WO2016136306A1 - 医療用マスタースレーブマニピュレータシステム - Google Patents

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WO2016136306A1
WO2016136306A1 PCT/JP2016/050801 JP2016050801W WO2016136306A1 WO 2016136306 A1 WO2016136306 A1 WO 2016136306A1 JP 2016050801 W JP2016050801 W JP 2016050801W WO 2016136306 A1 WO2016136306 A1 WO 2016136306A1
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WO
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master
manipulator
slave
joint
channel member
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/050801
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English (en)
French (fr)
Inventor
達矢 樋口
利博 吉井
Original Assignee
オリンパス株式会社
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Publication date
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Priority to EP16755056.5A priority patent/EP3263060A4/en
Publication of WO2016136306A1 publication Critical patent/WO2016136306A1/ja
Priority to US15/677,696 priority patent/US11033346B2/en

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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J3/00—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements
    • B25J3/04—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements involving servo mechanisms
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    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B2034/301—Surgical robots for introducing or steering flexible instruments inserted into the body, e.g. catheters or endoscopes
    • 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
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis

Definitions

  • the present invention relates to a medical master-slave manipulator system.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2015-037287 for which it applied to Japan on February 26, 2015, and uses the content here.
  • a master-slave medical manipulator system is a system that operates a slave manipulator in accordance with an operation on a master manipulator.
  • the slave manipulator needs to appropriately follow the position and posture of the master manipulator. For this reason, for example, in the systems disclosed in Patent Documents 1 and 2, it is preferable that calibration is performed to maintain the tracking accuracy of the slave manipulator with respect to the master manipulator.
  • the master-slave medical manipulator system has a master manipulator and a slave manipulator each having a joint.
  • the joint of the master manipulator and the joint of the slave manipulator are electrically connected so as to be able to follow up by an electrical operation command.
  • an electrical operation command When there is no mechanical connection between the joint of the master manipulator and the joint of the slave manipulator, there may be a case where the position of the joint of the slave manipulator with respect to the joint of the master manipulator occurs.
  • each joint has a sensor for detecting the position of each joint, calibration for correcting the positional deviation can be performed.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a medical master-slave manipulator system that can be easily calibrated with a simple configuration.
  • a medical master-slave manipulator system includes a slave manipulator having an end effector and a joint, and a joint having a shape similar to the joint of the slave manipulator, and operates the slave manipulator.
  • a master manipulator to which an operation for input is input a control unit that generates an operation command for operating the slave manipulator based on an operation input to the master manipulator, and outputs the operation command to the slave manipulator, and the slave
  • the correction jig restricts the joint of the master manipulator to a linear state in a state where the correction jig is attached to the master manipulator.
  • the control unit detects that the correction jig is attached to the master manipulator
  • An operation command for moving the slave manipulator and the overtube relative to each other so that the slave manipulator moves into the overtube is generated and output to the slave manipulator, and the slave manipulator is located in the overtube and the With the correction jig attached to the master manipulator, the position of the joint of the slave manipulator corresponding to the joint of the master manipulator is set as the origin position of the joint in the slave manipulator Good.
  • the correction jig includes the slave in which the joint of the master manipulator is arranged inside the overtube. You may have the channel member hold
  • the correction jig includes the slave in which the joint of the master manipulator is disposed inside the overtube.
  • You may have the channel member hold
  • the master manipulator may be movable with respect to the channel member such that at least the joint of the master manipulator is attached to the channel member.
  • the master manipulator in the medical master-slave manipulator system according to the fourth aspect, includes a work table, an input unit corresponding to the end effector, and the master manipulator. And a master arm having a joint.
  • the channel member may be arranged on the work table such that the channel member can be relatively moved and fixed with respect to the master arm in a state where the master arm is positioned with respect to the work table.
  • the correction jig in the medical master-slave manipulator system according to the first aspect, can be inserted through the master manipulator and has a similar shape to the overtube.
  • You may have a channel member and the rotation amount measurement means for measuring the rotation amount which the said master manipulator rotates in the circumferential direction of the said channel member in the said channel member.
