WO2015079775A1

WO2015079775A1 - 手術用ロボット

Info

Publication number: WO2015079775A1
Application number: PCT/JP2014/074080
Authority: WO
Inventors: 慧見上; 耕太郎只野
Original assignee: 国立大学法人東京工業大学
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-06-04
Also published as: JP2015100677A; JP5754820B2

Abstract

　手術用ロボット（１）は、鉗子（１０）の合力がゼロとなるように外力を算出する外力算出手段（３２）と、鉗子（１０）のモーメントの合計がゼロとなるように外力作用点を算出する外力作用点算出手段（３４）と、鉗子（１０）の先端からベースまでの間に物体が接触したか否かを判定する接触判定手段（３５）と、接触判定手段（３５）で接触したと判定された場合、鉗子（１０）の接触を警告する警告手段（３６）と、を備える。

Description

手術用ロボット

　本願発明は、鉗子、内視鏡等の手術器具が装着されたロボットアームを備える手術用ロボットに関する。

　近年、外科手術において、患者の痛みの低減、入院期間の短縮や傷跡の縮小といったＱＯＬ（Quality Of Life）重視の観点から、腹腔鏡下手術が広く行なわれている。腹腔鏡下手術とは、術者が細い筒（トロッカール）から鉗子を入れ、腹腔鏡の映像を観察しながら手術を行うものである。この腹腔鏡下手術は、開腹手術より傷口が小さくて済むことから、患者への負担が少ない。

　ここで、腹腔鏡下手術では、鉗子、内視鏡等の手術器具を保持するロボットアームを備えた手術用ロボット（鉗子ロボット）が広く利用されている（例えば、特許文献１参照）。従来の手術用ロボットは、鉗子の先端に備えられたセンサ、カメラ等の接触検知手段により、患者体内に挿入された鉗子と、患者の血管、筋肉、臓器等の物体との接触を検知する。

特開２０１３－１３２７４７号公報

　しかし、従来の手術ロボットは、鉗子の先端にしか接触検知手段が設けられていないので、鉗子の先端以外では物体の接触を検知できず、患者を傷つけてしまう恐れがある。

　そこで、本願発明は、前記した問題を解決し、手術器具の先端以外でも物体の接触を検知できる手術用ロボットを提供することを課題とする。

　前記した課題に鑑みて、本願第１発明に係る手術用ロボットは、手術器具と、前記手術器具が装着されたロボットアームとを備える手術用ロボットであって、前記手術器具の先端に加わる力を測定する第１測定手段と、前記ロボットアームに装着された前記手術器具の基端に加わる力及びモーメントを測定する第２測定手段と、前記手術器具の先端及び基端に加わる力に基づいて、前記手術器具の合力がゼロとなるように、前記手術器具の先端から基端までの間に加わる外力を算出する外力算出手段と、前記手術器具の先端に加わる力と、前記手術器具の基端に加わる力及びモーメントと、前記手術器具の先端及び基端の位置とに基づいて、前記手術器具のモーメントの合計がゼロとなるように、前記外力算出手段で算出した外力が加わった外力作用点を算出する外力作用点算出手段と、前記外力算出手段が算出した外力、又は、前記外力作用点算出手段が算出した外力作用点の少なくとも一方に基づいて、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したか否かを判定する接触判定手段と、前記接触判定手段で接触したと判定された場合、前記手術器具の接触を警告する、又は、前記手術器具が前記物体に接触しないように前記ロボットアームを制御する接触対応動作を実行する接触対応動作実行手段と、を備えることを特徴とする。

　かかる構成によれば、手術用ロボットは、手術器具の先端から基端までの間に接触検知手段を備えることなく、梃子の原理により、手術器具の先端から基端までの間に加わる外力及び外力作用点を算出することができる。

　また、本願第２発明に係る手術用ロボットは、前記外力算出手段が、後記する式（２）を用いて、前記手術器具の先端から基端までの間に加わる外力Ｆ^ｅとして、前記手術器具の先端に加わる力Ｆ^ｇと、前記手術器具の基端に加わる力Ｆ^ｂとの合計値の反数を算出し、前記外力作用点算出手段が、前記手術器具の先端位置Ｐ^ｇ及び前記手術器具の基端位置Ｐ^ｂが含まれる式（３）を用いて、前記手術器具の先端におけるモーメントＦ^ｇ×（Ｐ^ｇ－Ｐ^ｂ）と、前記手術器具の外力作用点におけるモーメントＦ^ｅ×（Ｐ^ｅ－Ｐ^ｂ）と、前記手術器具の基端におけるモーメントＭ^ｂとの合計がゼロとなるように、前記外力作用点Ｐ^ｅを算出することが好ましい。
　かかる構成によれば、手術用ロボットは、簡易な演算式で外力及び外力作用点を算出することができる。

　また、本願第３発明及び第４発明に係る手術用ロボットは、前記接触判定手段が、前記外力作用点の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、前記外力作用点の変化量が前記閾値を超えた場合、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したと判定することが好ましい。

