる。これに対し、第１ロール関節１０２と第２ロール関節１０４とを回転軸が異なる２重軸構造とすることで、第１ロール関節１０２のローリングに伴って第２ロール関節１０４がローリングしないようにする。
　また、図２に示した例では、把持部１０１にロール関節を設けた例を示している。これは、スレーブアーム３１の遠位端の関節がロール関節であるためである。スレーブアーム３１の遠位端の関節がロール関節でない場合には、把持部１０１に設ける関節も変更する。例えば、図８Ａに示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節がヨー関節である場合には、図８Ｂに示すように把持部１０１に設ける関節１０２１もヨー関節とする。同様に、図９Ａに示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節がピッチ関節である場合には、図９Ｂに示すように把持部１０１に設ける関節１０２２もピッチ関節とする。また、図１０Ａに示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節が直動関節である場合には、図１０Ｂに示すように把持部１０１に設ける関節１０２３も直動関節とする。
　さらに、図１１Ａに示すように、スレーブアーム３１の遠位端に２種以上の独立な関節２０２ａ、２０２ｂが設けられている場合には、把持部１０１に設ける関節も複数とする。例えば、図１１Ａは、６自由度に対応した関節２０３～２０８に加えて、ロール関節２０２ｂと、直動関節２０２ａとを加えた８自由度のスレーブアーム３１を例示している。この場合には、把持部１０１においても、ロール関節１０２ｂと直動関節１０２ａとを有する独立して操作可能な２つの関節を設ける。このように構成することで、スレーブアーム３１の遠位端の関節と把持部１０１に設けた関節とを同一の構造とすることができる。これにより、操作者１は、スレーブアーム３１のロール関節２０２ｂと、直動関節２０２ａとを直感的に操作することが可能である。図１１Ｂの例は、２つの関節を設けた例であるが、スレーブアーム３１の関節数が増加した場合にはそれに応じてマスタ操作入力装置１０の把持部１０１に設ける関節数も増加させる。
　また、スレーブアーム３１の先端効果器２０１の構造が図５で示したものと異なるものとなる場合には、それに合わせて先端効果器操作部１０３の構造も変化させることが望ましい。
　さらに、図２に示した操作部１１に設けた関節１０４～１０９は、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢を指令するためのものであって、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢を指令できるのであれば、関節１０４～１０９はなくとも良い。例えば、操作部１１に３軸の並進移動を検出するためのセンサ（例えば加速度センサ）を設けるようにすれば、図１２に示すようにして、操作部１１を構成することもできる。図１２の例において、操作者１が操作部１１の把持部１０１を把持し、当該操作部１１を３次元空間内で移動させたり、回転させたりすることで、位置の３自由度に対応した操作信号を与えることが可能である。姿勢の３自由度に対応した操作信号については、例えばカメラ１３によって得られた画像を解析することによって得る。図１２は、操作部１１で得られた操作信号を、無線通信部１４を経由して無線通信可能とした例を示している。勿論、図１２の例において、操作部１１で得られた操作信号を有線通信するようにしても良い。また、操作部１１の姿勢を、角速度センサを用いて検出するようにしても良い。
　以下では、一実施形態のマスタスレーブマニピュレータを所定の制御態様と組み合わせた実施態様のいくつかについて説明する。これらの実施態様では、スレーブアーム３１において冗長関係にある２つの関節のうち１つを駆動関節として選択し、残りを固定関節とすることにより、各関節の駆動量を求めるための逆運動学計算を簡素にしてマニピュレータ制御部２２の負荷を軽減する。なお、本明細書において「冗長関係にある」とは、関節の回転軸、直動軸等の動作軸が互いに平行である関係を指す。
　第１の実施態様では、等価回転ベクトル（等価回転軸ベクトル等とも呼ばれる）を用いて、いずれの関節を駆動関節とするかの判定を行う。このため、等価回転ベクトルについて説明する。