  • a seventh aspect of the present invention in the medical master-slave manipulator system according to the first aspect, whether or not the control unit is in a positional relationship in which the correction jig is attached to the master manipulator.
  • the control unit is activated, and the master manipulator is not in a positional relationship in which the correction jig is attached, the slave manipulator until the positional relationship in which the correction jig is attached to the master manipulator is obtained.
  • the control may be stopped.
  • a medical master-slave manipulator system that can be easily calibrated with a simple configuration can be provided.
  • FIG. 1 is an overall view of a medical master-slave manipulator system according to a first embodiment of the present invention. It is a schematic diagram which shows a part of master manipulator of the said manipulator system. It is a fragmentary sectional view showing typically a part of the master manipulator. It is a figure which shows a part of slave manipulator of the said manipulator system, and is typical sectional drawing which shows the state in which a part of slave manipulator is inserted in the body. It is a fragmentary sectional view showing typically one process of performing treatment using the end effector of the slave manipulator. It is a flowchart which shows the flow of the treatment using the said manipulator system.
  • FIG. 1 is an overall view of a medical master-slave manipulator system according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a part of a master manipulator of the manipulator system.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing a part of the master manipulator.
  • FIG. 4 is a view showing a part of the slave manipulator of the manipulator system, and is a schematic cross-sectional view showing a state where a part of the slave manipulator is inserted into the body.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view schematically showing a process of performing treatment using the end effector of the slave manipulator.
  • a medical master-slave manipulator system 1 (hereinafter simply referred to as “manipulator system 1”) of the present embodiment includes a master manipulator 2, a slave manipulator 20, and a control unit 50.
  • the master manipulator 2 includes a work table 3, a master arm 4, a master overtube 15, and a display device 19.
  • a master arm 4, a master overtube 15, and a display device 19 are attached to the work table 3.
  • the master arm 4 includes a pedestal 5, a shaft 6, a master joint portion 7, and an input portion 14.
  • the pedestal 5 is connected to or placed on the work table 3 so as to be movable in a predetermined linear direction with respect to the work table 3.
  • the pedestal 5 is connected to the shaft 6 of the master arm 4.
  • the shaft 6 is a rod-like or cylindrical member that can be inserted into the channel member 16 of the master overtube 15.
  • the master joint portion 7 is connected to an end of the shaft 6 opposite to the end connected to the pedestal 5 (hereinafter, this end is referred to as the tip 6a of the shaft 6).
  • the master joint portion 7 has a plurality of joint elements 8. In this embodiment, it has the 1st joint element 9, the 2nd joint element 10, and the 3rd joint element 11 in this order toward the input part 14 from the front-end
  • Each joint element 8 provided in the master joint portion 7 is connected by a rod-shaped arm element 13.
  • the first joint element 9, the second joint element 10, and the third joint element 11 are bent or rotated by a force transmitted from the operator who inputs to the input unit 14 to the master joint unit 7 via the input unit 14. It is moved according to a predetermined axis.
  • the first joint element 9, the second joint element 10, and the third joint element 11 operate independently of each other or in conjunction with each other, thereby deforming the master joint section 7 in response to an operation on the input section 14.
  • the first joint element 9, the second joint element 10, and the third joint element 11 have position information acquisition means such as an encoder (not shown), and the first joint element 9, the second joint element 10, and the first joint element 9.
  • the control unit 50 is configured to acquire an operation amount when the three joint elements 11 are moved by the force from the input unit 14.
  • the input unit 14 is arranged at an end of the master joint 7 opposite to the end connected to the tip 6a of the shaft 6 (hereinafter, this end is referred to as the tip 7a of the master joint 7). Yes.
  • the input unit 14 can be moved by an operator.
  • the input unit 14 may be configured to be able to operate the end effector 33 corresponding to the configuration of the end effector 33 (see FIGS. 4 and 5) provided in the slave arm 21.
