WO2014156250A1 - マスタスレーブシステム - Google Patents

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WO2014156250A1
WO2014156250A1 PCT/JP2014/051292 JP2014051292W WO2014156250A1 WO 2014156250 A1 WO2014156250 A1 WO 2014156250A1 JP 2014051292 W JP2014051292 W JP 2014051292W WO 2014156250 A1 WO2014156250 A1 WO 2014156250A1
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WO
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master
unit
slave
treatment
command
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PCT/JP2014/051292
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Inventor
量平 小川
岸　宏亮
Original Assignee
オリンパス株式会社
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Publication date
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    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension

Definitions

  • the present invention relates to a master / slave system.
  • a master input device of a master / slave system that is similar to a slave device is known (for example, see Patent Document 1).
  • the slave device is an endoscope having an observation optical system and two treatment tools on the distal end surface of the elongated insertion portion
  • the master device is a corresponding bending portion of the insertion portion.
  • a handle for twisting the insertion portion by its rotation Similar to a plurality of joints for bending the handle, a handle for twisting the insertion portion by its rotation, and a treatment tool disposed at the tip of the handle and operated with both hands to operate two treatment tools The two holding parts.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances.
  • the slave device can be operated without changing the master device, and the correspondence relationship between the master device and the position of the treatment tool on the monitor can be obtained even after the slave device is operated.
  • the object is to provide a master-slave system that can be maintained.
  • One embodiment of the present invention is a slave device including an observation optical system that captures an image of a subject, and a treatment unit that protrudes from the surface on which the observation optical system is provided and that is at least partially photographed together with the subject by the observation optical system.
  • a master device including an operation unit that is gripped and operated by an operator, a control unit that associates an operation of the operation unit of the master device with an operation of the slave device and an operation of the treatment unit, and the observation optical system.
  • a master that includes a monitor that displays the acquired image, and a command input unit that allows the operation unit to input an operation command of the slave device without changing its posture while being held by the operator. Provide a slave system.
  • the control unit rotates the slave device about the axis intersecting the surface on which the observation optical system is provided by an angle corresponding to the operation amount of the operation unit, and the treatment unit To work.
  • the observation direction of the subject by the observation optical system is changed by the rotation of the slave device. Since the treatment portion protrudes from the surface on which the observation optical system is provided, the treatment portion is simultaneously rotated in the same direction as the observation optical system is rotated. Further, the subject can be treated by the treatment unit from the direction of observation by the observation optical system by the operation of the treatment unit.
  • the operator in order to rotate the slave device, the operator operates a command input unit provided in the operation unit and inputs an operation command, for example, a rotation command.
  • an operation command for example, a rotation command.
  • the slave device rotates about an axis that intersects the surface on which the observation optical system is provided.
  • the observation optical system and the treatment unit provided on this surface are simultaneously rotated in the same direction, so that the subject displayed on the monitor rotates, but the treatment unit on the monitor does not move.
  • the posture of the operation unit held by the operator does not change, so the posture of the operation unit and the position of the treatment unit on the monitor are always The same correspondence is maintained.
  • an operator who performs treatment while looking at the monitor can perform an intuitive operation.
  • the position of the operation unit and the position of the treatment unit on the monitor are matched, the operator can easily recognize the correspondence between the operation unit and the treatment unit even when the operation unit is operated again after a while. be able to.
  • the operation command is a rotation operation command
  • the control unit converts the operation of the operation unit of the master device into the rotation around the axis intersecting the surface of the slave device and the operation of the treatment unit. It is good also as making it correspond.
  • the posture of the operation unit held by the operator since the posture of the operation unit held by the operator does not change, the posture of the operation unit and the position of the treatment unit on the monitor are always maintained in the same correspondence relationship. An operator who performs treatment while looking at the monitor can perform intuitive operations.
  • the command input unit is a force sensor that detects a direction of a force applied to the operation unit, and the control unit operates the slave device according to the direction of the force detected by the force sensor.
  • the direction may be determined.
  • positioned in the position which can be operated with fingers other than the finger which is holding the said operation part may be sufficient as the said command input part.
  • the said operation part may be provided in two places so that it may be hold
  • the rotation command for rotating a slave apparatus can be divided and input into two command input parts. For example, when commands in the same direction are input to two command input units, these may be averaged to obtain a rotation command, or any command input unit when the commands to the two command input units differ greatly It may be determined that there is an abnormality.
  • the said control part may operate the said slave apparatus based on the average value of the operation command input into two command input parts. In this way, the slave device can be operated more stably with both hands. Further, the control unit may operate the slave device based on a sum of operation commands input to the two command input units. By doing in this way, a slave apparatus can be operated with the pattern according to the combination of the operation command input into two command input parts.
  • each of the command input units may be a triaxial force sensor. By doing in this way, it is possible to command the operation of the slave device with six degrees of freedom by the two command input units.
  • the slave device can be operated without changing the master device, and the correspondence between the master device and the position of the treatment tool on the monitor can be maintained even after the slave device is operated.
