WO2014199415A1 - 医療用マニピュレータおよびその制御方法 - Google Patents

医療用マニピュレータおよびその制御方法 Download PDF

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WO2014199415A1
WO2014199415A1 PCT/JP2013/003710 JP2013003710W WO2014199415A1 WO 2014199415 A1 WO2014199415 A1 WO 2014199415A1 JP 2013003710 W JP2013003710 W JP 2013003710W WO 2014199415 A1 WO2014199415 A1 WO 2014199415A1
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WO
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forceps
medical instrument
medical
spatial position
posture
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Application number
PCT/JP2013/003710
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English (en)
French (fr)
Inventor
神野　誠
佐野　弘明
Original Assignee
テルモ株式会社
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/37—Master-slave robots

Definitions

  • the present invention relates to a medical manipulator and a control method therefor in a remote operation type surgical system, and in particular, minimally invasive by performing insertion of a medical instrument such as an endoscope or forceps into a body such as laparoscopic surgery and thoracoscopic surgery.
  • the present invention relates to a medical manipulator suitable for assisting surgery and a control method thereof.
  • Minimally invasive surgery involves traditional laparotomy techniques such as less post-operative pain, shorter hospital stays, faster return to normal activity (social rehabilitation), and less tissue damage.
  • a surgeon is required to have a high level of skill and high skill because of restrictions on motion, visual field, and surgical tools.
  • the need for minimally invasive surgery using robotic surgical systems that can circumvent such limitations is strong and large.
  • Laparoscopic surgery is a type of minimally invasive surgery.
  • a laparoscope and forceps are inserted into the abdominal cavity from the small incision site of the patient's abdominal wall through the abdominal wall.
  • the operator performs an operation with forceps while observing the tissue of the abdominal cavity with a laparoscope.
  • the abdominal cavity is usually inflated with carbon dioxide or the like.
  • an instrument called a trocar is inserted into the incision site of the abdominal wall, and a laparoscope and forceps are inserted into the abdominal cavity through the trocar. In this way, many surgical procedures can be performed without the need for large or open cavity surgical incisions.
  • Patent Document 1 discloses a remote operation type operation in which forceps inserted into the abdominal cavity to perform a treatment can be remotely operated so that the laparoscopic surgery as described above can be performed more easily and safely. A system has been proposed.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and flexibly responds to changes in the position of the insertion port in surgery performed by inserting a medical instrument into the body from the insertion port, such as forceps in laparoscopic surgery.
  • the purpose is to realize a possible remote operation type surgical system.
  • a medical manipulator comprises the following arrangement. That is, A medical manipulator having a multi-degree-of-freedom arm to which a medical instrument can be attached, Storage means for storing an insertion port position indicating a spatial position of the insertion port for inserting the forceps attached to the multi-degree-of-freedom arm into the body; A determining unit that determines a spatial position of a movement destination of the predetermined part of the medical instrument in response to a user operation; The predetermined part of the medical instrument is moved to the spatial position determined by the determining means under the restriction of the movement of the medical instrument while maintaining the state where the medical instrument passes through the spatial position indicated by the insertion port position. Control means for driving the multi-degree-of-freedom arm.
  • a remote operation type surgical system that can flexibly cope with a change in the position of an insertion port of a medical instrument such as forceps into the body.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a remote operation type surgical system according to an embodiment.
  • the slave arm 21 that is a multi-degree-of-freedom robot arm operates following the movement of the master arm 31.
  • minimally invasive surgery such as laparoscopic surgery is realized by remote control.
  • the robot controller 11 controls driving of each axis of the slave arm 21.
  • Operation interfaces such as a teaching pendant 12, a touch panel display 13, and a keyboard 14 are connected to the robot controller 11 as necessary.
  • the teaching pendant 12 instructs the robot controller 11 such as a jog operation of the slave arm 21 according to a user operation.
  • the touch panel display 13 displays various operation states of the slave arm 21 and provides a graphical user interface for performing various operation instructions.
  • the keyboard 14 is used for inputting various data to the robot controller 11. For example, the user can input the coordinate value of the teaching position of the slave arm 21 using the keyboard 14 or can instruct a jog operation.
  • the jog operation refers to guiding the robot in a predetermined direction at a predetermined speed or operating the robot by a button ON / OFF operation or the like from an operation interface such as the teaching pendant 12, the touch panel display 13, and the keyboard 14. This is an operation that drives the shaft at a predetermined speed.
  • the slave arm 21 for example, a 6-axis vertical articulated robot arm that is common as an industrial robot can be used.
  • a forceps 22 for laparoscopic surgery is attached to the distal end portion of the slave arm 21.
  • the degree of freedom of the slave arm 21 is not limited to six axes, and the degree of freedom is not limited. However, the degree of freedom and the degree of freedom are sufficient to realize a necessary operation in laparoscopic surgery. It is necessary to have. Details of the slave arm 21 will be described later with reference to FIG.
  • the forceps attached to the surgical robot is a multi-degree-of-freedom forceps having a yaw axis, a roll axis, a pitch axis, a yaw axis, and a gripper axis at the tip, and the gripper can be placed at any position and posture in the abdominal cavity. It can be guided.
  • the surgical robot does not necessarily need to be a multi-degree-of-freedom forceps, details of the degree of freedom of the distal end portion of the forceps are not described in this specification.
  • an endoscope an endoscope that can be observed in the body such as a laparoscope, a thoracoscope, a hysteroscope, and a nasal endoscope
  • it can be configured as an endoscope holding arm.
  • the master arm 31 provides an operation unit for the operator to instruct the movement of the forceps 22 by the slave arm 21.
  • the coordinate output device 32 outputs the spatial position indicated by the master arm 31 to the robot controller 11 as a three-dimensional coordinate value.
  • the coordinate output device 32 may be built in the robot controller 11. Details of the configuration of the master arm 31 and the coordinate values output by the coordinate output device 32 will be described later with reference to FIG.
  • the foot switch 33 outputs an in-operation signal indicating whether the operation by the master arm 31 is valid or invalid to the robot controller 11. Note that the configuration for generating such an in-operation signal is not limited to the foot switch, and the in-operation signal is output in response to a user operation other than the user operation for designating the spatial position of the forceps 22. If it is. For example, a switch for turning on / off the operation signal may be provided on the grip portion of the master arm 31.
  • the camera 41 images the patient's abdominal cavity and sends the video signal to the camera controller 42.
  • the camera controller 42 displays the video signal received from the camera 41 on the monitor 43.
  • the surgeon can perform the operation by operating the master arm 31 while checking the position of the forceps 22 moved by the slave arm 21 in the abdominal cavity, the position of the patient's organ (affected part), and the like on the monitor 43. Therefore, the surgeon can perform the operation in an environment similar to a normal laparoscopic operation.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the slave arm 21 according to the present embodiment.
  • the slave arm 21 is a six-axis articulated arm, and has a first axis, a second axis,..., A sixth axis in order from the base 201 side as shown in 2a of FIG.
  • Each axis is rotationally driven by a servo motor, for example.
  • 2b in FIG. 2 is a diagram schematically showing each axis and arm of the slave arm 21, and ⁇ 1 to ⁇ 6 indicate rotation angles (positions) around the first to sixth axes. To do.
  • the position of the distal end portion of the forceps 22 is represented by three-dimensional coordinates (x, y, z), and the posture of the forceps 22 is represented by, for example, an angle (Rx, Ry, Rz) around the xyz axis.
  • the position and orientation of the forceps 22 is uniquely determined by (x, y, z, Rx, Ry, Rz), and the angles ( ⁇ 1, ⁇ 6) of the first to sixth axes that realize the position and orientation by inverse kinematics calculation. ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, ⁇ 5, ⁇ 6) are calculated. Further, from the angles ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, ⁇ 5, ⁇ 6) of each axis from the first axis to the sixth axis, the position and orientation (x, y, z, Rx, Ry, Rz).
  • a forceps mounting portion 202 is provided at the distal end portion of the slave arm 21, and the forceps 22 is mounted.
  • the forceps 22 can be appropriately replaced according to the procedure.
  • the sixth axis (rotary axis) and the shaft of the forceps 22 (forceps shaft) that is, the long axis of the forceps 22 are matched
  • the rotation operation of the forceps shaft can be realized only by driving the sixth axis.
  • the forceps shaft can be rotated without moving the first to fifth axes, and the entire arm does not move when the forceps shaft is rotated.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the master arm 31 according to the embodiment.
  • the master arm 31 includes a master forceps handle 301, a master forceps shaft 302, a virtual trocar portion 303, a base 304, and a position transmission mechanism 306.
  • the master forceps handle 301 is a portion that the operator holds to operate the master forceps shaft 302.
  • the master forceps handle 301 may be provided with a user interface for operating the drive unit.
  • the master forceps shaft 302 is supported by the virtual trocar section 303 in a biaxial rotation with respect to the base 304 and is also supported by a cylindrical slide.
  • the master forceps shaft 302 is supported so as to be capable of rotating 311 around the vertical axis and rotating 312 around the horizontal axis.
  • the master forceps shaft 302 is supported by the cylindrical slide support so as to be capable of sliding in the shaft axial direction 313 and rotating the shaft 314.
  • the operator can move the distal end portion 305 of the master forceps shaft 302 to an arbitrary position in the three-dimensional space.
  • the position transmission mechanism 306 has the same configuration as that of the six-axis vertical articulated robot arm
  • the position (spatial position) of the tip 305 in the three-dimensional space is transmitted to the coordinate output device 32 via the position transmission mechanism 306.
  • the coordinate output device 32 can output coordinate values (x, y, z) corresponding to the three-dimensional position to the robot controller 11.
  • the rotation angle (r) of the shaft rotation 314 is also output to the robot controller 11 via the coordinate output device 32.
  • the detected spatial position of the shaft is not limited to the tip portion 305, and may be a spatial position of a specific part of the shaft operated by the user.
  • the virtual trocar section 303 is between a part where the user grips the master forceps shaft 302 (master forceps handle 301) and a specific part where the spatial position is detected.
  • sensors are arranged on the biaxial rotation support (vertical axis, horizontal axis) and the cylindrical slide support (forceps insertion direction, rotation axis around the forceps shaft) of the virtual trocar section 303, and the position of a specific part of the master forceps shaft 302 is determined. You may make it detect.
  • the position of the tip portion 305 in the three-dimensional space (spatial position: coordinate values (x, y, z) corresponding to the three-dimensional position) and the rotation angle (r) of the rotation 314 of the shaft are determined by the robot. Obviously, it is possible to output to the controller 11.
  • the surgeon grasps the master forceps handle 301 while looking at the monitor 43 and operates the master forceps shaft 302 supported by the virtual trocar section 303 to perform an operation using the forceps 22 attached to the slave arm 21. . Since the master forceps shaft supported by the virtual trocar section 303 is operated as described above, a remote operation can be realized with an operation feeling similar to the forceps operation performed in the conventional laparoscopic surgery. Furthermore, it is possible to always operate the forceps in an optimal posture in which the forceps can be easily operated without operating the forceps in an unreasonable posture through the operating table and without interference with the assistant doctor.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the robot controller 11.
  • the robot controller 11 includes a control unit 410, a memory 420, an external interface (external I / F) 430, and a servo driver 440.
  • the control unit 410 includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like (not shown), a teaching processing unit 411, an attitude alignment processing unit 412, an insertion / extraction processing unit 413, a restriction operation processing unit 414, and coordinates for realizing each processing described below. It functions as the processing unit 415.