  • the input unit 14 corresponds to the grasping forceps 34 of the end effector 33. It is comprised so that input of the holding
  • the pair of input pieces 14a and 14b have operation detecting means such as an encoder (not shown) that can detect the open / closed state, and the amount of operation when the pair of input pieces 14a and 14b is moved by the operator. It is comprised so that it can acquire in the control part 50.
  • operation detecting means such as an encoder (not shown) that can detect the open / closed state, and the amount of operation when the pair of input pieces 14a and 14b is moved by the operator. It is comprised so that it can acquire in the control part 50.
  • the master overtube 15 includes a cylindrical channel member 16 that follows the shape of the vicinity of the tip 38a of the tube body 38 of the slave overtube 37, which will be described later, and a fixing portion 18 that fixes the channel member 16 to the work table 3. Further, the master overtube 15 has a master movement detection means such as an encoder (not shown) for detecting the position and movement amount of the master arm 4 with respect to the master overtube 15.
  • a master movement detection means such as an encoder (not shown) for detecting the position and movement amount of the master arm 4 with respect to the master overtube 15.
  • the channel member 16 shown in FIG. 3 has a substantially cylindrical shape in which the shaft 6, the master joint portion 7, and the input portion 14 of the master arm 4 can be inserted and has a C-shaped cross section.
  • the center line of the channel member 16 is linear.
  • a slit 17 into which the shaft 6 of the master arm 4 is inserted is formed in the channel member 16 so as to extend in a direction along the center line of the channel member 16.
  • the opening width of the slit 17 is set to a dimension that allows the shaft 6 of the master arm 4 to advance and retract, and to allow the inner surface of the channel member 16 to substantially surround the outer periphery of the master joint portion 7 and the end effector 33. It is preferable.
  • the master overtube 15 of the present embodiment including the channel member 16 is configured so that the master joint portion 7 is in a straight state when the master joint portion 7 is located inside the channel member 16 of the master overtube 15. Correct the master joint 7. That is, the master overtube 15 of the present embodiment is a correction jig that corrects the master joint portion 7 in a straight line.
  • the display device 19 illustrated in FIG. 1 displays an image captured by the endoscope 100 that can be attached to the slave manipulator 20, and displays various types of information output from the control unit 50 of the manipulator system 1. It is.
  • the slave manipulator 20 includes a slave arm 21 and a slave overtube 37.
  • the slave arm 21 includes a drive unit 22, a long member 25, a slave joint unit 26, and an end effector 33.
  • the drive unit 22 is disposed at the end of the long member 25 in order to operate the slave joint unit 26.
  • the drive unit 22 includes a power source unit 23 attached to the work table 3 of the master manipulator 2, and an attachment / detachment unit 24 that can be attached to and detached from the power source unit 23 and is fixed to an end of the long member 25. ing.
  • components from the detachable portion 24 to the end effector 33 in the entire slave arm 21 can be attached to and detached from the slave overtube 37 and the power source portion 23.
  • the power source unit 23 generates power for operating the slave joint unit 26 in response to an operation command issued by the control unit 50. Further, the power source unit 23 can move forward and backward with respect to the work table 3. The position of the end effector 33 at the tip of the slave arm 21 can be adjusted with respect to the second lumen 40 by the power source unit 23 moving forward and backward with respect to the work table 3. Further, the work table 3 and the power source unit 23 are configured such that the advance / retreat operation of the power source unit 23 on the work table 3 corresponds to the advance / retreat operation of the master arm 4 arranged on the work table 3. . For this reason, by moving the master arm 4 with respect to the work table 3, the slave arm 21 can be moved back and forth with respect to the second lumen 40.
  • the drive unit 22 may be configured to operate the end effector 33.
  • the drive unit 22 follows the operation on the pair of input pieces 14a and 14b of the input unit 14 and the pair of forceps pieces 34a of the grasping forceps 34 is obtained.
  • 34b are operated by wire driving, for example.
  • the attachment / detachment unit 24 is a member that can be attached to and detached from the power source unit 23 in order to transmit the power generated by the power source unit 23 to the slave joint unit 26 via a wire (not shown).