　ここで、手術器具は、手術器具を患者体内に挿入するためのポートと接触していることが多い。このため、外力作用点算出手段が算出する外力作用点は、通常、手術器具が接触するポート位置になり、あまり変化しない。従って、手術用ロボットは、外力作用点が大きく変化した場合、手術器具の先端から基端までの間に物体が接触した可能性が高いので、接触があったと判定する。

　また、本願第５発明から第８発明に係る手術用ロボットは、前記手術器具が、鉗子であり、前記鉗子を開閉させるエアシリンダと、前記エアシリンダを加圧又は減圧するコンプレッサと、をさらに備え、前記第１測定手段が、前記エアシリンダの圧力変化により、前記鉗子の先端に加わる力を測定する圧力センサであることが好ましい。
　かかる構成によれば、手術用ロボットは、鉗子を空気圧駆動すると共に、この鉗子に加わる力を空気圧による力覚応答から求めることができる。

　また、本願第９発明に係る手術用ロボットは、前記外力作用点算出手段が、前記ロボットアームが配置された空間の基底平面毎に、前記基底平面上の直線と前記外力作用点の基底平面上の写像との交点に前記手術器具の姿勢を示す重み付けを行って、前記外力作用点の推定値をさらに算出し、前記接触判定手段が、前記外力作用点の代わりに前記外力作用点の推定値を用いて、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したか否かを判定することが好ましい。
　かかる構成によれば、手術用ロボットは、手術器具の姿勢の影響を受けにくく、外力作用点を高い精度で推定することができる。

　本願発明によれば、以下のような優れた効果を奏する。
　本願第１発明によれば、梃子の原理により、手術器具の先端から基端までの間に加わる外力及び外力作用点を算出し、手術器具の先端以外でも物体の接触を検知することができる。さらに、本願第１発明によれば、手術器具の先端から基端までの間にセンサを備える必要がないので、簡易な構成を実現し、低コスト化を図ることができる。

　本願第２発明によれば、簡易な演算式で外力及び外力作用点を算出できるので、演算負荷を軽減し、演算処理の高速化を図ることができる。
　本願第３発明及び第４発明によれば、手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したことを、正確に検知することができる。
　本願第４発明から第８発明によれば、鉗子を空気圧駆動し、手術用ロボットの操作者にリアルな力覚提示を行うことができるので、手術用ロボットの操作性を向上させることができる。
　本願第９発明によれば、外力作用点を高い精度で推定できるので、手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したことを、より正確に検知することができる。

本願発明の実施形態に係る手術用ロボットの構成を示すブロック図である。図１の接触判定手段による判定手法を説明するための説明図であり、（ａ）は鉗子がポートに接触している状態を示し、（ｂ）は鉗子が臓器に接触している状態を示す。本願発明の実施形態において、鉗子に作用する外力及び外力作用点を模式的に表した模式図である。本願発明の実施形態において、外力作用点の算出を説明するための説明図である。本願発明の実施形態において、鉗子に作用する外力の３次元成分を模式的に表した模式図である。図１の接触警告装置の動作を示すフローチャートである。

［手術用ロボットの構成］
　図１を参照し、本願発明の実施形態に係る手術用ロボット１の構成について、詳細に説明する。
　図１に示すように、手術用ロボット１は、腹腔鏡下手術に用いられる鉗子ロボットであり、鉗子１０と、ロボットアーム２０と、接触警告装置３０とを備える。
　また、手術用ロボット１は、図示を省略した操作手段（例えば、マスタマニピュレータ）に接続されている。この操作手段は、手術用ロボット１の操作者（例えば、医師）が鉗子１０及びロボットアーム２０を操作するためのインターフェースである。
　そして、手術用ロボット１は、操作手段からの操作信号に応じて、鉗子１０及びロボットアーム２０が駆動する。このとき、鉗子１０が患者の体内で血管、筋肉又は臓器に接触した場合、鉗子１０が患者を傷つける恐れがある。そこで、接触警告装置３０が、この接触を検知して、操作者に警告する。

＜鉗子＞
　鉗子１０は、患者に取り付けられたポート９０から、患者の腹腔９２に挿入される手術器具である（図２）。この鉗子１０は、空気圧駆動式であり、開閉部１１と、エアシリンダ１３と、力センサ（第２測定手段）１５と、圧力センサ（第１測定手段）１７と、サーボバルブ１９ａと、コンプレッサ１９ｂとを備える。

　開閉部１１は、物体（例えば、患者の血管、筋肉、臓器）を掴む、抑える、牽引するためのものである。この開閉部１１は、開閉可能な構造を有しており、鉗子１０の先端に設けられている。また、開閉部１１は、エアシリンダ１３とワイヤ（不図示）を介して、接続されている。

　エアシリンダ１３は、開閉部１１を開閉させるものである。例えば、エアシリンダ１３は、円筒形で内壁が滑らかに形成され、エアシリンダ１３の長手方向に移動可能なピストン１３ａを備える。また、エアシリンダ１３は、このエアシリンダ１３の内壁及びピストン１３ａにより、空気が満たされた気密室１３ｂを形成する。また、エアシリンダ１３は、この気密室１３ｂを加圧及び減圧できるように、サーボバルブ１９ａに接続されている。