  • the slave device is rotated by this, there is an effect that the correspondence between the master device and the position of the treatment tool on the monitor can be maintained.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a master-slave system according to an embodiment of the present invention. It is a perspective view which shows the insertion part front-end
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the master-slave system of FIG. 1. It is a perspective view which shows the master apparatus in the modification of the master slave system of FIG. It is a perspective view which shows the master apparatus in the other modification of the master slave system of FIG. It is a modification of the command input unit provided in the master-slave system of FIG. 1, and (a) dial, (b) cross key, (c) joystick, (d) touch panel provided on the operation unit, (e) It is a perspective view which shows the dial each operated with both hands. It is a perspective view which shows the master apparatus in the other modification of the master slave system of FIG. It is a perspective view which shows (a) master apparatus and (b) slave apparatus in the other modification of the master slave system of FIG. 1, respectively.
  • the master-slave system 1 is an endoscope system, and includes a master device 2 operated by an operator O, an endoscope 4 as a slave device, A driving unit 5 that drives the endoscope 4, a control unit 6 that controls the driving unit 5, and a display unit (monitor) 7 that displays an image acquired by the endoscope 4 are provided.
  • the endoscope 4 has a soft insertion portion 3 that is inserted into the body of the patient P, for example, into a soft organ such as the large intestine.
  • the objective lens 8 of the observation optical system is attached to the distal end surface 3a of the insertion unit 3, and two treatment tools (treatment units) projecting forward from the distal end surface 3a. 9 is provided.
  • Each treatment tool 9 has a multi-joint structure.
  • a plurality of curved portions are provided near the distal end of the insertion portion 3. By combining the bending of each bending portion, the distal end surface 3a of the insertion portion 3 can be moved in an arbitrary direction.
  • the drive unit 5 is configured to perform driving such as insertion operation of the insertion unit 3 of the endoscope 4, bending operation of the insertion unit 3, and twisting operation of the insertion unit 3 on the proximal end side of the insertion unit 3.
  • the master device 2 is provided with a handle (operation unit) 22 attached to an operation table 21 fixed to a floor surface, and right and left of the handle 22.
  • the operator O has a multi-joint-structured treatment operation part (operation part) 23 adapted to the treatment tool 9 operated by grasping the tip part with both hands, and a foot switch 24 arranged on the floor surface.
  • a force sensor 25 that detects a force applied to the handle 22 in six axis directions is provided between the operation table 21 and the handle 22.
  • an assistant (not shown) lays the patient P on the operating table 30 arranged on the master device 2 side, and performs appropriate processing such as disinfection and anesthesia.
  • the operator O instructs the assistant to introduce the insertion portion 3 of the endoscope 4 from the anus of the patient P into the large intestine.
  • the operator O operates the master device 2 to appropriately bend the bending portion of the insertion portion 3 and operate the distal end of the endoscope 4.
  • the control unit 6 associates the direction of the force applied around the horizontal axis X with the handle 22 of the master device 2 and the direction of rotation around the longitudinal axis Y of the distal end surface 3a of the insertion unit 3 and maintains the applied force.
  • the time and the rotation angle are associated with each other.
  • the control unit 6 is configured to associate the operation of the treatment operation unit 23 of the master device 2 with the operation of the treatment tool 9.
  • to associate an operation with an operation means that a corresponding portion of the endoscope 4 can be operated by an operation on the master device 2 side.
  • control unit 6 generates a rotation command signal around the longitudinal axis Y of the insertion unit 3 according to the force applied to the handle 22 and outputs the rotation command signal to the drive unit 5. Further, the control unit 6 generates a rotation command signal for each joint corresponding to the treatment tool 9 according to the rotation angle of each joint of the treatment operation unit 23 by operating the treatment operation unit 23 and outputs the rotation command signal to the drive unit 5. It is like that.
  • control unit 6 is configured so that, for example, when the operation mode of the treatment tool is selected by stepping on the foot switch 24, each joint of the treatment operation unit 23 according to the operation by the operator O. Are freely swung to operate the corresponding joints of the treatment instrument 9 according to the rotation angle of each joint of the treatment operation unit 23.
  • the control unit 6 fixes the operation of each joint of the treatment operation unit 23 by a motor or a brake (not shown). The force applied by the operator O in the state of gripping 23 is transmitted to the handle 22 as it is.
  • the operator O inserts the insertion portion 3 of the endoscope 4 into the body cavity, and the operator O
  • the treatment operation unit 23 of the master device 2 is grasped and the handle 22 and the treatment operation unit 23 are operated while observing the state in the body cavity photographed by the observation optical system through the objective lens 8 of the fourth lens by the monitor 7. .
  • the insertion part 3 and the treatment tool 9 of the endoscope 4 which is a slave device are moved.
  • the treatment tool operation mode is selected by stepping on the foot switch 24 as shown in FIG. 6 (step S1), and two treatments held with both hands are performed.
  • the treatment tool 9 is operated by the control unit 6 (step S3) to perform treatment.
  • step S1 the endoscope operation mode is selected (step S1), and each joint of the treatment operation section 23 is fixed at that position. Thereby, the force applied by the hand of the operator O holding the treatment operation unit 23 is transmitted to the handle 22 as it is.
  • any arbitrary force is applied to the handle 22 as shown in FIG.
  • the force F is applied over time (step S5).
  • the force applied to the handle 22 is detected by a six-axis force sensor 25 provided between the handle 22 and the operation console 21.