  • the detachable portion 24 has an input shaft (not shown) that meshes with an output shaft (not shown) of the power source portion 23 at an arbitrary position, for example, so that the detachable portion 24 is attached to the power source portion 23.
  • the power transmission path from the power source unit 23 to the slave joint unit 26 is configured according to the positional relationship.
  • the long member 25 is a flexible or hard member that can be inserted into the body.
  • the long member 25 when the long member 25 is a member to be inserted into the digestive tract, the long member 25 has flexibility so that it can be inserted while being curved along the curved shape of the digestive tract.
  • the slave joint portion 26 has a plurality of joint elements 27 that can be deformed following the deformation of the master joint portion 7 and an arm element 32 that connects the joint elements 27 corresponding to the configuration of the master joint portion 7.
  • the slave joint portion 26 of the present embodiment includes a first joint element 28, a second joint element 29, and a third joint element 30 in this order from the long member 25 toward the end effector 33.
  • the first joint element 28, the second joint element 29, and the third joint element 30 can operate independently from each other when power is transmitted from the drive unit 22 through a wire (not shown).
  • the first joint element 28 of the slave joint section 26 operates following the movement of the first joint element 9 when the first joint element 9 of the master joint section 7 is moved by an operation on the input section 14.
  • the end effector 33 is connected to the slave joint portion 26 for observing or treating a treatment target site in the body.
  • the end effector 33 may be an imaging unit provided with an image sensor, a treatment unit that performs incision or stitching on a treatment target region, a gripping unit that grasps a tissue or the like of the treatment target region, and the like.
  • the configuration of the end effector 33 is not particularly limited.
  • the end effector 33 of the present embodiment includes a grasping forceps 34 that can grasp a living tissue.
  • the gripping forceps 34 has a pair of forceps pieces 34a and 34b that can be opened and closed.
  • the pair of forceps pieces 34 a and 34 b are connected to the attachment / detachment portion 24 of the drive unit 22 by a wire (not shown), and operate by power transmitted from the drive unit 22 via the attachment / detachment unit 24.
  • the operation of the pair of forceps pieces 34 a and 34 b is based on an operation command issued by the control unit 50 to the drive unit 22 in response to an operation performed on the input unit 14 by the operator.
  • the slave overtube 37 includes a tube body 38, an operation unit 41, and a connection unit 42.
  • the tube body 38 is a cylindrical member having a first lumen 39 and a second lumen 40.
  • the tube body 38 may be hard or soft.
  • a known endoscope 100 provided as a part of the manipulator system 1 of the present embodiment can be attached to the first lumen 39 of the tube body 38.
  • the long member 25 of the slave arm 21, the slave joint portion 26, and the end effector 33 can be inserted into the second lumen 40 of the tube body 38.
  • a plurality of second lumens 40 are formed on the tube body 38 so that the plurality of slave arms 21 can be attached to the tube body 38.
  • the operation unit 41 is a portion that is held by an operator in order to move the tube body 38 back and forth and rotate, and is provided at the base end 38 b of the tube body 38.
  • a connection portion 42 for extending the second lumen 40 of the tube body 38 to the master manipulator 2 is attached to the operation portion 41.
  • the connecting portion 42 has an extension lumen 43 through which a part of the long member 25 of the slave arm 21 is inserted.
  • the extension lumen 43 of the connection portion 42 is formed in the connection portion 42 corresponding to the configuration of the second lumen 40 of the tube body 38.
  • control unit 50 can perform calibration for optimizing the correspondence between the slave manipulator 20 and the master manipulator 2. For example, the control unit 50 sets an initial position for associating the positional relationship between the master joint unit 7 and the slave joint unit 26 and stores the initial position.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the flow of treatment using the manipulator system 1 of the present embodiment.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a work flow when the initial position of the slave manipulator 20 is set during the treatment using the manipulator system 1.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of an initial position setting procedure in the manipulator system 1.