　力センサ１５は、鉗子１０のベース（基端）に加わる力Ｆ^ｂ及びモーメントＭ^ｂを測定し、後記する接触警告装置３０に出力するものである。例えば、力センサ１５として、歪ゲージを用いた力センサ、又は、圧電効果を利用した力センサがあげられる。
　なお、ベースとは、鉗子１０をロボットアーム２０に取り付けた場所のことである。

　圧力センサ１７は、エアシリンダ１３の圧力変化により、鉗子１０の先端に加わる力Ｆ^ｇを測定し、接触警告装置３０に出力するものである。例えば、圧力センサ１７として、歪ゲージ又は圧電効果を利用したものがあげられる。

　サーボバルブ１９ａは、エアシリンダ１３を加圧又は減圧するものである。
　例えば、サーボバルブ１９ａは、操作手段から、開閉部１１を開くことを示す操作信号（不図示）が入力されると、エアシリンダ１３の気密室１３ｂを加圧する。これによって、ピストン１３ａが開閉部１１に近づいてワイヤが伸び、開閉部１１が開く。
　一方、サーボバルブ１９ａは、操作手段から、開閉部１１を閉じることを示す操作信号が入力されると、エアシリンダ１３の気密室１３ｂを減圧する。これによって、ピストン１３ａが開閉部１１から遠ざかってワイヤが縮み、開閉部１１が閉じる。
　コンプレッサ１９ｂは、外気を圧縮して、サーボバルブ１９ａに供給するものである。

＜ロボットアーム＞
　ロボットアーム２０は、鉗子１０が装着されたシリアルリンクマニピュレータである。このロボットアーム２０は、複数のアーム２１と、アーム２１同士を接続する関節部２３とで構成されている。また、ロボットアーム２０は、図示を省略したホルダに、腹腔鏡下手術が行いやすい向き及び位置で保持されている。

　また、ロボットアーム２０は、エンコーダ付き駆動モータ（不図示）が関節部２３に内蔵されている。このエンコーダ付き駆動モータは、操作手段からの操作信号が入力されると、この操作信号に従ってアーム２１を駆動する。また、エンコーダ付き駆動モータは、関節部２３の角度を示す計測信号を接触警告装置３０に出力する。この計測信号は、鉗子１０のベース位置Ｐ^ｂ及び先端位置Ｐ^ｇを算出するために利用される。

＜接触警告装置＞
　接触警告装置３０は、鉗子１０と物体（例えば、患者の血管、筋肉、臓器）との接触を検知し、接触を検知したときに警告するものである。この接触警告装置３０は、入出力手段３１と、外力算出手段３２と、位置算出手段３３と、外力作用点算出手段３４と、接触判定手段３５と、警告手段（接触対応動作実行手段）３６とを備える。

　入出力手段３１は、鉗子１０から、接触警告装置３０での演算に必要な各種パラメータとして、力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇと、モーメントＭ^ｂが入力され、ロボットアーム２０から計測信号が入力されるものである。

　この入出力手段３１は、力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇを外力算出手段３２に出力する。また、入出力手段３１は、計測信号を位置算出手段３３に出力する。さらに、入出力手段３１は、力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇと、モーメントＭ^ｂとを外力作用点算出手段３４に出力する。

　外力算出手段３２は、入出力手段３１から入力された力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇに基づいて、鉗子１０の合力がゼロとなるように、鉗子１０の先端からベースまでの間に加わる外力Ｆ^ｅを算出するものである。この外力算出手段３２は、算出した外力Ｆ^ｅを外力作用点算出手段３４及び接触判定手段３５に出力する。
　なお、外力算出手段３２による外力Ｆ^ｅの算出は、詳細を後記する。

　位置算出手段３３は、入出力手段３１から入力された計測信号に基づいて、鉗子１０の先端位置Ｐ^ｇと、鉗子１０のベース位置Ｐ^ｂとを算出するものである。例えば、位置算出手段３３は、ベース位置Ｐ^ｂを、ロボットアーム２０のリンク長と、関節部２３の角度を示す計測信号とから、幾何学演算により算出できる。また、ロボットアーム２０の先端に取り付けられた鉗子１０の長さ及び方向が既知である。従って、位置算出手段３３は、鉗子１０の長さ及び方向と、ベース位置Ｐ^ｂとから、先端位置Ｐ^ｇを幾何学演算により算出できる。そして、位置算出手段３３は、鉗子１０のベース位置Ｐ^ｂと、先端位置Ｐ^ｇとを外力作用点算出手段３４に出力する。