  • the control unit 6 operates each bending portion of the insertion portion 3 of the endoscope 4 according to the direction of the force detected by the force sensor 25 and the time when the force is applied (step S6).
  • the force sensor 25 detects a force component that generates a moment around the horizontal axis X with respect to the handle 22, as shown in FIG.
  • the distal end surface 3a of the insertion portion 3 is rotated around the longitudinal axis Y in a direction corresponding to the detected moment direction by an angle corresponding to the time when the force is applied.
  • the switching may be performed by stepping on the foot switch 24 in steps S1 and S8.
  • the handle 22 when the distal end surface 3a of the insertion portion 3 is rotated to change the direction of the treatment instrument 9 with respect to the subject A, the handle 22 is not rotated and the handle 22 is not rotated. Since the distal end surface 3a is rotated according to the direction of the force applied to 22, the position of the treatment operation unit 23 held by the operator O and the position of the treatment instrument 9 displayed on the monitor 7 do not move and are always maintained at the same position. Is done.
  • the six-axis force sensor 25 is provided between the handle 22 and the operation table 21, the force applied by the operator O is applied to the treatment operation unit 23 gripped by the operator O and to this.
  • the force sensor 25 may be provided at the joint portion at the distal end of the treatment operation unit 23 instead. In this way, the force applied by the operator O can be detected more directly.
  • it is necessary to determine whether or not the force component for rotating the handle 22 depends on which direction the joint at the tip of the treatment operation unit 23 is directed. In this case, what is necessary is just to acquire the attitude
  • the force input in the X-axis direction of the master device 2 moves the advancing / retreating direction of the insertion unit 3 in the Y-axis direction
  • the force input in the vertical direction may correspond to the operation of the distal end bending angle of the insertion portion 3.
  • the endoscope 4 can be moved by the master device 2 without shifting the positional relationship between the treatment operation unit 23 of the master device 2 and the treatment tool 9 reflected on the monitor 7.
  • a force sensor 25 may be provided in each of the two treatment operation units 23 held by both the left and right hands. In this case, when a force in the same direction is detected by the two force sensors 25, an average value of the detected force may be used as the operation amount. By doing in this way, it becomes possible to perform more stable operation. Further, when the forces detected by the two force sensors 25 are greatly different, it may be determined that there is some abnormality.
  • the force sensors 25 are provided in the two treatment operation sections 23, as shown in FIG. 7, the force sensors 25 capable of detecting triaxial force LFx, LFy, LFz; RFx, RFy, RFz are provided. Each may be provided. By doing in this way, the operation command with 6 degrees of freedom can be made in combination, and a new operation command can be constituted by two combinations (total).
  • An operation command for zooming out the observation optical system may be configured when the observation optical system is zoomed in and RFx ⁇ 0, LFx> 0.
  • the zoom may be an optical zoom, a digital zoom, or a slave insertion unit that moves forward and backward in the Y-axis direction.
  • sensors with 3 axes or less and it is possible to input 4 axes including moments by combining two 2-axis sensors, or to input 2-axis by combining two 1-axis sensors.
  • a sensor having three axes or less has been described.
  • two sensors having four axes or more may be combined to input eight axes or more.
  • the force sensor 25 is exemplified as the command input unit.
  • an input device that can be operated by a finger other than the finger that holds the treatment operation unit 23.
  • any input device such as (a) left-right dial 26a and up-down dial 26b, (b) cross key 27, (c) joystick 28, (d) touch panel 29 may be employed.
  • inputs such as a left-right dial 26a, a vertical dial 26b, an advancing / retracting direction dial 26c, and a roll-direction dial 26d arranged in the left and right treatment operation units 23 are provided. Depending on the device, the operation may be distributed.
  • the number of joints of the master device 2 is configured to be larger than the number of joints of the endoscope that is the slave device, and the operation of the larger joint is performed in the insertion portion of the endoscope 4.
  • 3 may be assigned to a rotation command around the longitudinal axis Y of the tip surface 3a.
  • an excessive joint that rotates the most advanced gripping portion 27 gripped by the finger of the operator O around the longitudinal axis J7 is provided, and the distal end surface 3a of the insertion portion 3 is moved by the operation of the joint. Is going to rotate.
  • Reference numerals J1 to J6 respectively indicate joint axes provided in the master device 2 for moving the distal end surface 3a of the insertion portion 3 with six degrees of freedom.
  • the master device 2 applies a force in a direction in which the lever 28 attached to the operation table 21 via the force sensor 25 is swung, thereby An operation command is generated in a direction in which the tip of the insertion portion 3 of the endoscope 4 serving as a device is swung, and a force for rotating the lever 28 about its longitudinal axis X is applied, whereby the distal end surface 3a of the insertion portion 3 is elongated.
  • An operation command for rotating around the axis Y may be generated.
  • a slider 29 may be provided at the tip of the lever 28, and the amount of protrusion of the treatment instrument 9 may be changed by moving the slider 29 in the direction along the longitudinal axis X.