  • each processing unit is realized by the CPU executing a program stored in the ROM or RAM. The detailed operation of each processing unit will be apparent from the following description.
  • the memory 420 is a secondary storage device configured by, for example, a hard disk or a semiconductor memory, and includes a trocar position holding unit 421, an insertion start position holding unit 422, a standby position holding unit 423, and a forceps table 424.
  • the trocar position holding unit 421 holds the coordinates and the insertion posture of a position (trocar position) for inserting forceps into the patient's body during laparoscopic surgery.
  • the trocar position and the insertion posture are the reference position of the trocar spatial position (three-dimensional coordinates) for inserting the forceps 22 into the abdominal cavity and the direction in which the forceps 22 is inserted into the trocar. Designated by teaching operation.
  • the trocar is generally composed of a forceps insertion portion (opening) and a cylindrical portion inserted into the abdominal wall.
  • the trocar position here refers to the insertion of the cylindrical portion of the abdominal wall portion.
  • the vicinity that is, the vicinity of the intersection of the abdominal wall portion and the cylindrical portion, and means the position of the fulcrum (fixed point) when the forceps shaft is inserted into the abdominal cavity.
  • the trocar position holding unit 421 can hold an insertion posture corresponding to a plurality of trocar positions, and a desired trocar position can be selected from the plurality of trocar positions by a user input using the touch panel display 13 or the keyboard 14.
  • the insertion start position holding unit 422 holds the start position and posture of the insertion operation when inserting the forceps 22 toward the selected trocar position.
  • the standby position holding unit 423 holds the position and posture of the slave arm 21 in the standby state, and the user can attach or replace the forceps 22 at this position.
  • the type of forceps and the length of the forceps shaft or the forceps coordinate system are recorded in association with each other.
  • the forceps coordinate system can be defined by the reference position of the slave arm, for example, the position / posture with respect to the machine interface.
  • the servo driver 440 controls the drive of the servo motor corresponding to the first to sixth axes of the slave arm 21.
  • the control unit 410 instructs the servo driver 440 about the driving amount of each axis and acquires the rotational positions ( ⁇ 1 to ⁇ 6) of each axis.
  • a teaching pendant 12, a touch panel display 13, a keyboard 14, a coordinate output device 32, and a foot switch 33 are connected to the external I / F 430.
  • a servo driver for driving the forceps tip joint axis or gripper shaft may be added to the servo driver 440.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation in the laparoscopic surgery mode by the robot controller 11 of the present embodiment.
  • the robot controller 11 In laparoscopic surgery, it is necessary to first store the trocar position as a forceps insertion position into the abdominal cavity of the patient and the insertion posture as the forceps insertion direction in the robot controller 11 (trocar position holding unit 421) by teaching. .
  • the teaching mode is specified by a user interface (hereinafter, GUI) provided by the touch panel display 13, the teaching processing unit 411 executes teaching processing in step S501, and the teaching result (3 of the trocar position and insertion posture).
  • the vector representing the dimension coordinate value and the insertion direction) is held in the trocar position holding unit 421.
  • the slave arm 21 In teaching of the trocar position and the insertion posture, for example, the slave arm 21 is moved by operating the teaching pendant 12 or manually, the tip of the forceps 22 is aligned with the forceps insertion position of the patient, and the insertion posture of the forceps 22 is adjusted. Instruct the decision by operating the GUI in the state.
  • the teaching processing unit 411 determines the three-dimensional coordinates of the distal end portion of the forceps 22 from the rotation angle ( ⁇ 1 to ⁇ 6) of each axis and the length of the attached forceps 22 (forceps coordinate system). (X, y, z) is calculated and held in the trocar position holding unit 421.
  • a vector representing the axial direction of the forceps 22, for example, (Rx, Ry, Rz) is calculated and held in the trocar position holding unit 421 as an insertion posture.
  • (Rx, Ry, Rz) indicates the rotation angle around the x, y, and z axes.
  • the teaching method of the trocar position and the insertion posture is not limited to this, and the three-dimensional coordinates and insertion posture of the forceps insertion position may be input from the keyboard 14.
  • the length (forceps coordinate system) of the attached forceps 22 is acquired from the forceps table 424 when the type of the forceps 22 is input by the user. The acquisition of the length of the forceps 22 is not limited to the above, and the length of the attached forceps 22 may be directly input from the keyboard 14.
  • a position / orientation measurement system that can acquire the 3D position / orientation of the trocar relative to the base coordinate system of the robot or the world coordinate system (usually, the base coordinate system of the robot is defined with respect to the world coordinate system). You may get it.
  • the data to be acquired may basically be the three-dimensional position of the trocar, but by acquiring the posture information, it can be used to determine whether the forceps insertion direction is appropriate (details) Will be described later), and a safer system can be constructed. Further, even when the movable range of the slave arm 21 cannot take a position that exceeds the allowable insertion range with respect to each trocar position, the control on the insertion posture with respect to the trocar position becomes unnecessary.
  • the posture alignment processing unit 412 moves the slave arm 21 to the insertion posture in step S502.
  • the insertion posture is a posture in which the long axis (forceps shaft) of the forceps 22 coincides with a straight line passing through the distal end portion of the forceps 22 and the trocar position. If this posture is within a predetermined range (allowable range) based on the direction indicated by the insertion posture stored in the trocar position holding unit 421 corresponding to the trocar position, the posture adjustment to the insertion posture is completed. It will be done.
  • the forceps 22 is inserted into the abdominal cavity of the patient from the trocar position by translating the forceps 22 in the longitudinal direction of the forceps 22.
  • the direction of the forceps 22 as a result of the posture adjustment processing is not within the allowable range, the user is notified of that.
  • the following four modes are provided as the posture adjustment processing to the insertion posture of the slave arm 21. That is, Automatic mode: The slave arm 21 is moved to the insertion posture in which the distal end portion of the forceps 22 is aligned with the three-dimensional position held by the insertion start position holding portion 422 by the joint synchronization operation or linear interpolation operation of the first to fifth axes. To move. Joint synchronization operation mode: The first to third axes are fixed, and the posture is adjusted so that the trocar position is in the long axis direction of the forceps 22 by the joint synchronization operation of the fourth and fifth axes.
  • Jog operation mode The first to third axes are fixed, and the posture is adjusted so that the trocar position is in the long axis direction of the forceps 22 by the jog operation of the fourth and fifth axes.
  • Manual mode The first to third axes are fixed, and the posture is adjusted so that the trocar position is in the long axis direction of the forceps 22 by manual operation of the fourth and fifth axes.
  • the sixth axis is not directly related to the insertion posture, but the sixth axis may be included when it is necessary to limit the posture of the end effector (shaft rotation axis). . Also, if you have a forceps tip joint axis or gripper axis, you can insert it at the same time as or before and after the alignment process (for example, the pitch axis and yaw axis are straight in the same direction as the shaft, and the gripper is closed) To the state). It should be noted that teaching of the insertion posture of the forceps tip joint axis and the gripper axis may be guided by automatic operation, JOG operation, or manual operation, similar to the slave arm 21.
  • the posture alignment processing unit 412 reads the trocar position from the trocar position holding unit 421 (step S601).
  • the user is made to select a desired trocar position by using the GUI.
  • the trocar position at the time of previous insertion or removal may be stored, and the trocar position may be set as the default position.
  • the three-dimensional coordinates of the trocar position designated for inserting the forceps 22 are defined as (xt, yt, zt).
  • step S ⁇ b> 603 the posture alignment processing unit 412 reads the insertion start position from the insertion start position holding unit 422.
  • the user is made to select a desired insertion start position using the GUI.
  • the position at the time of previous insertion or removal may be stored and set as the default position of the insertion start position.
  • the three-dimensional coordinates of the read or selected insertion start position are (xs, ys, zs).
  • the insertion start position holding unit 422 automatically calculates and holds a position about 50 to 100 mm away from the trocar position along the insertion direction.
  • the user may be allowed to specify a separation distance from the trocar position.
  • the user may manually input the insertion start position (three-dimensional coordinates) with respect to the trocar position.
  • it is determined whether or not the insertion start position specified by the user falls within the allowable range based on the insertion direction corresponding to the trocar position. If the specified insertion start position is outside the allowable range, the insertion start position is determined to the user. It may be possible to prompt resetting.
  • step S604 the posture alignment processing unit 412 determines the vector direction passing through the trocar position (xt, yt, zt) and the insertion start position (xs, ys, zs), for example, the rotation angle (Rxs of the x, y, z axes). , Rys, Rzs).
  • the vector direction may be another expression method that can be expressed as a posture.
  • the posture alignment processing unit 412 determines the position / posture (xs, ys, zs, Rxs, Rys, Rzs) of the forceps 22 by combining the vector direction and the major axis direction of the forceps 22 as the insertion posture.
  • step S605 the posture alignment processing unit 412 moves the slave arm 21 to the insertion posture determined in step S604.
  • the process proceeds to step S641 to notify the user of the completion of the posture adjustment to the insertion posture via the GUI.
  • the insertion start position holding unit 422 holds not only the insertion start position (xs, ys, zs) but also the insertion start position and posture (xs, ys, zs, Rxs, Rys, Rzs) including the posture
  • the insertion start position / posture may be directly guided by joint synchronization operation or linear interpolation operation. In this case, the process of step S604 can be omitted.
  • FIG. 9a in FIG. 9 shows the posture adjustment operation in the automatic mode.
  • the distal end portion 901 of the forceps 22 in an arbitrary position and orientation (x, y, z, Rx, Ry, Rz) by the synchronous operation of each axis is inserted into the insertion posture (xs, ys, zs, Rxs, Rys, Rzs).
  • the long axis of the forceps 22 coincides with a vector 903 in a direction connecting the distal end portion 901 of the forceps 22 and the trocar position 902.
  • a function for determining whether the subsequent operation can be safely performed may be added. For example, whether the insertion posture (xs, ys, zs, Rxs, Rys, Rzs) is a position / posture that can be taken by the slave robot (whether it is within the motion range of each joint, or is it not within the motion range on the way) Calculates whether the trocar (patient) and forceps do not interfere or approach each other, whether forceps can be inserted after the posture adjustment operation (within the movement range of each joint, or not within the movement range on the way) To do. If it is determined that the subsequent operation may not be performed safely as a result of the calculation, a caution or warning may be clearly indicated to the user.
  • step S606 the posture alignment processing unit 412 fixes (servo lock) the first to third axes.
  • step S607 the posture alignment processing unit 412 calculates target positions (angles) of the fourth axis and the fifth axis. Target positions of the fourth axis and the fifth axis so that the major axis of the forceps 22 coincides with the vector direction connecting the position of the forceps mounting portion 202 and the trocar position, with the current rotation angle of the first to third axes fixed. (Angle) is calculated. For example, as shown in 9b of FIG.
  • step S608 the posture adjustment processing unit 412 determines whether the posture adjustment processing mode is the joint synchronization operation mode, the jog operation mode, or the manual mode. In the joint synchronization operation mode, the process proceeds to step S611.
  • step S611 the posture adjustment processing unit 412 drives the fourth axis and the fifth axis of the slave arm 21, and joints the forceps mounting unit 202 (the distal end portion 901 of the forceps 22) to the target position calculated in step S607. Move by synchronous operation.
  • step S612 the posture alignment processing unit 412 fixes (servo lock) the fourth axis and the fifth axis, and in step S641, completion of the posture alignment is notified to the user via the GUI. Notice.