　外力作用点算出手段３４は、力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇ及びモーメントＭ^ｂと、鉗子１０のベース位置Ｐ^ｂ及び先端位置Ｐ^ｇとに基づいて、鉗子１０のモーメントの合計がゼロとなるように、外力Ｆ^ｅが加わった外力作用点Ｐ^ｅを算出するものである。
　ここで、外力作用点算出手段３４は、入出力手段３１から力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇ及びモーメントＭ^ｂが入力され、外力算出手段３２から外力Ｆ^ｅが入力され、位置算出手段３３からベース位置Ｐ^ｂ及び先端位置Ｐ^ｇが入力される。
　そして、外力作用点算出手段３４は、算出した外力作用点Ｐ^ｅを接触判定手段３５に出力する。
　なお、外力作用点算出手段３４による外力作用点Ｐ^ｅの算出は、詳細を後記する。

　接触判定手段３５は、外力算出手段３２から入力された外力Ｆ^ｅ、又は、外力作用点算出手段３４から入力された外力作用点Ｐ^ｅの少なくとも一方に基づいて、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触したか否かを判定するものである。

　以下、図２を参照し、接触判定手段３５による判定手法について、具体的に説明する（適宜図１参照）。
　図２（ａ）に示すように、腹腔鏡下手術では、患者の腹腔９２に挿入された鉗子１０は、患者の体表９１に取り付けられたポート９０と接触していることが多い。このため、外力作用点算出手段３４は、外力作用点Ｐ^ｅとして、鉗子１０が接触するポート９０の位置を算出する。従って、腹腔鏡下手術中、外力作用点Ｐ^ｅは、あまり変化しない。

　ここで、図２（ｂ）に示すように、鉗子１０が患者の臓器９３に接触した場合を考える。この場合、外力作用点算出手段３４は、外力作用点Ｐ^ｅとして、鉗子１０が患者の臓器９３に接触した位置を算出する。つまり、図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、外力作用点Ｐ^ｅが大きく変化した場合、鉗子１０が患者の臓器９３に接触した可能性が高い。

　具体的には、接触判定手段３５は、予め設定された時間内における外力作用点Ｐ^ｅの変化量ΔＰ^ｅを算出する。そして、接触判定手段３５は、算出した変化量ΔＰ^ｅが、予め設定された閾値ｔｈ１を超えたか否かを判定する。

　そして、接触判定手段３５は、変化量ΔＰ^ｅが閾値ｔｈ１を超えた場合、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触したと判定する。この場合、接触判定手段３５は、警告（接触対応動作）の実行を、警告手段３６に指令する。

　図１に戻り、手術用ロボット１の構成について、説明を続ける。
　警告手段３６は、接触判定手段３５から警告の実行を指令された場合、鉗子１０の接触を警告するものである。この警告手段３６は、警告手法が特に制限されず、例えば、操作手段の振動、警告音の出力又は警告メッセージの表示を行うことができる。さらに、警告手段３６は、前記した警告手法を複数組み合わせてもよい。

＜外力の算出＞
　図３を参照し、外力算出手段３２による外力Ｆ^ｅの算出について、具体的に説明する（適宜図１参照）。
　図３の鉗子１０では、下記の式（１）で表されるように、鉗子１０の先端に加わる力Ｆ^ｇと、外力作用点Ｐ^ｅに加わる外力Ｆ^ｅと、鉗子１０のベースに加わる力Ｆ^ｂとの合力がゼロになる。

　従って、外力算出手段３２は、式（２）を用いて、外力作用点Ｐ^ｅに加わる外力Ｆ^ｅとして、鉗子１０の先端に加わる力Ｆ^ｇと、鉗子１０のベースに加わるＦ^ｂとの合計値の反数を算出する。

＜外力作用点の算出＞
　図３～図５を参照し、外力作用点算出手段３４による外力作用点Ｐ^ｅの算出について、具体的に説明する（適宜図１参照）。
　以下の説明では、図３で鉗子１０の外周面に位置する外力作用点Ｐ^ｅを、鉗子１０の中心軸上に位置するとみなしている。

　外力作用点算出手段３４は、下記の式（３）を用いて、外力作用点Ｐ^ｅを算出できる。この式（３）は、鉗子１０の先端位置Ｐ^ｇにおけるモーメントＦ^ｇ×（Ｐ^ｇ－Ｐ^ｂ）と、外力作用点Ｐ^ｅにおけるモーメントＦ^ｅ×（Ｐ^ｅ－Ｐ^ｂ）と、鉗子１０のベース位置Ｐ^ｂにおけるモーメントＭ^ｂとの合計がゼロとなることを表している。

　ここで、鉗子１０が配置された空間に、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸からなる３次元座標系を設定する。この場合、式（３）のモーメントＭ^ｂは、下記の式（４）に示すように、モーメントＭ^ｂのｘ軸まわり成分Ｍ^ｂ _ｘ、ｙ軸まわり成分Ｍ^ｂ _ｙ及びｚ軸まわり成分Ｍ^ｂ _ｚに分解することができる。