  • a Subject O Operator Y Longitudinal axis (axis) 1 Master-slave system 2 Master device 3a Tip surface (surface) 4 Endoscope (slave device) 6 Control unit 7 Monitor 8 Objective lens (observation optical system) 9 treatment tools (treatment section) 22 Handle (operation unit) 23 Treatment operation part (operation part) 25 Force sensor (command input part) 26a, 26b, 26c, 26d Dial (input device) 27 Four-way controller (input device) 28 Joystick (input device) 29 Touch panel (input device)

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Abstract

マスタ装置（２）の操作によってスレーブ装置（４）を回転させた場合に、マスタ装置（２）とモニタ上の処置具（９）の位置との対応関係を維持することを目的として、被写体Ａを撮影する観察光学系（８）と、該観察光学系（８）が設けられている面（３ａから突出し該観察光学系（８）により少なくとも一部が被写体Ａとともに撮影される処置部（９）とを備えるスレーブ装置（４）と、操作者によって把持されて操作される操作部（２３）を備えるマスタ装置（２）と、該マスタ装置（２）の操作部（２３）の操作をスレーブ装置（４）の動作および処置部（９）の動作に対応付ける制御部と、観察光学系（８）により取得された画像を表示するモニタとを備え、操作部（２３）が、操作者により把持されたまま、その姿勢を変化させずに、スレーブ装置（２）の動作指令を入力可能な指令入力部（２５）を備えるマスタスレーブシステム（１）提供する。

Description

マスタスレーブシステム
　本発明は、マスタスレーブシステムに関するものである。
　従来、マスタスレーブシステムのマスタ入力装置として、スレーブ装置と相似形をなすものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　特許文献１のマスタスレーブシステムにおいては、スレーブ装置は、細長い挿入部の先端面に観察光学系と２本の処置具とを有する内視鏡であり、マスタ装置は、挿入部の対応する湾曲部を湾曲動作させる複数の関節と、その回転動作によって挿入部に捻るような動作をさせるハンドルと、ハンドルの先端に配置され２つの処置具を動作させるように両手で操作される処置具と相似形の２つの把持部とを有している。
特許第４６０８６０１号公報
　しかしながら、特許文献１のマスタスレーブシステムにおいて、マスタ装置のハンドルを操作してスレーブ装置を回転動作させる場合、処置具が設けられている挿入部の先端面に設けられている観察光学系も同時に回転してしまうため、マスタ装置のハンドル位置とモニタ上の処置具の位置とがずれてしまうという不都合がある。すなわち、ハンドルの回転により先端面が回転させられても、先端面に設けられた観察光学系と処置具との相対的な位置関係は変化しないので、観察光学系によって取得されてモニタに表示される画像上において、処置具の位置は常に変化せず、ハンドル位置とモニタ上の処置具の位置とがずれてしまうことになる。
　処置具操作用のマスタとは別にスレーブ先端操作用のマスタを設けることも考えられるが、操作を切り替える毎にマスタを持ち換える必要があり作業が煩雑となる。
　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、マスタ装置を持ち換えることなくスレーブ装置が操作でき、スレーブ装置の操作後もマスタ装置とモニタ上の処置具の位置との対応関係を維持することができるマスタスレーブシステムを提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の一態様は、被写体を撮影する観察光学系と、該観察光学系が設けられている面から突出し該観察光学系により少なくとも一部が被写体とともに撮影される処置部とを備えるスレーブ装置と、操作者によって把持されて操作される操作部を備えるマスタ装置と、該マスタ装置の前記操作部の操作を前記スレーブ装置の動作および前記処置部の動作に対応付ける制御部と、前記観察光学系により取得された画像を表示するモニタとを備え、前記操作部が、前記操作者により把持されたまま、その姿勢を変化させずに、前記スレーブ装置の動作指令を入力可能な指令入力部を備えるマスタスレーブシステムを提供する。
　本態様によれば、マスタ装置の操作部を操作すると、制御部が操作部の操作量に対応する角度だけスレーブ装置を観察光学系が設けられた面に交差する軸線回りに回転させ、処置部を動作させる。スレーブ装置の回転により、観察光学系による被写体の観察方向が変更される。観察光学系が設けられている面からは処置部が突出しているので、観察光学系の回転に伴って処置部も同時に同一方向に回転させられる。また、処置部の動作により、観察光学系によって観察している方向から処置部によって被写体を処置することができる。