  • the slave arm 21 is moved to the vector 903 in the direction connecting the distal end portion 901 of the forceps mounting portion 202 and the trocar position 902. Then, the forceps 22 moves to the insertion posture in which the major axis directions coincide with each other.
  • step S621 the posture alignment processing unit 412 performs a jog operation on the fourth axis and the fifth axis in accordance with the operation input of the teaching pendant 12. At this time, it is possible to efficiently perform the posture alignment process by prohibiting the jog operation in the direction away from the target position calculated in step S607.
  • step S622 if there is an axis that has reached the target position, the posture alignment processing unit 412 fixes (servo lock) that axis. Jog operation is prohibited for fixed axes.
  • step S623 the posture alignment processing unit 412 determines whether both the fourth axis and the fifth axis are fixed at the target position.
  • step S621 If at least one of the axes has not reached the target position, the process returns to step S621. If both axes have reached the target position and are fixed, the process proceeds to step S641, and the posture alignment processing unit 412 notifies the user of the completion of the posture alignment via the GUI.
  • the behavior of the slave arm 21 at this time is as described above with reference to 9b of FIG.
  • step S ⁇ b> 631 the posture alignment processing unit 412 controls the fourth axis and the fifth axis so that they can be moved by an operator's manual external force. At this time, it is possible to efficiently perform the posture alignment process by controlling the servo motor so that it cannot be moved manually in the direction away from the target position.
  • step S632 if there is an axis that has reached the target position, the posture alignment processing unit 412 fixes (servo lock) that axis. As a result, manual operation cannot be performed for the fixed shaft.
  • step S633 the posture alignment processing unit 412 determines whether both the fourth axis and the fifth axis are fixed at the target position.
  • step S631 If at least one of the axes has not reached the target position, the process returns to step S631. If both axes have reached the target position and are fixed, the process proceeds to step S641 to notify the user of the completion of posture alignment via the GUI.
  • the operation of the slave arm 21 at this time is as described above with reference to 9a of FIG.
  • step S641 it is determined whether the direction of the forceps 22 for which the posture adjustment has been completed is within an allowable range based on the insertion direction held corresponding to the trocar position in the trocar position holding unit 421. If out of tolerance, a warning to that effect is issued. In this case, for example, the user may be prompted to execute posture alignment in the automatic mode, together with a warning that it is outside the allowable range. Further, when the target position is calculated in step S607 described above, it may be determined whether the direction of the forceps 22 after the posture adjustment is within the allowable range. In this case, if the insertion direction is out of the permissible range, a warning to that effect can be issued, and execution of operations in the joint synchronization operation mode, jog operation mode, and manual mode can be prohibited.
  • step S503 when the insertion of the forceps 22 is instructed from the GUI (insertion instruction), the insertion / removal processing unit 413 drives the slave arm 21 so as to translate the forceps 22 along the longitudinal direction thereof, thereby The forceps 22 is inserted into the patient's abdominal cavity from the position.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the insertion operation of the forceps 22.
  • the insertion / extraction processing unit 413 receives an insertion instruction from the GUI in step S701
  • each of the slave arms 21 is moved so that the forceps 22 move along the long axis direction of the forceps 22 (the direction of the vector 903 in FIG. 9) in step S702.
  • Control the drive of the shaft Since the posture alignment of the forceps 22 has been completed by the posture adjustment processing unit 412 as described above, the forceps 22 advances toward the trocar position by the parallel movement in step S702. It is possible to construct a safer system by appropriately determining whether the forceps 22 are moving toward the trocar position.
  • This determination can be realized, for example, by calculating a deviation (distance) between the direction of the forceps shaft and the trocar position.
  • the direction of the forceps shaft is obtained as a straight line equation
  • the trocar position is obtained as a coordinate value. Therefore, the distance between the straight line and the point (vertical distance: shortest distance) is obtained, and when the distance is 0 (or less than a predetermined distance), What is necessary is just to judge that the forceps 22 are going to the trocar position.
  • step S705 the insertion / extraction processing unit 413 stops the operation of the slave arm 21.
  • step S705 the insertion / removal processing unit 413 notifies the user of the completion of the insertion operation via the GUI.
  • the tip of the forceps 22 passes through the trocar position and advances to a predetermined depth, the user may wait for the determination of the completion of the insertion operation. In this case, the user inputs the confirmation of completion of the insertion operation via the GUI, whereby the insertion operation is completed. Until the user inputs a completion confirmation, the insertion may be interrupted and removed.
  • the length of the tubular portion of the trocar is usually about 100 mm or less
  • the state where the tube portion is inserted to a predetermined depth is inserted into the depth of about 50 mm in consideration of the region of the tubular portion inside and outside the abdominal cavity of the tubular portion. May be considered.
  • an insertion amount of about 10 mm may be used, and considering that the forceps shaft length is generally about 300 mm to 400 mm, the inserted state from the depth of 30 mm to about 40 mm is inserted to a predetermined depth. It is good also as a state.
  • a trocar restricting operation is performed in which the forceps 22 operates while maintaining a state where the forceps 22 have passed the trocar position (transition to a state with a restricting operation).
  • step S ⁇ b> 505 the restriction operation processing unit 414 causes the slave arm 21 to follow the operation of the master arm 31 under the trocar restriction, based on the three-dimensional position from the coordinate output device 32 and the operation signal from the foot switch 33. Under the trocar restriction, the slave arm 21 is controlled to move the distal end portion of the forceps 22 to the three-dimensional position designated by the master arm 31 while maintaining the state where the forceps 22 have passed the trocar position. Further, the follow-up to the operation of the master arm 31 is executed only while the in-operation signal from the foot switch 33 is on.
  • step S801 the limited operation processing unit 414 determines whether the in-operation signal from the foot switch 33 is on.
  • the process proceeds to step S802, where the coordinate processing unit 415 acquires the coordinate value from the coordinate output device 32 and sets it as the previous coordinate (initial coordinate).
  • the coordinate values obtained from the coordinate output device 32 are the position (x, y, z) corresponding to the three-dimensional position of the distal end portion 305 of the master forceps shaft 302 and the rotation angle of the master forceps shaft 302 ( r).
  • step S803 the process proceeds from step S803 to step S804.
  • step S804 the coordinate processing unit 415 acquires the coordinate value from the coordinate output device 32 as the current coordinate. Then, the coordinate processing unit 415 calculates the difference between the previous coordinate and the current coordinate, and the movement amount ( ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z) of the master forceps shaft 302 and the rotation amount of the master forceps shaft 302 in the sample interval ( ⁇ r) is obtained, and the movement amount and the rotation amount are output to the limiting operation processing unit 414. This is shown in FIG. The coordinate processing unit 415 calculates the amount of movement 100 (( ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z) and ( ⁇ r)) of the tip 305 by the operation of the master arm 31.
  • step S805 the restricting operation processing unit 414 sets the three-dimensional coordinates (xm, ym, zm) of the current tip position 1001 of the forceps 22 attached to the slave arm 21 to the first to fifth axes. Is obtained on the basis of the rotation position ( ⁇ 1 to ⁇ 5) and the length of the forceps 22 (forceps coordinates).
  • step S806 the limited motion processing unit 414 then sets the target position based on the current tip position 1001 (xm, ym, zm) and the movement amount ( ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z) acquired from the coordinate processing unit 415.
  • the three-dimensional coordinates (xn, yn, zn) of the tip position 1002 are calculated.
  • the limited motion processing unit 414 calculates a vector 1004 (Rxn, Ryn, Rzn) in a direction connecting the target three-dimensional coordinates (xn, yn, zn) and the trocar position 1000.
  • the target position / posture (xn, yn, zn, xn, Ryn, Rzn) of the forceps 22 corresponding to the movement amount ( ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z) of the master arm 31 is determined.
  • the spatial position of the movement destination of the distal end portion of the forceps 22 is determined in accordance with the operation amount (change amount) of the master arm 31 by the user operation.
  • step S807 the restriction operation processing unit 414 moves the forceps 22 to a target position and posture while maintaining the state where the forceps 22 pass through the trocar position 1000, that is, under the restriction of the trocar position.
  • step S808 the limiting operation processing unit 414 rotates the sixth axis according to the rotation amount ( ⁇ r) of the master forceps shaft 302.
  • the forceps 22 moves to the position designated by the master arm 31 under the restriction of the trocar position, and the rotation operation of the forceps shaft designated by the master arm 31 is executed.
  • step S808 can be performed simultaneously with step S806. Thereby, the movement process to the target position and orientation of the forceps 22 can be performed more efficiently.
  • the target value is set to the previous target value (with respect to the trocar position).
  • the target value is set to the previous target value (with respect to the trocar position).
  • the minimum insertion amount or an insertion amount larger than the minimum insertion amount is adopted as a threshold value for determination at the time of transition from step S703 to step S704. As a result, it is possible to shift to control under smooth trocar limitation.
  • the above-described minimum insertion amount may be about 50 mm in consideration of the region of the tubular portion inside and outside the abdominal cavity of the tubular portion. .
  • an insertion amount of about 10 mm may be set as the minimum insertion amount.
  • the forceps shaft length is generally about 300 mm to 400 mm, about 10%, that is, about 30 mm to 40 mm may be set as the minimum insertion amount. In this case, the minimum insertion amount changes according to the length of the attached forceps.
  • the maximum insertion amount is specified in order to avoid collision between the robot's forceps mounting part (outside the forceps shaft) and the trocar, or to avoid excessive insertion of forceps and inadvertent contact or damage to the organ. May be.
  • the forceps shaft length is generally about 300 mm to 400 mm
  • a state where the forceps shaft is inserted to a depth of about 250 mm to about 300 mm can be set as the maximum insertion amount.
  • the maximum insertion amount needs to be greater than or equal to the predetermined insertion amount (minimum insertion amount) described above.
  • the target value is set to the previous target value (the predetermined amount of forceps is inserted into the trocar). It is possible to maintain a state in which a predetermined amount of forceps is inserted into the trocar. In addition, it is desirable to show the operator that the target value has been generated in the insertion direction exceeding the maximum insertion amount from the state where the predetermined amount of forceps is inserted into the trocar. For example, force sense, hearing, and visual presentation can be considered.
  • step S809 the coordinate processing unit 415 holds the current coordinate acquired in step S804 as the previous coordinate. And a process returns to step S803 and the above-mentioned process is repeated. If the in-operation signal is turned off while waiting for the next sample timing, the process returns from step S810 to step S801.
  • the slave arm 21 follows the movement of the tip of the master arm 31 only while the in-operation signal is turned on by the foot switch 33.
  • the algorithm for generating the target value based on the relative movement amount of the previous coordinate with respect to the previous coordinate for each sampling is shown. Coordinates). For example, the coordinates when the in-operation signal is turned on may be used as the initial coordinates, and the target value may be generated by the relative coordinates from the initial coordinates while the in-operation signal is on.
  • step S507 the insertion / removal processing unit 413 pulls the forceps 22 out of the patient along the longitudinal direction of the forceps 22 at that time.
  • the extraction operation is completed (step S508), and an instruction to move to the standby position is awaited (step S509).
  • the trocar restriction operation is released.
  • the slave arm 21 moves to a predetermined standby position held by the standby position holding unit 423 (step S509).
  • a function for determining whether the removal operation can be performed safely may be added. For example, whether the position of the forceps 22 can be taken by the slave robot with respect to the movement of the distal end of the forceps 22 through the trocar position and a predetermined distance from the trocar position (within the movement range of each joint, or in the middle of the movement range) If there is a possibility that the subsequent removal operation cannot be performed safely, a caution or warning may be clearly indicated to the user.