　ここで、Ｆ^ｇ _ｘ，Ｆ^ｇ _ｙ，Ｆ^ｇ _ｚは、それぞれ、力Ｆ^ｇのｘ軸成分、ｙ軸成分及びｚ軸成分である。
　また、Ｆ^ｅ _ｘ，Ｆ^ｅ _ｙ，Ｆ^ｅ _ｚは、それぞれ、力Ｆ^ｅのｘ軸成分、ｙ軸成分及びｚ軸成分である。
　また、Ｐ^ｇ _ｘ，Ｐ^ｇ _ｙ，Ｐ^ｇ _ｚは、それぞれ、先端位置Ｐ^ｇのｘ軸座標、ｙ軸座標及びｚ軸座標である。
　また、Ｐ^ｂ _ｘ，Ｐ^ｂ _ｙ，Ｐ^ｂ _ｚは、それぞれ、ベース位置Ｐ^ｂのｘ軸座標、ｙ軸座標及びｚ軸座標である。
　また、Ｐ^ｅ _ｘ，Ｐ^ｅ _ｙ，Ｐ^ｅ _ｚは、それぞれ、外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標、ｙ軸座標及びｚ軸座標である。

　この式（４）から、下記の式（５）のように、外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘとz軸座標Ｐ^ｅ _zとの関係を表すことができる。また、外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘとy軸座標Ｐ^ｅ _yとの関係は、下記の式（６）で表すことができる。

　また、外力作用点Ｐ^ｅのy軸座標Ｐ^ｅ _ｙとｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘとの関係は、下記の式（７）で表すことができる。さらに、外力作用点Ｐ^ｅのy軸座標Ｐ^ｅ _ｙとｚ軸座標Ｐ^ｅ _ｚとの関係は、下記の式（８）で表すことができる。

　また、外力作用点Ｐ^ｅのｚ軸座標Ｐ^ｅ _ｚとｙ軸座標Ｐ^ｅ _ｙとの関係は、下記の式（９）で表すことができる。さらに、外力作用点Ｐ^ｅのｚ軸座標Ｐ^ｅ _ｚとｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘとの関係は、下記の式（１０）で表すことができる。

　外力作用点Ｐ^ｅは、鉗子１０のベース位置Ｐ^ｂから先端位置Ｐ^ｇまでを結ぶ直線の上に位置することから、求められる。つまり、式（５）から、ｘ軸－ｚ軸平面での鉗子１０のベース位置Ｐ^ｂから先端位置Ｐ^ｇまでを結ぶ直線と、ｘ軸－ｚ軸平面での外力作用点Ｐ^ｅの写像との交点から、外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘを求められる。このとき、外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘの算出には、５つのパラメータ（Ｆ^ｇ _ｘ，Ｆ^ｂ _ｘ，Ｆ^ｇ _ｚ，Ｆ^ｂ _ｚ，Ｍ^ｂ _ｙ）が必要である。

　図４に示すように、式（５）から、ベース位置Ｐ^ｂを原点としたｘ軸－ｚ軸平面において、傾きａ及び切片ｂの直線を定義した式（１１）を導き出すことができる。図４では、この直線を符号９４で図示した。また、ｘ軸－ｚ軸平面において、ベース位置Ｐ^ｂから先端位置Ｐ^ｇまでを結ぶ直線を定義した式（１２）を導き出すことができる。図４では、この直線を符号９５で図示した。つまり、図４では、ベース位置Ｐ^ｂから直線９４，９５の交点までのｘ軸方向の長さｌが外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘを表すので、この長さｌを求めればよい。

　図４のＦ_ｘ＝Ｆ^ｂ _ｘと、Ｆ_ｚ＝Ｆ^ｂ _ｚと、モーメントＭ＝Ｍ^ｂが測定されているので、長さｌは、下記の式（１３）で求められる。
Ｐ^ｅ _ｘ＝ａ・Ｐ^ｅ _ｚ＋ｂ=ｃ・Ｐ^ｅ _ｚ
Ｐ^ｅ _ｚ＝ｂ／（ｃ－ａ）
ｌ＝ｂ・ｃ／（ｃ－ａ）　 …式（１３）

　式（５）と同様、式（６）から、ｘ軸－ｙ軸平面上で力Ｆ^ｇ，Ｆ^ｂの和と同じ傾きを有する直線と、ｘ軸－ｙ軸平面への外力作用点Ｐ^ｅの写像との交点から、外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘを求められる。図５に示すように、ｘ軸－ｙ軸平面であれば、外力作用点算出手段３４は、５つのパラメータ（Ｆ^ｇ _ｘ，Ｆ^ｂ _ｘ，Ｆ^ｇ _ｙ，Ｆ^ｂ _ｙ，Ｍ^ｂ _ｚ）が既知なので、式（６）を用いて、外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘを算出することができる。