　この場合において、スレーブ装置を回転させるには、操作者は操作部に設けられた指令入力部を操作して動作指令、例えば、回転指令を入力する。これにより、スレーブ装置は、観察光学系が設けられている面に交差する軸線回りに回転する。スレーブが回転するとこの面に設けられている観察光学系および処置部が同時に同一方向に回転するので、モニタ上に表示されている被写体は回転するが、モニタ上の処置部は移動しない。
　本態様によれば、指令入力部の操作によってスレーブ装置を回転させる場合に、操作者が把持している操作部の姿勢が変化しないので、操作部の姿勢とモニタ上の処置部の位置は常に同じ対応関係に維持される。その結果、モニタを見ながら処置を行う操作者は、直感的な操作を行うことができる。また、操作部とモニタ上の処置部の位置とを一致させているので、操作後に時間をあけて再度操作する場合においても、操作者が操作部と処置部との対応関係を容易に認識することができる。
　上記態様においては、前記動作指令が、回転動作指令であり、前記制御部が、マスタ装置の前記操作部の操作を前記スレーブ装置の前記面に交差する軸線回りの回転および前記処置部の動作に対応付けることとしてもよい。
　このようにすることで、スレーブ装置を回転させる場合に、操作者が把持している操作部の姿勢が変化しないので、操作部の姿勢とモニタ上の処置部の位置は常に同じ対応関係に維持され、モニタを見ながら処置を行う操作者は、直感的な操作を行うことができる。
　上記態様においては、前記指令入力部が、前記操作部にかかる力の方向を検出する力センサであり、前記制御部が、前記力センサにより検出された力の方向に応じて前記スレーブ装置の動作方向を決定してもよい。
　このようにすることで、操作部を把持している操作者が操作部に力を加えると、その力の方向が力センサによって検出され、制御部が検出された力の方向に応じてスレーブ装置を回転させる。これにより、操作部を把持したままの状態で操作部を変位させることなく、スレーブ装置を直感的に操作して処置を行うことができる。
　また、上記態様においては、前記指令入力部が、前記操作部を把持している指以外の指で操作可能な位置に配置された入力装置であってもよい。
　このようにすることで、操作者は、操作部をいずれかの指で把持し続けたまま、操作部を移動させることなく、把持している指以外の指によって入力装置を操作してスレーブ装置を回転させることができる。
　また、上記態様においては、前記操作部が、前記操作者の両手で把持されるように２箇所に設けられ、各前記操作部に、前記指令入力部が設けられていてもよい。
　このようにすることで、スレーブ装置を回転させるための回転指令を２つの指令入力部に分けて入力することができる。例えば、２つの指令入力部に同一方向の指令が入力された場合にこれを平均して回転指令としてもよいし、２つの指令入力部への指令が大きく異なる場合に、いずれかの指令入力部に異常があると判定してもよい。
　また、上記態様においては、前記制御部が、２つの指令入力部に入力された動作指令の平均値に基づいて前記スレーブ装置を動作させてもよい。
　このようにすることで、両手によってより安定してスレーブ装置を動作させることができる。
　また、前記制御部が、２つの指令入力部に入力された動作指令の総和に基づいて前記スレーブ装置を動作させてもよい。
　このようにすることで、２つの指令入力部に入力された動作指令の組み合わせに応じたパターンでスレーブ装置を動作させることができる。
　また、上記態様においては、各前記指令入力部が、それぞれ３軸方向の力センサであってもよい。
　このようにすることで、２つの指令入力部によってスレーブ装置の６自由度の動作を指令することができる。
　本発明によれば、マスタ装置を持ち換えることなくスレーブ装置が操作でき、スレーブ装置の操作後もマスタ装置とモニタ上の処置具の位置との対応関係を維持することができ、マスタ装置の操作によってスレーブ装置を回転させた場合に、マスタ装置とモニタ上の処置具の位置との対応関係を維持することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るマスタスレーブシステムを示す全体構成図である。 図１のマスタスレーブシステムのスレーブ装置である内視鏡の挿入部先端を示す斜視図である。 図１のマスタスレーブシステムのマスタ装置を示す斜視図である。 図１のマスタスレーブシステムが基準位置に配置されている状態の（ａ）マスタ装置、（ｂ）スレーブ装置および（ｃ）モニタ上の画像をそれぞれ示す図である。 図１のマスタスレーブシステムのマスタ装置のハンドルに力が加えられた状態の（ａ）マスタ装置、（ｂ）スレーブ装置および（ｃ）モニタ上の画像をそれぞれ示す図である。 図１のマスタスレーブシステムの動作を説明するフローチャートである。 図１のマスタスレーブシステムの変形例におけるマスタ装置を示す斜視図である。 図１のマスタスレーブシステムの他の変形例におけるマスタ装置を示す斜視図である。 図１のマスタスレーブシステムに備えられた指令入力部の変形例であって、操作部に設けられた（ａ）ダイヤル、（ｂ）十字キー、（ｃ）ジョイスティック、（ｄ）タッチパネル、（ｅ）両手でそれぞれ操作されるダイヤルを示す斜視図である。 図１のマスタスレーブシステムの他の変形例におけるマスタ装置を示す斜視図である。 図１のマスタスレーブシステムの他の変形例における（ａ）マスタ装置および（ｂ）スレーブ装置をそれぞれ示す斜視図である。