  • the position and posture of the forceps 22 and the trocar position at the completion of the extraction operation in step S507 are stored as the insertion posture when inserting the forceps in the automatic mode, and the posture adjustment described above (step S502). ) May be used.
  • the trocar position and the insertion start position / posture can be easily selected, which is convenient.
  • the stored insertion posture is used as it is, it is not necessary to calculate the insertion posture in step S604.
  • the shaft axis of the forceps 22 (hereinafter referred to as the forceps shaft axis) can be kept passing through the trocar position without error or with an error less than an allowable value. is necessary. This is because if the error is excessive, an excessive force is generated on the patient's abdominal wall, which may cause an undesirable state. However, during high-speed operation or in the so-called unique posture of the robot and in the vicinity thereof, the followability of the slave arm with respect to the target trajectory decreases, so that the forceps shaft axis can always keep the trocar position passing without error. Is not limited.
  • a distance for example, a vertical distance
  • the distance between the trocar position and the forceps shaft axis reaches a predetermined amount or more
  • control to avoid the predetermined amount or less for example, control to forcibly reduce or stop the slave arm speed is executed. By doing so, it becomes possible to construct a safer system.
  • the movement amount ( ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z) of the master arm 31 may be reduced and enlarged in the coordinate processing unit 415 and reflected in the movement of the forceps 22.
  • reducing the amount of movement that is, reducing the operation (reducing the amount of movement of the tip of the forceps 22 by the slave arm 21 with respect to the amount of movement of the tip 305 of the master forceps shaft 302), camera shake can be prevented.
  • the coordinate processing unit 415 by inputting information indicating the relationship between the shooting direction of the camera 41 and the position of the slave arm 21 to the coordinate processing unit 415, the relationship in which the coordinate processing unit 415 has input the movement direction indicated by the movement amount of the master arm 31. Conversion may be performed based on the above. For example, the horizontal / vertical direction of the image on the monitor 43 and the horizontal / vertical direction in the operation of the master arm 31 can be substantially matched. In this way, the movement direction of the forceps 22 displayed on the monitor 43 and the movement direction of the distal end portion of the master arm 31 can be substantially matched, and the operability for the operator is improved.
  • the master arm 31 is simple and compact, it can be installed at any position. The surgeon must perform an operation in an unstable posture depending on the position of the operating table, patient, assistant, or the like. It is freed from having to do so, and operation with an optimal posture is always possible.
  • a support system for laparoscopic surgery can be constructed using a so-called industrial robot, the system is inexpensive and excellent in flexibility for the operation of the operator. Can be obtained.
  • the trocar position can be changed without changing the arm installation position, and a single slave arm can flexibly handle multiple trocar positions. it can.
  • the tip of the forceps 22 is aligned with the space position designated by the master arm 31.
  • the present invention is not limited to this, and a predetermined portion of the forceps 22 may be aligned. Needless to say.
  • the rotation part of the gripper is instructed by the master arm 31. It is good also as a site
  • the end effector has been described as a forceps, but the present invention is not limited to this.
  • the end effector may be an endoscope (laparoscope, thoracoscope) or other surgical tool (energy device, treatment tool).
  • an example in which the medical manipulator is applied to an operation in the abdominal cavity has been described.
  • the medical manipulator can also be applied to an operation in the thoracoabdominal cavity, the skull, the heart, and the like. That is, any part may be used as long as it is a minimally invasive operation performed by inserting a medical instrument into the body through a smaller insertion port and less burdening the body.

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Abstract

　医療器具を装着可能な多自由度アームを有する医療用マニピュレータは、多自由度アームに装着された医療器具を体内へ挿入するための挿入口の空間位置を示す挿入口位置を記憶する。医療用マニピュレータは、ユーザ操作に応じて、多自由度アームに装着されている医療器具の所定部位の移動先の空間位置を決定し、医療器具が挿入口位置を通る状態を維持しながら、医療器具の所定部位が上記決定された空間位置へ移動するように多自由度アームを駆動する。

Description

医療用マニピュレータおよびその制御方法
　本発明は、遠隔操作型手術システムにおける医療用マニピュレータおよびその制御方法に関し、特に腹腔鏡下手術、胸腹腔鏡下手術など、体内に内視鏡や鉗子などの医療器具を挿入して行う低侵襲手術を支援するのに好適な医療用マニピュレータおよびその制御方法に関する。
　低侵襲外科手術は、術後の痛みがより少ないこと、病院滞在がより短いこと、通常活動により早く復帰（社会復帰）できること、および組織の損傷がより少ないこと、など、伝統的な開腹手術技術に対して多くの利点を有する。一方で、外科医には、動作や視野、術具などの制約から、高度な手技や高い熟練性が要求される。結果として、そのような制約を回避できるロボット外科手術システムを用いる低侵襲外科手術の必要性は、強くかつ大きくなっている。
　腹腔鏡下手術は、低侵襲外科手術の１タイプである。腹腔鏡下手術では、患者の腹壁の小さな切開部位から腹壁をとおって腹腔に腹腔鏡および鉗子が挿入される。術者は、腹腔鏡により腹腔の組織を観察しながら、鉗子による手術を行う。腹腔は、通常、二酸化炭素などによって膨張させられる。これらを実現するために、トラカールと称される器具を腹壁の切開部位に挿入し、トラカールを介して腹腔鏡や鉗子が腹腔に挿入される。このようにして多くの外科手術手順が、大きなまたは開いた腔の外科手術の切開を必要とすることなく行われ得る。
　特許文献１には、上記のような腹腔鏡外科手術をより容易にかつ安全に実施できるように、腹腔に挿入されて処置を行うための鉗子を遠隔操作して行えるようにした遠隔操作型手術システムが提案されている。
特表２００８－５２８１３０号公報
　しかしながら、複数アームを有する上述の遠隔操作型手術システムにおいては、トラカール位置の変更に対する対応について考慮されていない。トラカール位置が変更されると、それに応じてアームの機械的な設定や物理的な配置を変更する必要などが生じ、利便性に欠けていた。