  • the initial position is set when the operator feels uncomfortable with respect to the operation of the slave joint portion 26 when the manipulator system 1 is started or restarted for the first time or when the manipulator system 1 is used. be able to.
  • the path length of the wire from the drive unit 22 to the slave joint unit 26 changes due to deformation of the slave manipulator 20. There is. In this case, the drive state in the drive unit 22 and the posture of the slave joint unit 26 are shifted to a relationship different from the initial correspondence relationship. In this case, the correspondence between the master joint portion 7 and the slave joint portion 26 can be eliminated by setting the following initial positions.
  • the initial position is set with the slave arm 21 and the slave overtube 37 inserted into the body.
  • the slave manipulator 20 is inserted into the body in order to treat the treatment target site (step S11 shown in FIG. 6).
  • the slave manipulator 20 is inserted into the body through a natural opening such as an anus.
  • the slave arm 21 for treating the treatment target part X1 is inserted into the second lumen 40, and the slave The end effector 33 and the slave joint portion 26 of the arm 21 are positioned in the vicinity of the tip 40 a of the second lumen 40.
  • the end effector 33 and the slave joint portion 26 of the slave arm 21 are located inside the second lumen 40 of the tube body 38 of the slave overtube 37.
  • the detachable portion 24 and the power source portion 23 are not connected, and the slave joint portion 26 can be freely deformed following the shape of the second lumen 40. It is. Further, the control unit 50 is controlled not to output an operation command to the power source unit 23 until the initial position is set, so that the slave joint unit 26 is attached in the process of attaching the detachable unit 24 to the power source unit 23. Does not operate and follows the shape of the second lumen 40.
  • the operator observes the vicinity of the treatment target site X1 with the endoscope 100 and moves the tube body 38 as necessary to a site where the vicinity of the distal end 38a of the tube body 38 can be in a linear state.
  • the shape in the vicinity of the distal end 38a of the tube body 38 can be brought into a straight state by, for example, bringing the active bending portion provided in the insertion portion of the endoscope 100 into a straight state.
  • the vicinity of the distal end 38a of the tube body 38 is substantially linear
  • the vicinity of the distal end 40a of the second lumen 40 is also substantially linear.
  • the slave joint part 26 in the second lumen 40 is substantially linear.
  • the operator of the master manipulator 2 places the master arm 4 in the channel member 16 of the master overtube 15 (see FIG. 3).
  • the movement of the master arm 4 to the channel member 16 of the master overtube 15 may be before or after the slave arm 21 is attached to the second lumen 40.
  • the operation is performed so that the master joint portion 7 is positioned inside the channel member 16. Since the channel member 16 is a cylindrical member that forms a straight line, the master joint 7 disposed inside the channel member 16 also follows the straight line.
  • the slave joint portion 26 is located in the second lumen 40, and the master joint portion 7 is located in the channel member 16, so that both the master joint portion 7 and the slave joint portion 26 are linear. It has become.
  • the control unit 50 determines the position of each joint element 8 of the master joint portion 7 and each joint of the slave joint portion 26.
  • the correspondence with the position of the element 27 is defined as an initial position and stored.
  • a switch for notifying the control unit 50 from the master manipulator 2 When both the master joint portion 7 and the slave joint portion 26 are in the above-described state in which they are linear, for example, a switch for notifying the control unit 50 from the master manipulator 2 Thus, the operator manually starts and stores the initial position.
  • the control unit 50 detects that the channel member 16 is attached to the master manipulator 2, and detects the position of each joint element 8 of the master joint unit 7 and each joint element 27 of the slave joint unit 26.
  • the correspondence with the position is defined and stored as an initial position (step S12 shown in FIG. 6).
  • the input portion 14 and the master joint portion 7 are projected from the channel member 16 by moving the master arm 4 with respect to the work table 3 (see FIG. 2).
  • the end effector 33 and the slave joint portion 26 of the slave arm 21 protrude from the tip of the second lumen 40 following the protruding operation of the input portion 14 and the master joint portion 7 from the channel member 16 (see FIG. 5).