　以下、本発明の一実施形態に係るマスタスレーブシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係るマスタスレーブシステム１は、図１に示されるように、内視鏡システムであって、操作者Ｏにより操作されるマスタ装置２と、スレ－ブ装置としての内視鏡４と、該内視鏡４を駆動する駆動部５と、駆動部５を制御する制御部６と、内視鏡４により取得された画像を表示する表示部（モニタ）７とを備えている。
　内視鏡４は、患者Ｐの体内、例えば、大腸等の柔らかい臓器内に挿入される軟性の挿入部３を有している。
　挿入部３の先端面３ａには、図２に示されるように、観察光学系の対物レンズ８が取り付けられているとともに、先端面３ａから前方に向かって突出する２つの処置具（処置部）９が設けられている。処置具９はそれぞれ多関節構造を有している。また、挿入部３の先端近傍には複数の湾曲部（図示略）が設けられている。各湾曲部の湾曲を組み合わせることにより、挿入部３の先端面３ａを任意の方向に移動させることができるようになっている。
　駆動部５は、内視鏡４の挿入部３の挿入動作、挿入部３の湾曲動作、挿入部３の捻り動作等の駆動を挿入部３の基端側において行うようになっている。
　本実施形態に係るマスタ装置２は、図１および図３に示すように、床面に固定された操作台２１に取り付けられたハンドル（操作部）２２と、該ハンドル２２の左右に設けられ、操作者Ｏが両手で先端部を把持して操作する処置具９に合わせた多関節構造の処置操作部（操作部）２３と、床面上に配置されたフットスイッチ２４とを有している。操作台２１とハンドル２２との間には、ハンドル２２に加えられる力を６軸方向で検出する力センサ２５が設けられている。
　介助者（不図示。）は、図１に示すように、マスタ装置２側に配置されている手術台３０上に患者Ｐを寝かせ、消毒、麻酔などの適切な処理を行う。
　操作者Ｏは、介助者に指示して患者Ｐの肛門から大腸内に内視鏡４の挿入部３を導入させる。操作者Ｏは、マスタ装置２を操作して挿入部３の湾曲部を適宜湾曲させ、内視鏡４の先端を動作させるようになっている。
　制御部６は、マスタ装置２のハンドル２２に、水平軸Ｘ回りに加えられる力の方向と挿入部３の先端面３ａの長手軸Ｙ回りの回転方向とを対応付けるとともに、加えられた力の持続時間と回転角度とを対応付けるようになっている。
　また、制御部６は、マスタ装置２の処置操作部２３の操作を処置具９の動作に対応付けるようになっている。ここで、操作を動作に対応づけるとは、マスタ装置２側の操作によって内視鏡４の対応部分が動作させられるようになることを意味する。
　具体的には、制御部６は、ハンドル２２に加えられる力に応じた挿入部３の長手軸Ｙ回りの回転指令信号を生成し駆動部５に出力するようになっている。また、制御部６は、処置操作部２３を操作することによる処置操作部２３の各関節の回転角度に応じた処置具９の対応する各関節の回転指令信号を生成し駆動部５に出力するようになっている。
　さらに、本実施形態においては、制御部６は、例えば、フットスイッチ２４が踏まれることによって、処置具の動作モードが選択されたときには、操作者Ｏによる操作に応じて処置操作部２３の各関節を自由に揺動させて、処置操作部２３の各関節の回転角度に応じた処置具９の対応する各関節を動作させるようになっている。一方、制御部６は、フットスイッチ２４が踏まれることによって、内視鏡の動作モードが選択されたときには、処置操作部２３の各関節の動作が図示しないモータあるいはブレーキによって固定され、処置操作部２３を把持した状態で操作者Ｏにより加えられる力がそのままハンドル２２に伝達させられるようになっている。
　このように構成された本実施形態に係るマスタスレーブシステム１の作用について以下に説明する。
　本実施形態に係るマスタスレーブシステム１を用いて患者Ｐの体内の観察および処置を行うには、内視鏡４の挿入部３を体腔内に挿入した状態で、操作者Ｏが、内視鏡４の対物レンズ８を介して観察光学系により撮影された体腔内の状態をモニタ７によって観察しながら、マスタ装置２の処置操作部２３を把持して、ハンドル２２および処置操作部２３を操作する。
　これにより、スレーブ装置である内視鏡４の挿入部３および処置具９を移動させる。
　処置具９を用いて患部等の処置を行うには、フットスイッチ２４を踏むことによって、図６に示されるように、処置具操作モードを選択し（ステップＳ１）、両手で把持した２つの処置操作部２３を操作することによって（ステップＳ２）、制御部６により処置具９を動作させ（ステップＳ３）、処置を行う。
　一方、内視鏡４の挿入部３を移動させる場合には、内視鏡操作モードを選択し（ステップＳ１）、その位置で、処置操作部２３の各関節を固定する。これにより、処置操作部２３を把持している操作者Ｏの手により加えられる力が、そのままハンドル２２に伝達される。
　例えば、図４（ａ）～（ｃ）に示されるようにハンドル２２および処置具９に力がかけられていない状態から、図５（ａ）に示されるようにハンドル２２に対して、任意の時間にわたって力Ｆをかける（ステップＳ５）。ハンドル２２にかけた力は、ハンドル２２と操作台２１との間に設けられている６軸の力センサ２５によって検出される。