　まず、操作部１１の把持部１０１の姿勢変化について次のように定義する。例えば、ある時刻ｔにおいて、図１３Ｃに示す把持部１０１の位置が、図１３Ａに示す位置Ｏｍ（ｔ）であるとする。また、時刻ｔにおける把持部１０１の姿勢が、マスタロール軸Ｘｍ、マスタピッチ軸Ｙｍ、マスタヨー軸Ｚｍがそれぞれ、図１３Ａ及び図１３Ｃに示すＸｍ（ｔ）、Ｙｍ（ｔ）、Ｚｍ（ｔ）の方向を向くような姿勢であるとする。この状態から、所定時間Δｔ経過後の時刻ｔ＋１において、把持部１０１の位置が、図１３Ａに示す位置Ｏｍ（ｔ＋１）に変化したとする。また、時刻ｔ＋１における把持部１０１の姿勢が、マスタロール軸Ｘｍ、マスタピッチ軸Ｙｍ、マスタヨー軸Ｚｍがそれぞれ、図１３Ａに示すＸｍ（ｔ＋１）、Ｙｍ（ｔ＋１）、Ｚｍ（ｔ＋１）の方向を向くような姿勢に変化したとする。このときの把持部１０１の姿勢変化は、マスタロール軸Ｘｍ（ｔ）周りの回転と、マスタピッチ軸Ｙｍ（ｔ）周りの回転と、マスタヨー軸Ｚｍ（ｔ）周りの回転とを合成したものである。さらに、数学的には、このような３つの軸周りの回転を、１つの軸周りの回転に置き換えることが可能である。即ち、図１３Ｂに示すように、ある回転軸Ｖｒ（ｔ）を設定すると、時刻ｔから時刻ｔ＋１の間の把持部１０１の姿勢変化は、把持部１０１を回転軸Ｖｒ（ｔ）周りにθ（ｔ）だけ回転させたものと等価となる。一般に、このような回転軸Ｖｒ（ｔ）を表わすベクトルを、等価回転ベクトルと言う。
　スレーブアーム３１においては、図５に示すように、関節２０２と関節２０５との２つのロール関節が冗長関係にある。第１の実施態様では、マスタ制御部２１が上述の回転軸Ｖｒを用いた判定により、関節２０２及び関節２０５の一方を駆動関節として選択し、他方を固定関節に設定する。即ち、この時点では、スレーブアーム３１を、一時的に冗長自由度を有さないものとして取り扱えるため、各関節の駆動量を求めるための演算を容易にすることができるのである。
　図１４は、第１の実施態様におけるスレーブアーム３１の関節駆動の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０において、マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの操作信号に従って、把持部の現時点における位置及び姿勢と、直前の位置及び姿勢とを求める。そしてこれらの値に基づいて、直前の把持部のマスタロール軸Ｘｍと、姿勢変化に伴う回転軸Ｖｒを示す等価回転ベクトルとをさらに算出する。
　続くステップＳ２０において、マスタ制御部２１は、マスタロール軸Ｘｍと回転軸Ｖｒとがなす角度φが予め設定した規定値以下であるか否かを判定する。
　当該判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ２１に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１に近い関節２０２を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０５を固定関節に設定する。一方、当該判定がＮｏの場合、処理はステップＳ２２に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１から遠い関節２０５を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０２を固定関節に設定する。
　ステップＳ２０における判定は、以下のような考え方に基づいている。
　即ち、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とが一致（φ（ｔ）＝０）していれば、時刻ｔから時刻ｔ＋１の間の把持部１０１の姿勢変化は、ローリングによる姿勢変化のみであると考えることができる。この場合には、操作部１１により、スレーブアーム３１の手先のローリングのみが必要な動作が指令されたと考えることができる。実際には、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とが完全に一致する場合だけでなく、他の動作も入るが主に手先のローリング操作である場合も含まれるように、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とのなす角φ（ｔ）にある規定値を設定し、φ（ｔ）がこの規定値以下の場合には、先端のロール軸関節がもっぱら動作する、針かけ操作等のような「細かい動き」であるとみなすのである。したがって、判定の基準となる規定値は、どの程度の操作を「細かい動き」であると判定するかによって適宜設定することができ、例えば１５度とすることができる。
　ステップＳ２１またはステップＳ２２において、駆動関節及び固定関節が決定されたら、マスタ制御部２１は、選択結果を示す関節選択信号を、位置・姿勢の指令値とともにマニピュレータ制御部２２に出力する。ステップＳ２１またはステップＳ２２の終了後、処理はステップＳ３０に進む。
　ステップＳ３０において、マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１から受け取った位置・姿勢の指令値と関節選択信号とにもとづいて、スレーブアーム３１の手先の位置・姿勢を指令値に一致させるために必要なスレーブアーム３１の各関節の駆動量を、逆運動学計算によって算出し、各関節に対する指令値を決定する。
　ここで、スレーブアーム３１は、本来７自由度に対応した関節であるが、冗長関係にある関節２０２及び２０５の一方が固定関節とされる（即ち、駆動量がゼロとなる。）ため、７自由度の全ての駆動量が未知の場合よりも逆運動学計算で算出する関節数を低減でき、逆運動学計算が簡略化されてマニピュレータ制御部２２に対する演算による負荷が軽減される。