  • the slave arm 21 is operable with the position of each joint element 27 when the slave joint portion 26 is positioned inside the second lumen 40 and is linear as the origin. That is, when the operator holds the input unit 14 provided in the master arm 4 and operates the master joint unit 7, the slave joint unit 26 operates following the operation of the master joint unit 7.
  • the operator performs treatment on the treatment target site X1 (see FIG. 5) using the input unit 14 provided on the master arm 4 (step S13 shown in FIG. 6).
  • the initial position may be reset during the treatment. For example, as shown in FIG. 7, when a desired treatment is started (step S ⁇ b> 21 shown in FIG. 7), the posture of the end effector 33 of the slave manipulator 20 with respect to the input unit 14 of the master manipulator 2 is different. If this occurs (YES in step S22 shown in FIG. 7), the initial position is reset (step S23 shown in FIG. 7).
  • the initial position is reset by drawing the master arm 4 into the channel member 16 (step S31) and initializing the tension of the wire (not shown) of the drive unit 22 (step S32).
  • step S ⁇ b> 32 after the detachable portion 24 is separated from the power source portion 23, the detachable portion 24 is attached to the power source portion 23 again.
  • the drive unit 22 may have a known configuration that keeps the wire tension constant.
  • step S33 By setting the state of the drive unit 22 after the wire tension is initialized as the initial position (step S33), when the master arm 4 is again projected from the tip 16a of the channel member 16, the input of the master manipulator 2 is performed.
  • the posture of the end effector 33 of the slave manipulator 20 with respect to the unit 14 is a posture imitating appropriately.
  • step S ⁇ b> 25 first, the master arm 4 is moved with respect to the work table 3 in order to pull the slave arm 21 back into the slave overtube 37.
  • the master arm 4 is drawn into the channel member 16 of the master overtube 15 by the movement with respect to the work table 3 (see FIG. 2).
  • the master joint portion 7 of the master arm 4 is straightened.
  • the slave joint portion 26 that operates following the operation of the master joint portion 7 becomes a straight shape by copying the master joint portion 7 (see FIG. 4).
  • the slave arm 21 is smoothly drawn into the second lumen 40 of the slave overtube 37.
  • the slave joint portion 26 is damaged by being drawn into the slave overtube 37 while the slave joint portion 26 is curved.
  • only a part of the base end side of each joint element (the first joint element 9, the second joint element 10, and the third joint element 11) of the master joint portion 7 is accommodated in the channel member 16, so that the master The slave manipulator 20 can be operated using the master manipulator 2 even in a state where some of the joint elements on the distal end side of the joint portion 7 and the end effector 33 protrude from the channel member 16.
  • a portion corresponding to the master joint portion 7 protruding from the channel member 16 can be driven.
  • the slave manipulator 20 is located near the treatment target site by the slave overtube 37 inserted into the body and the master overtube 15 provided in the master manipulator 2. It is possible to easily define the initial position of the slave joint portion 26 in a state where is positioned. As a result, according to the manipulator system 1 of the present embodiment, calibration can be easily performed with a simple configuration.
  • FIG. 9 is a schematic partial cross-sectional view showing a partial configuration of the medical master-slave manipulator system 1A of the present embodiment.
  • the master overtube 15 is provided with a movable table 18 ⁇ / b> A (base) that is movable with respect to the work table 3 instead of including the fixing unit 18 disclosed in the first embodiment. Stand).
  • the position of the channel member 16 relative to the master arm 4 can be adjusted by moving the master overtube 15 relative to the work table 3.
  • the positional relationship of the master arm 4 with respect to the channel member 16 of the master manipulator 2 can be matched with the positional relationship of the slave arm 21 with respect to the second lumen 40 of the slave manipulator 20.
  • the work table 3 may move with respect to the master overtube 15. Also in this case, the position of the channel member 16 with respect to the master arm 4 can be adjusted.