　制御部６は、力センサ２５によって検出された力の方向と力をかけた時間に応じて、内視鏡４の挿入部３の各湾曲部を作動させる（ステップＳ６）。特に、力センサ２５によって、図５（ａ）に示されるように、ハンドル２２に対して、水平軸Ｘ回りのモーメントが発生するような力の成分が検出された場合には、図５（ｂ）に示されるように、挿入部３の先端面３ａがその長手軸Ｙ回りに、検出されたモーメントの方向に応じた方向に、力をかけた時間に応じた角度だけ回転させられる。
　先端面３ａが回転させられると該先端面３ａに設けられている対物レンズ８および処置具９が同時に同一方向に回転させられる。
　対物レンズ８が回転させられると、視野が回転するので、取得される画像内における被写体Ａは、図５（ｃ）に示されるように、視野の回転方向とは逆方向に同じ回転角度で回転させられる。同じ先端面３ａに配置された対物レンズ８と処置具９とは相対位置が変化しないので、取得された画像に部分的に写っている処置具９の位置は変化しない。内視鏡操作モードと処置具操作モードとを任意に切り替えたい場合には、ステップＳ１，Ｓ８においてフットスイッチ２４を踏むことにより切り替えればよい。
　このように、本実施形態に係るマスタスレーブシステム１によれば、挿入部３の先端面３ａを回転させて被写体Ａに対する処置具９の方向を変化させる際に、ハンドル２２を回転させずにハンドル２２にかける力の方向によって先端面３ａを回転させるので、操作者Ｏが把持する処置操作部２３の位置およびモニタ７上に表示される処置具９の位置は移動せず、常に同じ位置に維持される。
　すなわち、本実施形態においては、操作者Ｏがハンドル２２に反時計回りのモーメントを加えると、モニタ７上においては、被写体Ａが時計回りに回転する。このとき、ハンドル２２の位置とモニタ７上の処置具９の位置は変化しないので、モニタ７を見ながら処置を行う操作者Ｏは、直感的な操作を行うことができるという利点がある。また、ハンドル２２の位置とモニタ７上の処置部９の位置が常に一致しているので、操作者Ｏが操作後に一旦その場を離れ、時間をあけて再度操作する場合においても、ハンドル２２と処置部９との対応関係を容易に認識することができるという利点がある。
　なお、本実施形態においては、ハンドル２２と操作台２１との間に６軸の力センサ２５を設けたので、操作者Ｏが加える力は、操作者Ｏが把持する処置操作部２３およびこれに接続するハンドル２２を介して力センサ２５によって検出されるが、これに代えて、力センサ２５を処置操作部２３の先端の関節部に設けてもよい。このようにすることで、より直接的に操作者Ｏが加えた力を検出することができる。この場合には、処置操作部２３の先端の関節部がどの方向に向けられているかによってハンドル２２を回転させる力成分であるか否かを判断する必要がある。この場合、先端の関節部の姿勢を取得して座標変換すればよい。
　また、スレーブ装置である内視鏡４の挿入部３の回転操作以外にも、例えば、マスタ装置２のX軸方向の力入力によって挿入部３のY軸方向の進退方向を動作させたり、左右上下方向の力入力を挿入部３の先端湾曲角度の動作に対応させたりしてもよい。この場合にも、マスタ装置２の処置操作部２３とモニタ７に映る処置具９との位置関係をずらすことなく、マスタ装置２によって内視鏡４を動かすことが可能となる。
　また、図７に示されるように、左右両手で把持される２つの処置操作部２３のそれぞれに力センサ２５を設けることにしてもよい。
　この場合には、２つの力センサ２５によって同一方向の力が検出された場合に、検出された力の平均値を操作量として用いることにしてもよい。このようにすることで、より安定した操作を行うことが可能となる。また、２つの力センサ２５により検出される力が大きく相違している場合には、何らかの異常があると判定してもよい。
　また、２つの処置操作部２３にそれぞれ力センサ２５を設ける場合に、図７に示されるように、３軸方向の力ＬＦｘ，ＬＦｙ，ＬＦｚ；ＲＦｘ，ＲＦｙ，ＲＦｚを検出可能な力センサ２５をそれぞれ設けることにしてもよい。このようにすることで、両方合わせて６自由度の動作指令が可能になるとともに、２つの組み合わせ（総和）により新たな動作指令を構成することもできる。
　例えば、右手で把持する処置操作部２３に加える力をＲＦｘ，ＲＦｙ，ＲＦｚとし、左手で把持する処置操作部２３に加える力をＬＦｘ，ＬＦｙ，ＬＦｚとして、ＲＦｘ＞０，ＬＦｘ＜０のとき、観察光学系をズームインし、ＲＦｘ＜０，ＬＦｘ＞０の場合に、観察光学系をズームアウトする動作指令を構成してもよい。ズームは光学ズーム、デジタルズーム、また、スレーブ挿入部をY軸方向に進退するように動作させてもよい。
　また、両手による操作が必要な場合、例えば２つのスレーブ装置を動作対象として操作しているときに、片側の力センサ２５のみによって力が検出された場合には、動作指令を発生させないこととしてもよいし、片方の力センサ２５が故障していることを報知してもよい。
　このように２つの力センサを組み合わせることによって、例えば３軸の力センサ２５を用いることで、力の３軸に加えてモーメントの３軸分の計６軸分の入力が可能となる。つまり、入力に必要な軸数以下の力センサ２５を用いて、センサを安価に構成することができるとともに、力センサ２５の２重化を図ることができるという利点もある。
　３軸以下のセンサであっても同様で，2軸センサ２つの組合せでモーメントも含めた４軸分の入力をしたり、１軸センサ２つの組合せで２軸の入力をすることができる。