　なお、逆運動学計算については、例えば解析的な手法等の従来周知の各種の手法を用いることができる。ここでは、その詳細についての説明は省略する。
　続くステップＳ４０において、マニピュレータ制御部２２は、マスタ側冗長関節である第１ロール関節１０２の駆動量Ｍｒをマスタ制御部２１から受け取った情報に基づき算出する。
　さらに、ステップＳ５０において、マニピュレータ制御部２２は、ステップＳ３０で算出された関節２０２の駆動量に、ステップＳ４０で算出された駆動量Ｍｒを加え、関節２０２の指令値を確定する。これによりスレーブアーム３１のすべての関節の指令値が定まる。
　ステップＳ６０において、マニピュレータ制御部は、ステップＳ５０で求められた各関節の指令値に従ってスレーブアーム３１の各関節を駆動し、一連の処理が終了する。このフローは、所定間隔、例えば１０～数十ミリ秒ごとに繰り返し行われ、駆動関節の選択が繰り返し行われる。
　例えば、内視鏡下手術においては、術後の縫合の際に針かけ動作が必要となる。このような針かけ動作においては、スレーブアームの手先に取り付けられたグリッパー等の先端効果器をローリングさせながら患者の必要な部位に針をかける動作が行われ、対象部位で先端効果器が細かく動かされる。上述したように、スレーブアーム３１は、７つの関節を協調動作させながら、先端効果器の位置・姿勢を制御するものであるが、針かけ動作等において先端効果器から遠い関節（例えば、関節２０５）をローリングさせると、先端効果器のローリングも行われる反面、その他の関節も大きく動作してしまってスレーブアーム３１の関節が周囲の臓器等に衝突してしまう場合があり得る。
　第１の実施態様においては、ステップＳ２０の判定により、角度φが規定値以下の場合、先端効果器２０１に近い関節２０２が駆動関節として選択され、先端効果器２０１から遠い方の関節２０５は、固定される。したがって、針かけ動作等のように、もっぱら先端効果器のみがローリング動作されるような「細かい動き」のときに、スレーブアームの他の関節が大きく動作することがなく、細かい動きを伴う手技や操作を患者に対してより安全に行うことができる。
　また、冗長関係にある関節２０２及び２０５の一方を固定関節に設定するため、ステップＳ３０における逆運動学計算を簡略化することが可能となる。その結果、演算によるマニピュレータ制御部の負荷を軽減するとともに、演算に要する時間も短縮され、スレーブアームの各関節をスムーズに駆動させることができる。
　次に、第２の実施態様について、以下に説明する。
　第２の実施態様は、駆動関節を選択するための判定基準のみ異なっているため、判定基準を中心に説明し、共通する部分については重複する説明を省略する。
　第２の実施態様においては、先端効果器操作部１０３が閉じられているときは、先端効果器２０１で何かが把持されている、即ち前述の「細かい動き」が行われるときであるとの考えに基づき、図１５に示す先端効果器操作部１０３の開き角度θｇの値に基づいて、駆動関節を選択する判定を行う。
　図１６は、第２の実施態様におけるスレーブアーム３１の関節駆動の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０Ａにおいて、先端効果器操作部１０３の開き角度θｇが計測され、マスタ操作入力装置１０からマスタ制御部２１に送られる。そして、ステップＳ２０Ａにおいて、マスタ制御部２１は、開き角度θｇが規定値、例えば１度以下であるか否かを判定する。
　ステップＳ２０Ａにおける判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ２１に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１に近い関節２０２を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０５を固定関節に設定する。一方、当該判定がＮｏの場合、処理はステップＳ２２に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１から遠い関節２０５を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０２を固定関節に設定する。
　その後の流れは、第１の実施態様と同様である。
　第２の実施態様においては、例えば先端効果器２０１で針等が把持されている際には、開き角度θｇの値が規定値以下となり、関節２０２が駆動関節として選択される。したがって、第１の実施態様と同様に、「細かい動き」のときに、スレーブアームの他の関節が大きく動作することがなく、細かい動きを伴う手技や操作を患者に対してより安全に行うことができる。