　前記と同様、ｙ軸－ｘ軸平面において、式（７）を用いて、外力作用点Ｐ^ｅのｙ軸座標Ｐ^ｅ _ｙを算出するには、５つのパラメータ（Ｆ^ｇ _ｙ，Ｆ^ｂ _ｙ，Ｆ^ｇ _ｘ，Ｆ^ｂ _ｘ，Ｍ^ｂ _ｚ）が必要である。
　前記と同様、ｙ軸－ｚ軸平面において、式（８）を用いて、外力作用点Ｐ^ｅのｙ軸座標Ｐ^ｅ _ｙを算出するには、５つのパラメータ（Ｆ^ｇ _ｙ，Ｆ^ｂ _ｙ，Ｆ^ｇ _ｚ，Ｆ^ｂ _ｚ，Ｍ^ｂ _ｘ）が必要である。

　前記と同様、ｚ軸－ｙ軸平面において、式（９）を用いて、外力作用点Ｐ^ｅのｚ軸座標Ｐ^ｅ _ｚを算出するには、５つのパラメータ（Ｆ^ｇ _ｚ，Ｆ^ｂ _ｚ，Ｆ^ｇ _ｙ，Ｆ^ｂ _ｙ，Ｍ^ｂ _ｘ）が必要である。
　前記と同様、ｚ軸－ｘ軸平面において、式（１０）を用いて、外力作用点Ｐ^ｅのｚ軸座標Ｐ^ｅ _ｚを算出するには、５つのパラメータ（Ｆ^ｇ _ｚ，Ｆ^ｂ _ｚ，Ｆ^ｇ _ｘ，Ｆ^ｂ _ｘ，Ｍ^ｂ _ｙ）が必要である。

　以上のように、外力作用点算出手段３４は、異なるパラメータから外力作用点Ｐ^ｅ（Ｐ^ｅ _ｘ，Ｐ^ｅ _ｙ，Ｐ^ｅ _ｚ）を算出することができる。
　なお、鉗子１０に複数の外力が加わった場合、外力算出手段３２が算出する外力Ｆ^ｅ、及び、外力作用点算出手段３４が算出する外力作用点Ｐ^ｅは、鉗子１０に加わった外力を合成したものとなる。

[接触警告装置の動作]
　図６を参照し、接触警告装置３０の動作について、説明する（適宜図１参照）。
　接触警告装置３０は、入出力手段３１によって、各種パラメータとして、鉗子１０から力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇが入力され、モーメントＭ^ｂと、ロボットアーム２０から計測信号が入力される（ステップＳ１）。

　接触警告装置３０は、外力算出手段３２によって、ステップＳ１で入力された力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇに基づいて、鉗子１０の合力がゼロとなるように、鉗子１０の先端からベースまでの間に加わる外力Ｆ^ｅを算出する（ステップＳ２）。

　接触警告装置３０は、位置算出手段３３によって、ステップＳ１で入力された計測信号に基づいて、鉗子１０の先端位置Ｐ^ｇと、鉗子１０のベース位置Ｐ^ｂとを算出する（ステップＳ３）。

　接触警告装置３０は、外力作用点算出手段３４によって、ステップＳ１で入力された力Ｆ^ｂ，Ｆ^ｇ及びモーメントＭ^ｂと、ステップＳ３で算出したベース位置Ｐ^ｂ及び先端位置Ｐ^ｇとに基づいて、鉗子１０のモーメントの合計がゼロとなるように、外力が加わった外力作用点Ｐ^ｅを算出する（ステップＳ４）。

　接触警告装置３０は、接触判定手段３５によって、ステップＳ４で算出した外力作用点Ｐ^ｅの変化量ΔＰ^ｅが、閾値ｔｈ１を超えたか否かを判定する（ステップＳ５）。
　変化量ΔＰ^ｅが閾値ｔｈ１を超えた場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、接触警告装置３０は、ステップＳ６の処理に進む。

　接触警告装置３０は、警告手段３６によって、鉗子１０の接触を警告する。例えば、警告手段３６は、操作手段の振動、警告音の出力又は警告メッセージの表示といった警告を行う（ステップＳ６）。
　変化量ΔＰ^ｅが閾値ｔｈ１を超えない場合（ステップＳ５でＮｏ）、又は、ステップＳ６の後、接触警告装置３０は、処理を終了する。

　以上のように、手術用ロボット１は、梃子の原理により、鉗子１０の先端からベースまでの間に加わる外力Ｆ^ｅ及び外力作用点Ｐ^ｅを算出し、鉗子１０の先端以外でも物体の接触を検知することができる。これによって、手術用ロボット１は、鉗子１０の先端からベースまでの間にセンサを備える必要がなく、簡易な構成を実現し、低コスト化を図ることができる。さらに、手術用ロボット１は、鉗子１０の接触を警告できるので、腹腔鏡下手術の安全性を向上させることができる。

　さらに、手術用ロボット１は、式（２）及び式（３）のような簡易な演算式により、外力Ｆ^ｅ及び外力作用点Ｐ^ｅを算出できるので、演算負荷を軽減し、演算処理の高速化を図ることができる。
　さらに、手術用ロボット１は、鉗子１０を空気圧駆動し、手術用ロボット１の操作者にリアルな力覚提示を行うことができるので、手術用ロボット１の操作性を向上させることができる。

（変形例１）
　本願発明に係る手術用ロボット１は、前記した実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で変形を加えることができる。