　本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、腹腔鏡下手術における鉗子等の、挿入口から体内に医療器具を挿入して行われる手術において、挿入口位置の変更などに柔軟に対応可能な遠隔操作型手術システムを実現することを目的とする。
　上記の目的を達成するための本発明の一態様による医療用マニピュレータは以下の構成を備える。すなわち、
　医療器具を装着可能な多自由度アームを有する医療用マニピュレータであって、
　前記多自由度アームに装着された鉗子を体内へ挿入するための挿入口の空間位置を示す挿入口位置を記憶する記憶手段と、
　ユーザ操作に応じて、前記医療器具の所定部位の移動先の空間位置を決定する決定手段と、
　前記医療器具が前記挿入口位置で示される空間位置を通る状態を維持しながら前記医療器具を移動する動作制限下で、前記医療器具の前記所定部位が前記決定手段により決定された空間位置へ移動するように前記多自由度アームを駆動する制御手段と、を備える。
　本発明によれば、鉗子等の医療器具の体内への挿入口位置の変更などに柔軟に対応可能な遠隔操作型手術システムを提供することができる。
　本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
　添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
実施形態による遠隔操作型手術システムの構成を示す図である。 スレーブアームを説明する図である。 マスタアームを説明する図である。 ロボットコントローラの構成例を示すブロック図である。 遠隔操作による腹腔鏡下手術の支援動作を説明するフローチャートである。 姿勢合わせ動作を説明するフローチャートである。 姿勢合わせ動作を説明するフローチャートである。 挿入動作を説明するフローチャートである。 トラカール制限下におけるスレーブアームの駆動処理を説明するフローチャートである。 スレーブアームの姿勢合わせ動作を説明する図である。 トラカール制限下のマスタアームとスレーブアームの動作を説明する図である。
　以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。
　図１は、実施形態による遠隔操作型手術システムの構成例を示す図である。図１に示される構成において、多自由度ロボットアームであるスレーブアーム２１はマスタアーム３１の動きに追従して動作する。術者がマスタアーム３１を操作することにより腹腔鏡下手術などの低侵襲手術が遠隔操作により実現される。
　ロボットコントローラ１１は、スレーブアーム２１の各軸の駆動を制御する。ロボットコントローラ１１には、必要に応じ、ティーチングペンダント１２、タッチパネルディスプレイ１３、キーボード１４などの操作インターフェースが接続される。ティーチングペンダント１２は、ロボットコントローラ１１に対して、ユーザ操作に従ってスレーブアーム２１のジョグ動作などの指示を行う。タッチパネルディスプレイ１３は、スレーブアーム２１の各種動作状態を表示したり、各種動作指示を行うためのグラフィカルユーザインターフェースを提供したりする。キーボード１４は、ロボットコントローラ１１への種々のデータ入力を行うのに用いられる。たとえば、ユーザは、キーボード１４を用いてスレーブアーム２１のティーチング位置の座標値を入力したり、ジョグ動作を指示したりすることができる。なお、ジョグ動作とは、ティーチングペンダント１２、タッチパネルディスプレイ１３、キーボード１４などの操作インターフェースから、ボタンのＯＮ／ＯＦＦ操作などにより、ロボットを所定の速度で所定の方向へ誘導したり、ロボットの所定の軸を所定の速度で駆動したりする動作のことを言う。
　スレーブアーム２１としては、例えば、産業用ロボットとして一般的な６軸の垂直多関節型ロボットアームを用いることができる。スレーブアーム２１の先端部には腹腔鏡下手術のための鉗子２２が装着されている。なお、スレーブアーム２１の自由度は６軸に限定されるものではなく、その自由度配置も限定されるものではないが、腹腔鏡下手術において必要な動作を実現できるだけの自由度と自由度配置を有している必要がある。スレーブアーム２１の詳細は図２により後述する。
　通常、手術ロボットに装着されている鉗子は多自由度鉗子であり、先端部にヨー軸・ロール軸やピッチ軸・ヨー軸およびグリッパ軸を有し、グリッパを腹腔内の任意の位置・姿勢に誘導できるようになっている。但し、手術ロボットにおいて、必ずしも多自由度鉗子である必要はないため、本明細書では、鉗子の先端部の自由度については、特に詳細を記載しない。ただし、手術手技を行う上で、グリッパ、ハサミ、Ｌ字フック、電気メス、エネルギーデバイスなど、何らかのエンドエフェクタは、先端部の関節やエンドエフェクタの自由度の有無に関わらず、当然必要である。また、内視鏡（腹腔鏡、胸腔鏡、子宮鏡、鼻腔鏡など体内観察可能な内視鏡）を保持させることで、内視鏡保持アームとして構成することも可能である。
　マスタアーム３１は、術者がスレーブアーム２１による鉗子２２の動きを指示するための操作部を提供する。座標出力装置３２は、マスタアーム３１によって指示される空間位置を３次元座標値としてロボットコントローラ１１に出力する。なお、座標出力装置３２は、ロボットコントローラ１１に内蔵されていてもよい。マスタアーム３１の構成や座標出力装置３２が出力する座標値の詳細については図３により後述する。フットスイッチ３３は、マスタアーム３１による操作の有効、無効を示す操作中信号をロボットコントローラ１１へ出力する。なお、このような操作中信号を発生する構成としては、フットスイッチに限られるものではなく、鉗子２２の空間位置を指定するためのユーザ操作以外のユーザ操作に応じて操作中信号を出力するものであればよい。たとえば、マスタアーム３１の把持部に操作中信号のオン、オフを行うためのスイッチを設けたものであってもよい。
　カメラ４１は、患者の腹腔内を撮影し、その映像信号をカメラコントローラ４２に送る。カメラコントローラ４２はカメラ４１から受信した映像信号をモニタ４３に表示する。術者は、スレーブアーム２１により動かされる鉗子２２の腹腔内の位置や患者の臓器（患部）の位置等をモニタ４３により確認しながらマスタアーム３１を操作することにより手術を実施することができる。したがって術者は、通常の腹腔鏡下手術と類似した環境下で手術を行うことが可能となる。
　図２は本実施形態によるスレーブアーム２１を説明する図である。上述したように、スレーブアーム２１は６軸の多関節型アームであり、図２の２ａに示されるようにベース２０１の側から順に第１軸、第２軸、…、第６軸を有する。各軸は例えばサーボモータにより回転駆動される。図２の２ｂは、スレーブアーム２１の各軸およびアームを模式的に表記した図であり、θ1～θ6は第１軸～第６軸のそれぞれの軸周りの回転角度（位置）を示すものとする。
　鉗子２２の先端部の位置は３次元座標（x,y,z）で表され、鉗子２２の姿勢は例えば、ｘｙｚ軸周りの角度（Rx,Ry,Rz）で表される。鉗子２２の位置姿勢は（x,y,z,Rx,Ry,Rz）により一意に定まり、逆運動学計算によりその位置姿勢を実現する第１軸～第６軸の各軸の角度（θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6）が算出される。また、第１軸～第６軸の各軸の角度（θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6）から、順運動学計算により鉗子２２の位置姿勢（x,y,z,Rx,Ry,Rz）を求めることができる。
　スレーブアーム２１の先端部には鉗子装着部２０２が設けられており、鉗子２２が装着される。鉗子２２は、鉗子装着部２０２に対して着脱自在な構成とすることにより、手技に応じて、適宜、交換できる構成とすることができる。ここで、第６軸（回転軸）と鉗子２２のシャフト（鉗子シャフト）、すなわち鉗子２２の長軸とを一致させると、鉗子シャフトの回転動作を第６軸の駆動のみで実現することができ、好都合である。すなわち、第１軸～第５軸を動かさずに鉗子シャフトを回転させることができ、鉗子シャフトを回転する際にアーム全体は動かない。そのため、スレーブアームを複数台設置したような場合に他のアームとの干渉のリスクを低減でき、関節の駆動範囲や関節の動作速度のリミットを緩くすることができる。また、鉗子先端部にグリッパ軸などのエンドエフェクタを有することで、患者腹腔内での鉗子先端部のエンドエフェクタの位置決めと鉗子シャフト周りの回転を行なうことが可能となり、通常の、腹腔鏡下の手技の実現が可能となる。
　図３は実施形態によるマスタアーム３１を説明する図である。マスタアーム３１はマスタ鉗子ハンドル３０１、マスタ鉗子シャフト３０２、仮想トラカール部３０３、ベース３０４、位置伝達機構３０６を有する。マスタ鉗子ハンドル３０１は、術者がマスタ鉗子シャフト３０２を操作するために把持する部分である。鉗子２２がグリッパや鉗子先端部の関節軸などの駆動部を有する場合に、マスタ鉗子ハンドル３０１にその駆動部を操作するためのユーザインターフェースを設けてもよい。
　マスタ鉗子シャフト３０２は、仮想トラカール部３０３によりベース３０４に対して、２軸回転支持されるとともに、円筒スライド支持される。この２軸回転支持により、マスタ鉗子シャフト３０２は鉛直軸周りの回転３１１と水平軸周りの回転３１２が可能に支持される。また、円筒スライド支持により、マスタ鉗子シャフト３０２は、シャフト軸方向３１３へのスライド、シャフトの回転３１４が可能に支持される。
　以上の構成により、術者はマスタ鉗子シャフト３０２の先端部３０５を３次元空間の任意の位置に移動することができる。位置伝達機構３０６が、６軸垂直多関節型ロボットアームと同様の構成の場合、先端部３０５の３次元空間の位置（空間位置）は、位置伝達機構３０６を介して座標出力装置３２へ伝えられ、座標出力装置３２はこの３次元位置に対応する座標値（x,y,z）をロボットコントローラ１１へ出力することが可能となる。なお、シャフトの回転３１４の回転角度（r）も座標出力装置３２を介してロボットコントローラ１１へ出力される。
　また、検出されるシャフトの空間位置は、先端部３０５に限られるものではなく、ユーザが操作するシャフトの特定の部位の空間位置であればよい。ただし、仮想トラカール部３０３は、ユーザがマスタ鉗子シャフト３０２を把持する部位（マスタ鉗子ハンドル３０１）と空間位置が検出される特定の部位との間とすることが望ましい。また、仮想トラカール部３０３の２軸回転支持（鉛直軸、水平軸）と円筒スライド支持（鉗子挿入方向、鉗子シャフト周り回転軸）にセンサを配置し、マスタ鉗子シャフト３０２の特定の部位の位置を検出するようにしてもよい。このような構成によっても、先端部３０５の３次元空間の位置（空間位置：３次元位置に対応する座標値（x,y,z））およびシャフトの回転３１４の回転角度（r）を、ロボットコントローラ１１へ出力することが可能となることは明らかである。
　術者は、モニタ４３を見ながらマスタ鉗子ハンドル３０１を把持して仮想トラカール部３０３により支持されたマスタ鉗子シャフト３０２を操作することにより、スレーブアーム２１に装着された鉗子２２を用いた手術を行う。このように仮想トラカール部３０３により支持されたマスタ鉗子シャフトを操作するため、従来の腹腔鏡下手術において行う鉗子操作と類似の操作感覚で、遠隔操作による手術を実現できる。さらに、手術台越しに無理な姿勢で鉗子を操作すること無く、また、助手医師との干渉も無く、常に、鉗子操作のし易い最適な姿勢での鉗子操作が可能となる。
　図４は、ロボットコントローラ１１の構成例を示すブロック図である。ロボットコントローラ１１は、制御部４１０、メモリ４２０、外部インターフェース（外部Ｉ／Ｆ）４３０、サーボドライバ４４０を有する。制御部４１０は不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有し、後述する各処理を実現するためのティーチング処理部４１１、姿勢合わせ処理部４１２、挿入抜去処理部４１３、制限動作処理部４１４、座標処理部４１５として機能する。たとえば、ＣＰＵがＲＯＭあるいはＲＡＭに格納されたプログラムを実行することにより、各処理部が実現される。各処理部の詳細な動作は、以下の説明により明らかとなる。
　メモリ４２０は、たとえばハードディスクあるいは半導体メモリ等により構成される２次記憶装置であり、トラカール位置保持部４２１、挿入開始位置保持部４２２、待機位置保持部４２３、鉗子テーブル４２４を有する。トラカール位置保持部４２１は、腹腔鏡下手術の際に患者の体内へ鉗子を挿入する位置（トラカール位置）の座標と挿入姿勢を保持する。トラカール位置と挿入姿勢は、腹腔へ鉗子２２を挿入するためのトラカールの空間位置（３次元座標）とそのトラカールへの鉗子２２の挿入方向の基準であり、ティーチング処理部４１１の制御下でユーザがティーチング操作することにより指定される。