　第２の実施態様においては、開き角度θｇの値をマスタ操作入力装置１０から取得する例を説明している。これに代えて、先端効果器２０１に角度センサ等を設け、先端効果器２０１の開き角度を取得してステップＳ２０Ａの判定に用いても良い。さらに、先端効果器２０１の開き角度を判定に用いる場合は、表示部に表示された先端効果器の画像を処理することにより先端効果器２０１の開き角度を取得しても良い。
　次に、第３の実施態様について、以下に説明する。
　第３の実施態様は、第１の実施態様に対して駆動関節を選択するための判定基準のみ異なっているため、判定基準を中心に説明し、共通する部分については重複する説明を省略する。
　第３の実施態様においては、先端効果器操作部１０３に規定値以上の力が作用しているときは、先端効果器で何かが把持されている、即ち前述の「細かい動き」が行われるときであるとの考えに基づき、図１７に示す先端効果器操作部１０３に作用する力Ｆｇの値に基づいて、駆動関節を選択する判定を行う。なお、第３の実施態様においては、力Ｆｇを検出できるよう、先端効果器操作部１０３に公知の力センサ等を取り付け、その検出値がマスタ制御部２１に送られるようにしておく。
　図１８は、第３の実施態様におけるスレーブアーム３１の関節駆動の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０Ｂにおいて、先端効果器操作部１０３に作用する力Ｆｇが計測され、マスタ操作入力装置１０からマスタ制御部２１に送られる。そして、ステップＳ２０Ｂにおいて、マスタ制御部２１は、力Ｆｇが規定値、例えば１Ｎ以上であるか否かを判定する。
　ステップＳ２０Ｂにおける判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ２１に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１に近い関節２０２を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０５を固定関節に設定する。一方、当該判定がＮｏの場合、処理はステップＳ２２に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１から遠い関節２０５を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０２を固定関節に設定する。
　その後の流れは、第１の実施態様と同様である。
　第３の実施態様においては、例えば先端効果器２０１で針等が把持されている際には、力Ｆｇの値が規定値以上となり、関節２０２が駆動関節として選択される。したがって、第１の実施態様と同様に、「細かい動き」のときに、スレーブアームの他の関節が大きく動作することがなく、細かい動きを伴う手技や操作を患者に対してより安全に行うことができる。
　第３の実施態様においては、力Ｆｇの値をマスタ操作入力装置１０から取得する例を説明している。これに代えて、先端効果器２０１に力センサ等を設け、針等の把持により先端効果器２０１が受ける反力の値を取得してステップＳ２０Ｂの判定に用いても良い。
　次に、第４の実施態様について、以下に説明する。
　第４の実施態様は、第１の実施態様に対して駆動関節を選択するための判定基準のみ異なっているため、判定基準を中心に説明し、共通する部分については重複する説明を省略する。
　第４の実施態様においては、マスタ操作入力装置１０の把持部１０１が比較的高速で移動しているときは、先端効果器２０１を処置対象部位に向かって移動させている、即ち前述の「細かい動き」が行われていないときであるとの考えに基づき、把持部１０１の移動量に基づいて駆動関節を選択する判定を行う。
　図１９は、第４の実施態様におけるスレーブアーム３１の関節駆動の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０Ｃにおいて、マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの操作信号に従って、把持部１０１の現時点における位置と、直前の位置とを求める。そしてこれらの値に基づいて、把持部１０１の位置変化の絶対値ｅｍ（（ΔＸｍ２＋ΔＹｍ２＋ΔＺｍ２）の平方根）を取得する。
　続くステップＳ２０Ｃにおいて、マスタ制御部２１は、上述の絶対値ｅｍが規定値以下であるか否かを判定する。判定結果がＹｅｓの場合、所定間隔における把持部１０１の移動量が小さい、即ち把持部１０１が比較的低速で移動していることになり、処理はステップＳ２１に進んで先端効果器２０１に近い関節２０２が駆動関節として選択され、もう一方の関節２０５が固定関節に設定される。一方、当該判定がＮｏの場合、処理はステップＳ２２に進み、マスタ制御部２１は、先端効果器２０１から遠い関節２０５を駆動関節として選択し、もう一方の関節２０２を固定関節に設定する。
　その後の流れは、第１の実施態様と同様である。
　第４の実施態様においても、第１の実施態様と同様に、「細かい動き」のときに、スレーブアームの他の関節が大きく動作することがなく、細かい動きを伴う手技や操作を患者に対してより安全に行うことができる。