　前記した式（６）で外力作用点Ｐ^ｅを算出すると、外力作用点Ｐ^ｅの精度が鉗子１０の姿勢の影響により低下し、鉗子１０がｙ軸に平行な場合、外力作用点Ｐ^ｅの算出が困難になる。

　そこで、外力作用点算出手段３４は、ロボットアーム２０が配置された空間の基底平面毎に、基底平面上の直線と外力作用点Ｐ^ｅの基底平面上の写像との交点に鉗子１０の姿勢を示す重み付けを行って、外力作用点Ｐ^ｅの推定値Ｐ^ｅ＾を算出することが好ましい。具体的には、外力作用点算出手段３４は、下記の式（１４）を用いて、外力作用点Ｐ^ｅの推定値Ｐ^ｅ＾を算出する。

　この式（１４）では、Ｐ^ｅ _ｘｚ＾が、式（５）で求めた外力作用点Ｐ^ｅのｘ軸座標Ｐ^ｅ _ｘである。また、Ｐ^ｅ _ｙｘ＾が、式（７）で求めた外力作用点Ｐ^ｅのｙ軸座標Ｐ^ｅ _ｙである。また、Ｐ^ｅ _ｚｙ＾が、式（９）で求められる外力作用点Ｐ^ｅのｚ軸座標Ｐ^ｅ _ｚである。

　また、（｜Ｐ^ｒ｜－｜Ｐ^ｒ _ｙ｜）／２｜Ｐ^ｒ｜、（｜Ｐ^ｒ｜－｜Ｐ^ｒ _ｚ｜）／２｜Ｐ^ｒ｜、及び、（｜Ｐ^ｒ｜－｜Ｐ^ｒ _ｘ｜）／２｜Ｐ^ｒ｜は、それぞれ、鉗子１０の姿勢を示す重み付けである。

　以上のように、本願発明の変形例１に係る手術用ロボット１によれば、鉗子１０の姿勢に影響を抑え、外力作用点Ｐ^ｅの推定値Ｐ^ｅ＾が高い精度になる。従って、手術用ロボット１によれば、外力作用点Ｐ^ｅの代わりにその推定値Ｐ^ｅ＾を用いることで、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触したことを、正確に検知することができる。

（変形例２）
　接触判定手段３５は、外力Ｆ^ｅが予め設定された閾値ｔｈ２を超えたか否かにより、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触したか否かを判定してもよい。

　また、接触判定手段３５は、予め設定された時間内における外力Ｆ^ｅの変化量ΔＦ^ｅを算出する。そして、接触判定手段３５は、算出した外力Ｆ^ｅの変化量ΔＦ^ｅが予め設定された閾値ｔｈ３を超えたか否かにより、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触したか否かを判定してもよい。

　さらに、接触判定手段３５は、外力Ｆ^ｅと外力作用点Ｐ^ｅとを組み合わせて、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触したか否かを判定してもよい。
　例えば、接触判定手段３５は、外力作用点Ｐ^ｅの変化量ΔＰ^ｅが閾値ｔｈ１を超え、かつ、外力Ｆ^ｅの変化量ΔＦ^ｅが閾値ｔｈ３を超えた場合、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触したと判定する。
　一方、接触判定手段３５は、外力作用点Ｐ^ｅの変化量ΔＰ^ｅが閾値ｔｈ１を超えないか、又は、外力Ｆ^ｅの変化量ΔＦ^ｅが閾値ｔｈ３を超えない場合、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触していないと判定する。

　また、接触判定手段３５は、外力作用点Ｐ^ｅの変化量ΔＰ^ｅが閾値ｔｈ１を超えるか、又は、外力Ｆ^ｅの変化量ΔＦ^ｅが閾値ｔｈ３を超えた場合、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触したと判定してもよい。
　一方、接触判定手段３５は、外力作用点Ｐ^ｅの変化量ΔＰ^ｅが閾値ｔｈ１を超えず、かつ、外力Ｆ^ｅの変化量ΔＦ^ｅが閾値ｔｈ３を超えない場合、鉗子１０の先端からベースまでの間に物体が接触していないと判定してもよい。

（その他変形例）
　前記した実施形態では、ロボットアーム２０をモータ駆動として説明したが、本願発明は、これに限定されない。例えば、ロボットアーム２０は、鉗子１０と同様、空気圧駆動としてもよい。
　また、ロボットアーム２０は、その構造が特に制限されず、パラレルリンクマニピュレータであってもよい。

　前記した実施形態では、接触対応動作として、警告手段３６が警告を行うとして説明したが、本願発明は、これに限定されない。
　つまり、手術用ロボット１は、接触対応動作実行手段として、鉗子１０が物体に接触しないようにロボットアーム２０を制御する制御手段（不図示）を備えてもよい。例えば、この制御手段は、接触判定手段３５が鉗子１０の接触を判定した場合、前記したロボットアーム２０の制御を行う。