　なお、トラカールは、一般的に鉗子挿入部（開口部）と、腹壁に挿入される筒状部から構成されるが、ここでいうトラカール位置とは、腹壁部の筒状部が挿入されている近傍、すなわち、腹壁部と筒状部の交点近傍であり、鉗子シャフトを腹腔内に挿入した際の支点（不動点）の位置を意味している。
　トラカール位置保持部４２１には複数のトラカール位置と対応する挿入姿勢を保持することができ、タッチパネルディスプレイ１３やキーボード１４によるユーザ入力によりこれら複数のトラカール位置から所望のトラカール位置を選択することができる。挿入開始位置保持部４２２は、選択されたトラカール位置へ向けて鉗子２２を挿入する際の、挿入動作の開始位置と姿勢を保持する。待機位置保持部４２３は、スレーブアーム２１の待機状態の位置と姿勢を保持し、この位置においてユーザは鉗子２２の装着や交換をすることができる。鉗子テーブル４２４には、鉗子の種別と鉗子シャフトの長さ、または、鉗子座標系が対応付けて記録されている。鉗子座標系は、スレーブアームの基準位置、たとえば、機械インターフェースに対する位置・姿勢により定義することが可能である。
　サーボドライバ４４０は、スレーブアーム２１の第１軸から第６軸に対応したサーボモータの駆動を制御する。制御部４１０は、サーボドライバ４４０に対して各軸の駆動量を指示したり、各軸の回転位置（θ1～θ6）を取得したりする。外部Ｉ／Ｆ４３０には、ティーチングペンダント１２、タッチパネルディスプレイ１３、キーボード１４、座標出力装置３２、フットスイッチ３３が接続される。なお、たとえば、鉗子先端部に関節軸やグリッパ軸を有する場合は、鉗子先端部の関節軸やグリッパ軸を駆動するためのサーボドライバを、サーボドライバ４４０内に付加しても良い。
　次に、以上のような構成を備えた本実施形態の遠隔操作型手術システムにおける動作について説明する。図５は、本実施形態のロボットコントローラ１１による腹腔鏡下手術モードにおける動作を説明するフローチャートである。
　腹腔鏡下手術においては、まず、患者の腹腔への鉗子挿入位置であるトラカール位置と、鉗子の挿入方向である挿入姿勢をティーチングによりロボットコントローラ１１（トラカール位置保持部４２１）に記憶させる必要がある。タッチパネルディスプレイ１３により提供される不図示のユーザインターフェース（以下、ＧＵＩ）によってティーチングモードが指定されると、ステップＳ５０１においてティーチング処理部４１１がティーチング処理を実行し、トラカール位置と挿入姿勢のティーチング結果（３次元座標値および挿入方向を表すベクトル）をトラカール位置保持部４２１に保持する。
　トラカール位置、挿入姿勢のティーチングにおいては、例えば、ティーチングペンダント１２の操作あるいは手動によりスレーブアーム２１を動かし、患者の鉗子挿入位置に鉗子２２の先端部を合わせるとともに鉗子２２の挿入姿勢を調整し、その状態でＧＵＩを操作して決定を指示する。この指示に応じて、ティーチング処理部４１１はその時点の各軸の回転角度（θ1～θ6）と装着されている鉗子２２の長さ（鉗子座標系）から、鉗子２２の先端部の３次元座標（x,y,z）を算出し、トラカール位置保持部４２１に保持する。また、鉗子２２の軸方向を表すベクトル、例えば、（Rx,Ry,Rz）を算出して、挿入姿勢としてトラカール位置保持部４２１に保持する。なお、（Rx,Ry,Rz）は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転角度を示す。なお、トラカール位置や挿入姿勢のティーチング方法は、これに限られるものではなく、鉗子挿入位置の３次元座標や挿入姿勢をキーボード１４から入力するようにしてもよい。また、装着されている鉗子２２の長さ（鉗子座標系）は、ユーザによる鉗子２２の種別の入力により鉗子テーブル４２４から取得されるものとする。なお、鉗子２２の長さの取得は上記に限られるものではなく、装着されている鉗子２２の長さをキーボード１４から直接入力するようにしてもよい。
　このほか、ロボットのベース座標系または、ワールド座標系（通常、ロボットのベース座標系はワールド座標系に対して定義されている）に対するトラカールの３次元位置・姿勢を取得できる位置・姿勢計測システムにより取得しても良い。また、取得するべきデータは、基本的にトラカールの３次元位置であれば良いが、姿勢情報も取得することで、鉗子挿入方向が適切であるかなどの判断に利用することが可能となり（詳細は後述）、より安全なシステムを構築することが可能となる。また、スレーブアーム２１の可動域が各トラカール位置に対して挿入の許容範囲を超えるような位置を取りえないような場合にも、トラカール位置に対する挿入姿勢にかかる制御は不要となる。
　次に、ＧＵＩを介して挿入姿勢への移行が指示されると、ステップＳ５０２において姿勢合わせ処理部４１２がスレーブアーム２１を挿入姿勢へ移動する。挿入姿勢とは、鉗子２２の先端部とトラカール位置とを通る直線上に鉗子２２の長軸（鉗子シャフト）が一致する姿勢である。この姿勢が、トラカール位置に対応してトラカール位置保持部４２１に記憶されている挿入姿勢によって示される方向を基準として所定の範囲（許容範囲）に入っていれば、挿入姿勢への姿勢合わせが完了したことになる。挿入姿勢への姿勢合わせを終えると、鉗子２２の長軸方向へ鉗子２２を平行移動することで鉗子２２がトラカール位置から患者の腹腔へと挿入されることになる。なお、姿勢合わせ処理の結果の鉗子２２の方向が上記許容範囲に入っていない場合は、その旨がユーザに通知される。
　本実施形態では、スレーブアーム２１の挿入姿勢への姿勢合わせ処理として、以下の４つのモードを持つ。すなわち、
・自動モード：第１軸～第５軸の関節同期動作もしくは直線補間動作により、挿入開始位置保持部４２２に保持されている３次元位置に鉗子２２の先端部を合わせた挿入姿勢へスレーブアーム２１を移動する。
・関節同期動作モード：第１～第３軸を固定し、第４、第５軸の関節同期動作により鉗子２２の長軸方向にトラカール位置が来るように姿勢合わせを行う。
・ジョグ動作モード：第１～第３軸を固定し、第４、第５軸のジョグ動作により鉗子２２の長軸方向にトラカール位置が来るように姿勢合わせを行う。
・手動モード：第１～第３軸を固定し、第４、第５軸の手動動作により、鉗子２２の長軸方向にトラカール位置が来るように姿勢合わせを行う。
　なお、上記の動作モードにおいて、第６軸は、挿入姿勢に直接関与はしないが、エンドエフェクタの姿勢を（シャフト回転軸）限定する必要があるような場合は、第６軸を含めても良い。また、鉗子先端関節軸やグリッパ軸を有する場合は、姿勢合せ処理と同時またはその前後に、挿入可能な姿勢（たとえばピッチ軸やヨー軸をシャフトと同方向に真っ直ぐな状態とし、グリッパは閉じた状態とする）に誘導する必要がある。なお、鉗子先端関節軸やグリッパ軸の挿入姿勢のティーチングは、スレーブアーム２１と同様に自動動作やＪＯＧ動作、手動動作で誘導することなどが考えられる。
　また、鉗子シャフト回転軸と第６軸が一致していない場合は、第４、第５軸だけで、姿勢あわせの姿勢を一意に決定することはできないため、鉗子シャフト回転軸の姿勢を含めて決定する必要がある。そのような場合は、第１～第６軸による自動動作を行う自動モードを用いる。また、第１～第３軸を固定した関節同期動作モード、ジョグ動作モード、手動モードにおいて、姿勢合わせ処理の結果、鉗子２２の方向が上述した許容範囲外になる場合には、自動モードによる姿勢合わせ処理を指示するようにユーザを促すようにしてもよい。
　以下、図６Ａ、図６Ｂを参照して、本実施形態による姿勢合わせ処理についてさらに説明する。まず、挿入姿勢への移行指示に応じて、姿勢合わせ処理部４１２は、トラカール位置をトラカール位置保持部４２１から読み出す（ステップＳ６０１）。トラカール位置保持部４２１に複数のトラカール位置が保持されている場合には、ＧＵＩにより、所望のトラカール位置をユーザに選択させる。または、前回、挿入または抜去した際のトラカール位置を記憶しておき、そのトラカール位置をデフォルト位置としても良い。以下、鉗子２２を挿入するべく指定されたトラカール位置の３次元座標を（xt,yt,zt）とする。
　自動モードが選択されている場合、処理はステップＳ６０２からステップＳ６０３へ進む。ステップＳ６０３において、姿勢合わせ処理部４１２は挿入開始位置保持部４２２から挿入開始位置を読み出す。挿入開始位置保持部４２２に複数の挿入開始位置が保持されている場合には、ＧＵＩにより、所望の挿入開始位置をユーザに選択させる。または、前回、挿入または抜去した際の位置を記憶して置き、挿入開始位置のデフォルト位置としても良い。以下、読み出された、あるいは、選択された挿入開始位置の３次元座標を（xs,ys,zs）とする。なお、挿入開始位置保持部４２２には、トラカール位置からその挿入方向に沿って５０～１００ｍｍ程度離れた位置が自動的に算出され、保持されているものとする。この場合、ユーザが、トラカール位置からの離間距離を指定できるようにしてもよい。或いは、ユーザがマニュアルでトラカール位置に対する挿入開始位置（３次元座標）を入力するようにしてもよい。この場合、ユーザが指定した挿入開始位置が、トラカール位置に対応した挿入方向を基準とした許容範囲に収まるかどうかを判断し、指定した挿入開始位置が許容範囲外であればユーザに挿入開始位置の再設定を促すようにしてもよい。
　ステップＳ６０４において、姿勢合わせ処理部４１２は、トラカール位置（xt,yt,zt）と挿入開始位置（xs,ys,zs）を通るベクトル方向を、例えば、ｘ，ｙ，ｚ軸の回転角度（Rxs,Rys,Rzs）として算出する。ベクトル方向は、姿勢として表すことができる他の表現方法でも良い。そして、姿勢合わせ処理部４１２は、このベクトル方向と鉗子２２の長軸方向を合わせた鉗子２２の位置姿勢（xs、ys、zs、Rxs,Rys,Rzs）を挿入姿勢に決定する。ステップＳ６０５において、姿勢合わせ処理部４１２は、ステップＳ６０４で決定された挿入姿勢へスレーブアーム２１を移動する。移動を完了すると、処理はステップＳ６４１へ進み、挿入姿勢への姿勢合わせの完了を、ＧＵＩを介してユーザに通知する。
　挿入開始位置保持部４２２に、挿入開始位置（xs,ys,zs）だけでなく、姿勢も含めた挿入開始位置姿勢（xs,ys,zs,Rxs,Rys,Rzs）を保持している場合は、直接、挿入開始位置姿勢（xs,ys,zs,Rxs,Rys,Rzs）へ関節同期動作もしくは直線補間動作で誘導してもよい。この場合、ステップＳ６０４の処理は省略可能となる。
　図９の９ａに自動モードによる姿勢合わせ動作の様子を示す。各軸の同期動作により、任意の位置姿勢（x,y,z,Rx,Ry,Rz）にあった鉗子２２の先端部９０１は、挿入姿勢（xs、ys、zs、Rxs,Rys,Rzs）へと移動する。挿入姿勢において、鉗子２２の長軸は、鉗子２２の先端部９０１とトラカール位置９０２を結ぶ方向のベクトル９０３と一致している。
　なお、挿入姿勢（xs,ys,zs,Rxs,Rys,Rzs）を導出した際に、その後の動作が安全に遂行できるかの判断機能を付加しても良い。たとえば、挿入姿勢（xs,ys,zs,Rxs,Rys,Rzs）が、スレーブロボットがとり得る位置姿勢であるか（各関節の動作範囲内であるか。途中で動作範囲外にならないか）、トラカール（患者）と鉗子が干渉または接近しすぎないか、姿勢合わせ動作後鉗子挿入が可能であるか（各関節の動作範囲内であるか、途中で動作範囲外にならないか）などを、計算する。そして、その計算の結果、その後の動作が安全に遂行できない可能性があると判定される場合には、注意や警告をユーザに明示するようにしても良い。
　他方、自動モード以外の場合、処理はステップＳ６０２からステップＳ６０６へ進む。ステップＳ６０６において、姿勢合わせ処理部４１２は、第１軸～第３軸を固定（サーボロック）する。次に、ステップＳ６０７において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸および第５軸の目標位置（角度）を算出する。第１軸～第３軸の現在の回転角度を不動として、鉗子装着部２０２の位置とトラカール位置を結ぶベクトル方向に鉗子２２の長軸が一致するように第４軸および第５軸の目標位置（角度）が算出される。たとえば、図９の９ｂに示されるように、鉗子装着部２０２の位置、先端部９０１の位置、トラカール位置９０２の位置が一直線上に並ぶように鉗子装着部２０２を移動するための、第４軸と第５軸の回転量（回転位置）が算出される。
　ステップＳ６０８において、姿勢合わせ処理部４１２は、姿勢合わせ処理のモードが関節同期動作モード、ジョグ動作モード、手動モードのいずれであるかを判定する。関節同期動作モードの場合、処理はステップＳ６１１に進む。ステップＳ６１１において、姿勢合わせ処理部４１２は、スレーブアーム２１の第４軸、第５軸を駆動して、ステップＳ６０７で算出された目標位置へ鉗子装着部２０２（鉗子２２の先端部９０１）を関節同期動作により移動する。目標位置への移動を終えると、ステップＳ６１２において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸、第５軸を固定（サーボロック）し、ステップＳ６４１において姿勢合わせの完了を、ＧＵＩを介してユーザに通知する。こうして、図９の９ｂに示すように、姿勢合わせ処理による第４軸と第５軸の駆動により、スレーブアーム２１は、鉗子装着部２０２の先端部９０１とトラカール位置９０２を結ぶ方向のベクトル９０３と、鉗子２２の長軸方向が一致した挿入姿勢へ移動する。