　上記のように３軸以下のセンサを使う例を示したが、４軸以上のセンサを２つ組み合せて８軸軸以上の入力としてもよい。
　また、図８に示されるように、異なるタイプのマスタ装置２の場合にも、操作者Ｏが把持して力Ｆを加える位置の近傍に力センサ２５を設けておくことが好ましい。
　また、本実施形態においては、指令入力部として力センサ２５を例示したが、これに代えて、図９に示されるように、処置操作部２３を把持した指以外の指によって操作可能な入力装置、例えば、（ａ）左右方向のダイヤル２６ａと上下方向のダイヤル２６ｂ、（ｂ）十字キー２７、（ｃ）ジョイスティック２８、（ｄ）タッチパネル２９等の任意の入力装置を採用してもよい。また、図８（ｅ）に示されるように、左右の処置操作部２３に配置される左右方向のダイヤル２６ａ、上下方向のダイヤル２６ｂ、進退方向のダイヤル２６ｃ、ロール方向のダイヤル２６ｄのような入力装置によって、操作を振り分けることにしてもよい。
　また、図９に示されるように、スレーブ装置である内視鏡の関節数に対してマスタ装置２の関節数を多く構成しておき、多い分の関節の動作を内視鏡４の挿入部３の先端面３ａの長手軸Ｙ回りの回転指令に割り当てることにしてもよい。図１０に示す例では、操作者Ｏの指によって把持される最先端の把持部２７をさらにその長手軸Ｊ７回りに回転させる余剰の関節を設け、その関節の動作によって挿入部３の先端面３ａを回転させることにしている。符号Ｊ１～Ｊ６は、挿入部３の先端面３ａを６自由度で移動させるためのマスタ装置２に設けられた関節軸をそれぞれ示している。
　また、本実施形態においては、挿入部３の先端面３ａから突出する２つの処置具９を有する場合について説明したが、これに代えて、図１１（ｂ）に示されるように、単一の処置具を有する場合に適用してもよい。この場合には、マスタ装置２としては、図１１（ａ）に示されるように、操作台２１に力センサ２５を介して取り付けられたレバー２８を揺動させる方向に力を加えることで、スレーブ装置である内視鏡４の挿入部３先端の首を振る方向の動作指令を発生し、レバー２８をその長手軸Ｘ回りに回転させる力を加えることで、挿入部３の先端面３ａを長手軸Ｙ回りに回転させる動作指令を発生すればよい。また、レバー２８の先端にスライダ２９を設け、該スライダ２９の長手軸Ｘに沿う方向の移動によって、処置具９の突出量を変更することにしてもよい。
　Ａ　被写体
　Ｏ　操作者
　Ｙ　長手軸（軸線）
　１　マスタスレーブシステム
　２　マスタ装置
　３ａ　先端面（面）
　４　内視鏡（スレーブ装置）
　６　制御部
　７　モニタ
　８　対物レンズ（観察光学系）
　９　処置具（処置部）
　２２　ハンドル（操作部）
　２３　処置操作部（操作部）
　２５　力センサ（指令入力部）
　２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ　ダイヤル（入力装置）
　２７　十字キー（入力装置）
　２８　ジョイスティック（入力装置）
　２９　タッチパネル（入力装置）

Claims (8)

  1. 　被写体を撮影する観察光学系と、該観察光学系が設けられている面から突出し該観察光学系により少なくとも一部が被写体とともに撮影される処置部とを備えるスレーブ装置と、
    　操作者によって把持されて操作される操作部を備えるマスタ装置と、
    　該マスタ装置の前記操作部の操作を前記スレーブ装置の動作および前記処置部の動作に対応付ける制御部と、
    　前記観察光学系により取得された画像を表示するモニタとを備え、
    　前記操作部が、前記操作者により把持されたまま、その姿勢を変化させずに、前記スレーブ装置の動作指令を入力可能な指令入力部を備えるマスタスレーブシステム。
  2. 　前記動作指令が、回転動作指令であり、
    　前記制御部が、マスタ装置の前記操作部の操作を前記スレーブ装置の前記面に交差する軸線回りの回転および前記処置部の動作に対応付ける請求項１に記載のマスタスレーブシステム。
  3. 　前記指令入力部が、前記操作部にかかる力の方向を検出する力センサであり、
    　前記制御部が、前記力センサにより検出された力の方向に応じて前記スレーブ装置の動作方向を決定する請求項１または請求項２に記載のマスタスレーブシステム。
  4. 　前記指令入力部が、前記操作部を把持している指以外の指で操作可能な位置に配置された入力装置である請求項１または請求項２に記載のマスタスレーブシステム。
  5. 　前記操作部が、前記操作者の両手で把持されるように２箇所に設けられ、
    　各前記操作部に、前記指令入力部が設けられている請求項１から請求項４のいずれかに記載のマスタスレーブシステム。
  6. 　前記制御部が、２つの指令入力部に入力された動作指令の平均値に基づいて前記スレーブ装置を動作させる請求項５に記載のマスタスレーブシステム。
  7. 　前記制御部が、２つの指令入力部に入力された動作指令の総和に基づいて前記スレーブ装置を動作させる請求項５に記載のマスタスレーブシステム。
  8. 　各前記指令入力部が、それぞれ３軸方向以下の力センサである請求項５から請求項７のいずれかに記載のマスタスレーブシステム。
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