１　手術用ロボット
１０　鉗子
１１　開閉部
１３　エアシリンダ
１５　力センサ（第２測定手段）
１７　圧力センサ（第１測定手段）
１９ａ　サーボバルブ
１９ｂ　コンプレッサ
２０　ロボットアーム
２１　アーム
２３　関節部
３０　接触警告装置
３１　入力手段
３２　外力算出手段
３３　位置算出手段
３４　外力作用点算出手段
３５　接触判定手段
３６　警告手段（接触対応動作実行手段）

Claims

　手術器具と、前記手術器具が装着されたロボットアームとを備える手術用ロボットであって、
　前記手術器具の先端に加わる力を測定する第１測定手段と、
　前記ロボットアームに装着された前記手術器具の基端に加わる力及びモーメントを測定する第２測定手段と、
　前記手術器具の先端及び基端に加わる力に基づいて、前記手術器具の合力がゼロとなるように、前記手術器具の先端から基端までの間に加わる外力を算出する外力算出手段と、
　前記手術器具の先端に加わる力と、前記手術器具の基端に加わる力及びモーメントと、前記手術器具の先端及び基端の位置とに基づいて、前記手術器具のモーメントの合計がゼロとなるように、前記外力算出手段で算出した外力が加わった外力作用点を算出する外力作用点算出手段と、
　前記外力算出手段が算出した外力、又は、前記外力作用点算出手段が算出した外力作用点の少なくとも一方に基づいて、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したか否かを判定する接触判定手段と、
　前記接触判定手段で接触したと判定された場合、前記手術器具の接触を警告する、又は、前記手術器具が前記物体に接触しないように前記ロボットアームを制御する接触対応動作を実行する接触対応動作実行手段と、
を備えることを特徴とする手術用ロボット。
　前記外力算出手段は、式（２）を用いて、前記手術器具の先端から基端までの間に加わる外力Ｆ^ｅとして、前記手術器具の先端に加わる力Ｆ^ｇと、前記手術器具の基端に加わる力Ｆ^ｂとの合計値の反数を算出し、

　前記外力作用点算出手段は、前記手術器具の先端位置Ｐ^ｇ及び前記手術器具の基端位置Ｐ^ｂが含まれる式（３）を用いて、前記手術器具の先端におけるモーメントＦ^ｇ×（Ｐ^ｇ－Ｐ^ｂ）と、前記手術器具の外力作用点におけるモーメントＦ^ｅ×（Ｐ^ｅ－Ｐ^ｂ）と、前記手術器具の基端におけるモーメントＭ^ｂとの合計がゼロとなるように、前記外力作用点Ｐ^ｅを算出することを特徴とする請求項１に記載の手術用ロボット。
　前記接触判定手段は、
　前記外力作用点の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、
　前記外力作用点の変化量が前記閾値を超えた場合、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したと判定することを特徴とする請求項１に記載の手術用ロボット。
　前記接触判定手段は、
　前記外力作用点の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、
　前記外力作用点の変化量が前記閾値を超えた場合、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したと判定することを特徴とする請求項２に記載の手術用ロボット。
　前記手術器具は、鉗子であり、
　前記鉗子を開閉させるエアシリンダと、
　前記エアシリンダを加圧又は減圧するサーボバルブと、をさらに備え、
　前記第１測定手段は、前記エアシリンダの圧力変化により、前記鉗子の先端に加わる力を測定する圧力センサであることを特徴とする請求項１に記載の手術用ロボット。
　前記手術器具は、鉗子であり、
　前記鉗子を開閉させるエアシリンダと、
　前記エアシリンダを加圧又は減圧するサーボバルブと、をさらに備え、
　前記第１測定手段は、前記エアシリンダの圧力変化により、前記鉗子の先端に加わる力を測定する圧力センサであることを特徴とする請求項２に記載の手術用ロボット。
　前記手術器具は、鉗子であり、
　前記鉗子を開閉させるエアシリンダと、
　前記エアシリンダを加圧又は減圧するサーボバルブと、をさらに備え、
　前記第１測定手段は、前記エアシリンダの圧力変化により、前記鉗子の先端に加わる力を測定する圧力センサであることを特徴とする請求項３に記載の手術用ロボット。
　前記手術器具は、鉗子であり、
　前記鉗子を開閉させるエアシリンダと、
　前記エアシリンダを加圧又は減圧するサーボバルブと、をさらに備え、
　前記第１測定手段は、前記エアシリンダの圧力変化により、前記鉗子の先端に加わる力を測定する圧力センサであることを特徴とする請求項４に記載の手術用ロボット。
　前記外力作用点算出手段は、前記ロボットアームが配置された空間の基底平面毎に、前記基底平面上の直線と前記外力作用点の基底平面上の写像との交点に前記手術器具の姿勢を示す重み付けを行って、前記外力作用点の推定値をさらに算出し、
　前記接触判定手段は、前記外力作用点の代わりに前記外力作用点の推定値を用いて、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したか否かを判定することを特徴とする請求項１から請求項８の何れか一項に記載の手術用ロボット。