　第４の実施態様においては、把持部の移動量をマスタ操作入力装置から取得する例を説明したが、これに代えて、スレーブアーム先端に設けられた先端効果器の移動量が取得されてステップＳ２０Ｃの判定に用いられても良い。
　以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
　さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
　例えば、上述の実施形態においては、スレーブアームにおいて、ロール関節２０２及び２０５が冗長関係にある例について説明したが、上述の各制御態様は、冗長関係にある関節がロール関節でない場合も適用可能である。したがって、冗長関係にある関節は、図８Ａに示すようなヨー関節２０２及び２０８であっても良いし、図９Ａに示すようなピッチ関節２０２及び２０４であっても良い。さらには、図１０Ａに示すような直動関節２０２及び２０６であっても良い。

Claims (9)

  1. 　複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータを操作するためのマスタ操作入力装置であって、
    　操作者によって把持された状態で位置及び姿勢を変化自在であって、該位置及び姿勢の変化に応じて、前記スレーブマニピュレータを固定端から見た場合の最も遠い端部である前記スレーブマニピュレータの遠位端の位置及び姿勢の指令値を与えるように構成された把持部と、
    　前記把持部が把持された状態で前記操作者の指先によって操作可能な位置に設けられ、前記把持部とは独立に操作可能な第１の操作部と、
    　を具備することを特徴とするマスタ操作入力装置。
  2. 　前記第１の操作部が前記把持部に対して、前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節と同一の構造を有し、手動操作を受けて前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節を駆動するための駆動量の指令値を与えるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のマスタ操作入力装置。
  3. 　前記第１の操作部には、前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節に設けられた効果器を操作するための第２の操作部が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマスタ操作入力装置。
  4. 　前記把持部と、前記第１の操作部と、前記第２の操作部とは、同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のマスタ操作入力装置。
  5. 　前記第１の操作部は、前記把持部によって支持されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のマスタ操作入力装置。
  6. 　前記把持部は、該把持部の位置及び姿勢の変化に従って駆動されるアーム部に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のマスタ操作入力装置。
  7. 　前記第１の操作部は、さらに、前記アーム部によって支持されていることを特徴とする請求項６に記載のマスタ操作入力装置。
  8. 　前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節は、複数の自由度に対応した複数の関節を有し、
    　前記第１の操作部は、前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節が有する各関節の駆動量の指令値を各々与えるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のマスタ操作入力装置。
  9. 　複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータと、
    　請求項１乃至８の何れか１項に記載のマスタ操作入力装置と、
    　前記位置及び姿勢の指令値、並びに前記スレーブマニピュレータの遠位端の関節を駆動するための駆動量の指令値から、前記スレーブマニピュレータの各関節の駆動量を算出し、該駆動量の算出結果に従って前記スレーブマニピュレータの各関節を駆動する制御部と、
    　を有することを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。
PCT/JP2011/077072 2010-11-30 2011-11-24 マスタ操作入力装置及びマスタスレーブマニピュレータ WO2012073789A1 (ja)

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