　モードがジョグ動作モードであった場合、処理はステップＳ６０８からステップＳ６２１へ進む。ステップＳ６２１において、姿勢合わせ処理部４１２は、ティーチングペンダント１２の操作入力に従って、第４軸、第５軸をジョグ動作する。このとき、ステップＳ６０７で算出した目標位置から遠ざかる方向へのジョグ動作を禁止するようにすることで、効率よく姿勢合わせ処理を実施することが可能となる。ステップＳ６２２において、姿勢合わせ処理部４１２は、目標位置に到達した軸があれば、その軸を固定（サーボロック）する。固定された軸についてはジョグ動作が禁止される。ステップＳ６２３において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸、第５軸がともに目標位置で固定されているかどうかを判断する。少なくとも一方の軸が目標位置に到達していなければ処理をステップＳ６２１に戻す。両方の軸が目標時位置に到達して固定されていれば、処理はステップＳ６４１へ進み、姿勢合わせ処理部４１２は姿勢合わせの完了を、ＧＵＩを介してユーザに通知する。この時のスレーブアーム２１の動作の様子は図９の９ｂに関して上述した通りである。
　モードが手動モードであった場合、処理はステップＳ６０８からステップＳ６３１へ進む。ステップＳ６３１において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸、第５軸を操作者の手動による外力による移動を可能に制御する。このとき、目標位置から遠ざかる方向へは手動で動かせないようにサーボモータを制御することで、効率よく姿勢合わせ処理を実施することが可能となる。ステップＳ６３２において、姿勢合わせ処理部４１２は、目標位置に到達した軸があれば、その軸を固定（サーボロック）する。これにより、固定された軸については、手動動作ができなくなる。ステップＳ６３３において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸、第５軸がともに目標位置で固定されているかどうかを判断する。少なくとも一方の軸が目標位置に到達していなければ処理をステップＳ６３１に戻す。両方の軸が目標時位置に到達して固定されていれば、処理はステップＳ６４１へ進み、姿勢合わせの完了を、ＧＵＩを介してユーザに通知する。この時のスレーブアーム２１の動作の様子は図９の９ａに関して上述した通りである。
　なお、ステップＳ６４１において、姿勢合わせが完了した鉗子２２の方向が、トラカール位置保持部４２１においてトラカール位置に対応して保持されている挿入方向を基準とした許容範囲内にあるかどうかを判断し、許容範囲外の場合にはその旨の警告を出す。この場合、許容範囲外であることの警告とともに、たとえばユーザに自動モードによる姿勢合わせを実行するように促してもよい。また、上述したステップＳ６０７において目標位置を算出した時点で、姿勢合わせを行った後の鉗子２２の方向が上記許容範囲にあるかを判断してもよい。この場合、挿入方向が許容範囲外であれば、その旨を警告し、関節同期動作モード、ジョグ動作モード、手動モードによる動作の実行を禁止するようにできる。
　図５に戻り、姿勢合わせ処理部４１２による姿勢合わせを完了すると、処理はステップＳ５０３へ進む。ステップＳ５０３において、ＧＵＩから鉗子２２の挿入が指示されると（挿入指示）、挿入抜去処理部４１３は、鉗子２２をその長軸方向に沿って平行移動するようにスレーブアーム２１を駆動し、トラカール位置より患者の腹腔へ鉗子２２を挿入する。
　図７は、鉗子２２の挿入動作を説明するフローチャートである。挿入抜去処理部４１３はステップＳ７０１においてＧＵＩより挿入指示を受け付けると、ステップＳ７０２において鉗子２２の長軸方向（図９のベクトル９０３の方向）へ沿って鉗子２２が移動するようにスレーブアーム２１の各軸の駆動を制御する。姿勢合わせ処理部４１２により上述したように鉗子２２の姿勢合わせが完了しているため、ステップＳ７０２の平行移動により鉗子２２はトラカール位置へ向かって進むことになる。なお、鉗子２２はトラカール位置へ向かっているかの判断を適宜行なうことで、より安全なシステムを構築することが可能となる。この判断は、たとえば、鉗子シャフトの方向とトラカール位置とのズレ（距離）を算出することにより実現され得る。鉗子シャフトの方向は直線の方程式として得られ、トラカール位置は座標値として得られるため、直線と点の距離（垂直距離：最短距離）を求め、その距離が０（または所定距離未満）の時、鉗子２２はトラカール位置へ向かっていると判断するようにすればよい。
　鉗子２２の先端部がトラカール位置を通過し、所定の深さまで進むと、処理はステップＳ７０３からステップＳ７０４へ進み、挿入抜去処理部４１３はスレーブアーム２１の動作を停止する。そして、ステップＳ７０５において、挿入抜去処理部４１３は、挿入動作の完了をＧＵＩを介してユーザに通知する。または、鉗子２２の先端がトラカール位置を通過して所定の深さまで進むと、ユーザによる挿入動作の完了の判断を待つようにしても良い。この場合、ユーザはＧＵＩを介して挿入動作の完了確認を入力することで、挿入動作が完了となる。ユーザが完了確認を入力するまでは、挿入を中断し、抜去することを可能としても良い。
　トラカールの筒部の長さは通常１００ｍｍ程度以下であるため、筒部の腹腔内、腹腔外の筒部の領域を考慮すると、５０ｍｍ程度の深さまで挿入した状態を、所定の深さまで挿入した状態とみなしてよい。もちろん、１０ｍｍ程度の挿入量であってもよいし、鉗子シャフト長が一般的に３００ｍｍ～４００ｍｍ程度であることを考慮すると、３０ｍｍから４０ｍｍ程度の深さまで挿入した状態を、所定の深さまで挿入した状態としてもよい。挿入が完了した以降は、鉗子２２がトラカール位置を通過した状態を維持しながら動作する、トラカール制限動作が行われる（制限動作ありの状態へ移行する）ことになる。
　図５に戻り、挿入動作が完了すると、処理はステップＳ５０４からステップＳ５０５へ進む。ステップＳ５０５において、制限動作処理部４１４は、座標出力装置３２からの３次元位置とフットスイッチ３３からの操作中信号により、トラカール制限下で、スレーブアーム２１をマスタアーム３１の操作に追従させる。トラカール制限下では、鉗子２２がトラカール位置を通過した状態を維持しながら、マスタアーム３１により指定された３次元位置へ鉗子２２の先端部を移動するようにスレーブアーム２１が制御される。また、マスタアーム３１の操作への追従は、フットスイッチ３３からの操作中信号がオン状態である間のみ実行される。
　図８のフローチャートを参照して、トラカール制限下動作の処理を説明する。ステップＳ８０１において、制限動作処理部４１４はフットスイッチ３３からの操作中信号がオンか否かを判定する。操作中信号がオンになると、処理はステップＳ８０２へ進み、座標処理部４１５は座標出力装置３２からの座標値を取得し、これを前回座標（初期座標）とする。なお、ここで取得される座標出力装置３２からの座標値は、マスタ鉗子シャフト３０２の先端部３０５の３次元位置に対応する位置（x,y,z）と、マスタ鉗子シャフト３０２の回転角度（r）である。前回座標を取得してから所定のサンプル間隔が経過してサンプルタイミングになると、処理はステップＳ８０３からステップＳ８０４へ進む。
　ステップＳ８０４において、座標処理部４１５は、座標出力装置３２からの座標値を現在座標として取得する。そして、座標処理部４１５は、前回座標と現在座標の差分を算出して、サンプル間隔におけるマスタ鉗子シャフト３０２の先端部３０５の移動量（Δx、Δy、Δz）およびマスタ鉗子シャフト３０２の回転量（Δr）を得て、これら移動量と回転量を制限動作処理部４１４へ出力する。この様子を図１０に示す。座標処理部４１５は、マスタアーム３１の操作による先端部３０５の移動量１００（（Δx、Δy、Δz）と（Δr））を算出する。
　次に、ステップＳ８０５において、制限動作処理部４１４は、スレーブアーム２１に装着されている鉗子２２の現在の先端部位置１００１の３次元座標（xm,ym,zm）を第１軸～第５軸の回転位置（θ1～θ5）と鉗子２２の長さ（鉗子座標）に基づいて取得する。そして、ステップＳ８０６において、制限動作処理部４１４は、現在の先端部位置１００１（xm,ym,zm）と座標処理部４１５から取得された移動量（Δx、Δy、Δz）に基づいて、目標の先端部位置１００２の３次元座標（xn,yn,zn）を算出する。さらに、制限動作処理部４１４は、目標の３次元座標（xn,yn,zn）とトラカール位置１０００とを結ぶ方向のベクトル１００４（Rxn,Ryn,Rzn）を算出する。こうして、マスタアーム３１の移動量（Δx、Δy、Δz）に応じた鉗子２２の目標の位置姿勢（xn,yn,zn,xn,Ryn,Rzn）が決定される。以上のようにして、ユーザ操作によるマスタアーム３１の操作量（変化量）に応じた、鉗子２２の先端部の移動先の空間位置が決定される。
　ステップＳ８０７において、制限動作処理部４１４は、鉗子２２がトラカール位置１０００を通る状態を維持しながら、すなわちトラカール位置の制限下で、鉗子２２を目標の位置姿勢へ移動する。そして、ステップＳ８０８において、制限動作処理部４１４は、マスタ鉗子シャフト３０２の回転量（Δr）に応じて第６軸を回転する。こうして、トラカール位置の制限下で鉗子２２がマスタアーム３１により指示された位置へ移動するとともに、マスタアーム３１により指示された鉗子シャフトの回転動作が実行される。
　なお、ステップＳ８０８の処理は、ステップＳ８０６と同時に行なうことができることは言うまでもない。これにより、鉗子２２の目標の位置姿勢への移動処理をより効率的に行なうことができる。
　なお、上述のトラカール制限動作の実行中には、鉗子２２の目標の位置姿勢の計算処理を実施すると共に、トラカール位置に対して鉗子２２が所定量挿入されているか（最小挿入量より多く挿入されているか）を確認することが望ましい。鉗子挿入量が少ない状態で、鉗子先端部を所定の速度で誘導する場合、鉗子装着部２０２の移動が速くなると共に、スレーブアームの各軸の動作が極端に早くなる可能性があるためである。スレーブアームの各軸の動作速度が所定の速度を超えた場合、各関節は目標値に追従できず、結果として、鉗子シャフトがトラカール位置を維持した状態での動作が不可能となる可能性がある。したがって、安全な動作を確保するために、トラカール位置に対して鉗子が所定量挿入されているかを確認する必要がある。
　そして、トラカール位置に対して鉗子２２が上記所定量（最小挿入量）だけ挿入されている状態から抜去する方向へ目標値が生成された場合に、目標値を前回の目標値（トラカール位置に対して鉗子が所定量挿入されている状態）に戻すなどの処理を行う。このような処理により、トラカール位置に対して鉗子２２が所定量以上挿入されている状態を保つことが可能である。また、操作者に対して、トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態から、抜去する方向へ目標値が生成されたことを、何らかの方法で提示することが望ましい。このためには、例えば、力覚、聴覚、視覚による提示が考えられる。
　なお、前述の鉗子挿入の際の、はステップＳ７０３からステップＳ７０４への移行の際の判断の閾値として、上述したような、最小挿入量、または、該最小挿入量よりも大きい挿入量を採用することにより、スムーズなトラカール制限下への制御への移行が可能となる。
　また、前述と同様に、トラカールの筒部の長さは通常１００ｍｍ程度以下であるため、筒部の腹腔内、腹腔外の筒部の領域を考慮すると、上述の最小挿入量を５０ｍｍ程度としてよい。もちろん、スレーブアーム２１の追従性が十分得られるのであれば、１０ｍｍ程度の挿入量を最小挿入量としてもよい。また、鉗子シャフト長が一般的に３００ｍｍ～４００ｍｍ程度であることを考慮すると、その１割程度、すなわち、３０ｍｍから４０ｍｍ程度を最小挿入量としてもよい。この場合、装着された鉗子の長さに応じて最小挿入量が変化することになる。
　さらに、ロボットの鉗子装着部（鉗子シャフト部外）とトラカールとの衝突を避けるためや、必要以上に鉗子を挿入し不用意に臓器に接触・損傷することを避けるために、最大挿入量を指定してもよい。鉗子シャフト長が一般的に３００ｍｍ～４００ｍｍ程度であることを考慮すると、２５０ｍｍから３００ｍｍ程度の深さまで挿入した状態を、最大挿入量として設定することができる。もちろん、動作領域を確保するために、最大挿入量は上述の所定挿入量（最小挿入量）以上とする必要がある。トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態から、最大挿入量よりさらに挿入する方向へ目標値が生成された場合、目標値を前回の目標値（トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態）に戻すなどの処理を行うことで、トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態を保つことが可能である。また、操作者に対して、トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態から、最大挿入量を超える挿入方向へ目標値が生成されたことを、何らかの方法で提示することが望ましい。例えば、力覚、聴覚、視覚による提示が考えられる。
　ステップＳ８０９において、座標処理部４１５はステップＳ８０４で取得された現在座標を前回座標として保持する。そして、処理はステップＳ８０３へ戻り、上述の処理が繰り返される。次のサンプルタイミングを待つ間に操作中信号がオフになると、処理はステップＳ８１０からステップＳ８０１へ戻る。こうして、スレーブアーム２１は、フットスイッチ３３により操作中信号がオン状態の間だけ、マスタアーム３１の先端部の動きに追従するようになる。上述の実施形態では、各サンプリングごとの前回座標との前回座標の相対的な移動量により目標値を生成するアルゴリズムを示したが、もちろん、サンプリングごとでは無く、あるタイミングでの座標を基準（初期座標）としてもよい。たとえば、操作中信号がＯＮになった時の座標を初期座標として、操作中信号がＯＮの間は、その初期座標からの相対座標により目標値を生成しても良い。
　図５に戻り、ＧＵＩを介して鉗子２２の抜去が指示されると、処理はステップＳ５０６からステップＳ５０７へ進む。ステップＳ５０７において、挿入抜去処理部４１３は、その時点の鉗子２２の長軸方向へ沿って、鉗子２２を患者の体外へ引き出す。鉗子２２の先端部がトラカール位置を通過してトラカール位置から所定距離離れると、抜去動作を完了し（ステップＳ５０８）、待機位置への移動指示を待つ（ステップＳ５０９）。この時点で、トラカール制限動作が解除される。ＧＵＩより待機指示が入力されると、スレーブアーム２１は待機位置保持部４２３に保持されている所定の待機位置へ移動する（ステップＳ５０９）。
　ここで、抜去動作が安全に遂行できるかの判断機能を付加しても良い。たとえば、鉗子２２の先端部がトラカール位置を通過してトラカール位置から所定距離離れる動作に対して、スレーブロボットがとり得る位置姿勢であるか（各関節の動作範囲内であるか、途中で動作範囲外にならないか）などを、計算しその後の抜去動作が安全に遂行できない可能性がある場合には、注意や警告をユーザに明示するようにしても良い。
　なお、上述したように、ステップＳ５０７における抜去動作の完了時の鉗子２２の位置姿勢とトラカール位置を、自動モードで鉗子挿入を行う際の挿入姿勢として記憶しておき、上述の姿勢合わせ（ステップＳ５０２）で利用できるようにしてもよい。このようにすれば、たとえば使用する鉗子を交換した後に同じトラカール位置から鉗子を再挿入する場合等において、トラカール位置および挿入開始位置姿勢を簡単に選択することができ、便利である。また、この場合、記憶された挿入姿勢をそのまま用いるのでステップＳ６０４における挿入姿勢の算出も不要となる。
　なお、スレーブアーム２１のトラカール制限下の動作において、鉗子２２のシャフト軸（以下、鉗子シャフト軸）がトラカール位置を誤差なく、または、許容値以下の誤差で、通過している状態を保つことが必要である。誤差が過大な場合、患者腹壁に過大な力が発生し、好ましくない状態が生じる可能性があるからである。しかしながら、高速動作時やいわゆるロボットの特異姿勢および近傍では、スレーブアームの目標軌道に対する追従性の低下により、必ずしも、鉗子シャフト軸がトラカール位置を、誤差なく通過している状態を保つことができるとは限らない。したがって、トラカール位置と、鉗子シャフト軸との距離（たとえば垂直距離）を導出し、その距離が所定量以下であることを監視することが必要となる。また、トラカール位置と、鉗子シャフト軸との距離が、所定量以上の状態にとなった時、所定量以上であることを、操作者に明示することが必要である。さらに、トラカール位置と、鉗子シャフト軸との距離が、所定量以上の時、所定量以下に回避する制御、たとえば、スレーブアームの速度を強制的に低下させる、または、停止させるなどの制御を実行することにより、より安全なシステムを構築することが可能となる。
　また、座標処理部４１５においてマスタアーム３１の移動量（Δx、Δy、Δz）を縮小、拡大して鉗子２２の動きに反映させるようにしてもよい。移動量の縮小、すなわち動作縮小（マスタ鉗子シャフト３０２の先端部３０５の移動量に対し、スレーブアーム２１による鉗子２２の先端の移動量を縮小すること）を行うことにより手振れを防止できる。
　また、座標処理部４１５にカメラ４１の撮影方向とスレーブアーム２１の位置との関係を示す情報を入力することにより、座標処理部４１５がマスタアーム３１の移動量が示す移動方向を入力された関係に基づいて変換するようにしてもよい。例えば、モニタ４３における映像の水平／垂直方向と、マスタアーム３１の操作における水平／垂直方向を略一致させることができる。このようにすれば、モニタ４３に表示されている鉗子２２の移動方向とマスタアーム３１の先端部の移動方向を略一致させることができ、術者の操作性が向上する。
　また、マスタアーム３１は、構造が単純でコンパクトであるため、任意の位置に設置することができ、術者は、手術台や患者、助手などの位置によって不安定な姿勢での手術を行わなければならないといったことから解放され、常に最適な姿勢での操作が可能となる。
　また、上記実施形態では特に座標系について記載していないが、ワールド座標系でのｘ、ｙ、ｚを用いるようにすれば、複数台のスレーブアームを用いた場合に有利である。
　以上のように、上記実施形態によれば、いわゆる産業用ロボットを用いて腹腔鏡下手術の支援システムを構築することができるため安価であるとともに、術者の操作に対し柔軟性に優れたシステムを得ることができる。たとえば、産業用ロボット（スレーブアーム）の動作領域内であれば、アームの設置位置を変えずにトラカール位置を変えることができ、１台のスレーブアームで複数のトラカール位置に柔軟に対応することができる。
　また、上記実施形態では、マスタアーム３１により指示された空間位置へ鉗子２２の先端を合わせるように説明したが、これに限られるものではなく、鉗子２２の所定部位を合わせるようにしてもよいことは言うまでもない。例えば、鉗子２２の先端部にグリッパが設けられており、このグリッパがロール軸とヨー軸の２つの回転軸周りに回転可能な構成の場合に、グリッパの回転部分をマスタアーム３１により指示された空間位置へ合わせる部位としてもよい。
　なお、上記実施形態では、エンドエフェクタを鉗子として説明したが、これに限らないことは上述したとおりである。例えば、エンドエフェクタは、内視鏡（腹腔鏡、胸腔鏡）、その他術具（エネルギーデバイス、処置具）であっても構わない。また、上記実施形態では、医療用マニピュレータを腹腔内における手術へ適用した例を説明したが、胸腹腔、頭蓋骨内部、心臓内部などにおける手術にも適用可能であることは言うまでもない。すなわち、より小さな挿入口から医療器具を体内へ挿入して行われる、より体への負担が少ない低侵襲手術であれば、どの部位でも構わない。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

Claims (13)

  1. 　医療器具を装着可能な多自由度アームを有する医療用マニピュレータであって、
    　前記多自由度アームに装着された鉗子を体内へ挿入するための挿入口の空間位置を示す挿入口位置を記憶する記憶手段と、
    　ユーザ操作に応じて、前記医療器具の所定部位の移動先の空間位置を決定する決定手段と、
    　前記医療器具が前記挿入口位置で示される空間位置を通る状態を維持しながら前記医療器具を移動する動作制限下で、前記医療器具の前記所定部位が前記決定手段により決定された空間位置へ移動するように前記多自由度アームを駆動する制御手段と、を備えることを特徴とする医療用マニピュレータ。
  2. 　前記決定手段は、
    　ユーザ操作によって指示される３次元の位置を示す座標値を出力する座標出力手段と、
    　前記座標出力手段により出力された座標値に基づいて前記医療器具の前記所定部位の移動先の空間位置を算出する算出手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
  3. 　前記算出手段は、前記座標出力手段が出力する座標値の変化に基づいて前記医療器具の前記所定部位の移動先の空間位置を算出することを特徴とする請求項２に記載の医療用マニピュレータ。
  4. 　前記空間位置を指定するためのユーザ操作以外のユーザ操作に応じて操作中信号を出力する出力手段をさらに備え、
    　前記算出手段は、前記操作中信号がオン状態にある間の、前記座標出力手段から出力された座標値の変化に基づいて前記移動先の空間位置を算出することを特徴とする請求項３に記載の医療用マニピュレータ。
  5. 　前記座標出力手段は、ユーザが操作するシャフトの特定の部位の空間位置を示す座標値を出力し、
    　前記シャフトは、水平軸および鉛直軸まわりに回転可能に、かつ、該シャフトの軸方向へのスライドが可能に支持されている、ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。
  6. 　前記シャフトは軸周りの回転が可能に指示されており、
    　前記制御手段は、前記シャフトの軸周りの回転量に応じて、前記医療器具を軸周りに回転することを特徴とする請求項５に記載の医療用マニピュレータ。
  7. 　前記シャフトは、ユーザが把持する把持部を有し、該把持部と前記特定の部位との間において支持されていることを特徴とする請求項５または６に記載の医療用マニピュレータ。
  8. 　前記体内の所定の領域を撮影するための撮影手段の撮影方向に関わる情報を設定する設定手段をさらに備え、
    　前記算出手段は、前記撮影手段により撮影された映像における前記所定部位の移動方向と、前記ユーザ操作に応じて指示される空間位置の移動方向とを一致させるように、前記設定手段により設定された情報に基づいて前記座標出力手段から出力された座標値を変換して前記医療器具の前記所定部位の移動先の空間位置を算出することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。
  9. 　前記制御手段による制御状態は、前記挿入口位置が示す空間位置を前記医療器具が常に通るように前記医療器具を移動する前記動作制限ありの制御状態と、前記挿入口位置が示す空間位置を考慮せずに前記医療器具を移動する動作制限なしの制御状態を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。
  10. 　前記動作制限ありと前記動作制限なしの間の制御状態の遷移は、所定の移行動作を経てなされることを特徴とする請求項９に記載の医療用マニピュレータ。
  11. 　前記記憶手段は、前記挿入口位置と関連して挿入口へ前記医療器具を挿入する際の挿入姿勢をさらに記憶しており、
    　前記動作制限なしの制御状態から前記動作制限ありの制御状態への移行動作は、前記挿入口位置が示す空間位置と前記挿入口位置に関連して記憶されている挿入姿勢とに従って前記医療器具を前記挿入口から挿入可能な状態に移動する姿勢合わせ動作と、前記医療器具を前記挿入口から挿入する挿入動作とで構成されることを特徴とする請求項１０に記載の医療用マニピュレータ。
  12. 　前記動作制限ありの制御状態から前記動作制限なしの制御状態への移行動作は、前記医療器具を前記挿入口から抜去する抜去動作から構成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の医療用マニピュレータ。
  13. 　医療器具を装着可能な多自由度アームを有する医療用マニピュレータの制御方法であって、
    　前記多自由度アームに装着された医療器具を体内へ挿入するための挿入口の空間位置を示す挿入口位置をメモリに記憶する記憶工程と、
    　ユーザ操作に応じて、前記医療器具の所定部位の移動先として指示された空間位置を決定する決定工程と、
    　前記医療器具が前記挿入口位置で示される空間位置を通る状態を維持しながら前記医療器具を移動する動作制限下で、前記医療器具の前記所定部位が前記決定工程で決定された空間位置と姿勢へ移動するように前記多自由度アームを駆動する制御工程と、を有することを特徴とする医療用マニピュレータの制御方法。
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