  • FIG. 10 is a schematic partial cross-sectional view showing a part of the master manipulator of the medical master-slave manipulator system 1B of the present embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic partial cross-sectional view showing a part of the slave manipulator in the manipulator system 1B.
  • the medical master-slave manipulator system 1B includes a master joint 7A and a slave joint that have different configurations from the master joint 7 and the slave joint 26 disclosed in the first embodiment. 26A.
  • the master joint portion 7A of the present embodiment has a master-side roll shaft joint 12 that rotates the master joint portion 7A around the tip 6a of the shaft 6 as a joint element 8 that connects the shaft 6 and the master joint portion 7A. is doing.
  • the master side roll shaft joint 12 allows the input portion 14 and the master joint portion 7A to rotate with respect to the shaft 6. Further, the master side roll shaft joint 12 includes a rotation amount detecting means including an encoder (not shown) that detects the rotation amount of the master side roll shaft joint 12, and the master side roll shaft joint 12 and the master joint portion 7 ⁇ / b> A and the input unit 14. And a rotation amount measuring means that enables the operator to visually measure the amount of rotation.
  • a part of the outer wall of the channel member 16 is transparent in the vicinity of the tip 16 a of the channel member 16 and has a scale at a predetermined angle in the circumferential direction of the channel member 16.
  • Examples of the configuration include a sensor that measures the rotation amount of the master joint portion 7A or the input unit 14 with respect to the channel member 16 and displays the rotation amount on the display device 19.
  • the slave joint portion 26A of the present embodiment is a slave-side roll shaft that rotates the slave joint portion 26 around the center line of the long member 25 as a joint element 27 that connects the long member 25 and the slave joint portion 26A. It has a joint 31.
  • the slave-side roll shaft joint 31 operates in response to an operation command from the control unit 50 by a wire (not shown) extending from the drive unit 22 to the slave joint unit 26A.
  • the slave-side roll shaft joint 31 when the master-side roll shaft joint 12 of the master joint portion 7 ⁇ / b> A is rotated, the slave-side roll shaft joint 31 operates following the operation of the master-side roll shaft joint 12.
  • the rotational positions of the end effector 33 and the slave joint portion 26 ⁇ / b> A can be grasped by observation using the endoscope 100 attached to the first lumen 39 provided in the slave overtube 37.
  • the master-side roll shaft joint 12 is connected to the master joint unit 7A and the input unit around the center line of the master arm 4.
  • the rotational positions of the input section 14 and the master joint section 7A can be matched with the rotational positions of the end effector 33 and the slave joint section 26A.
  • the angle of the end effector 33 and the slave joint portion 26A in the circumferential direction of the second lumen 40 is grasped by observation using the endoscope 100, and the scale provided on the channel member 16 is used, The slave-side roll shaft joint 31 is rotated with respect to the channel member 16 so as to coincide with the angles of the end effector 33 and the slave joint portion 26A.
  • the calibration which eliminates the position shift in the rotation direction of the input part 14 and the master joint part 7A with respect to the end effector 33 and the slave joint part 26A can be easily performed.
  • the master-side roll axis joint is detected when there is a positional deviation in the rotation direction of the master arm 4 with respect to the slave arm 21. By rotating 12, the displacement can be eliminated.
  • FIG. 12 is a schematic partial cross-sectional view showing a part of the master manipulator of the medical master-slave manipulator system 1C of the present embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a part of the slave manipulator in the manipulator system 1C.
  • the medical master-slave manipulator system 1 ⁇ / b> C includes a position sensor 51 and an attachment / detachment switching mechanism 52 in addition to the manipulator system 1 disclosed in the first embodiment. .
  • the position sensor 51 detects whether or not the position of the master arm 4 with respect to the channel member 16 in the center line direction of the channel member 16 is at a predetermined position.
  • the attachment / detachment switching mechanism 52 permits or prohibits the attachment / detachment operation of the attachment / detachment unit 24 and the power source unit 23 in accordance with the detection state of the position sensor 51.
  • the control unit 50 of the medical master-slave manipulator system 1 ⁇ / b> C controls the attachment / detachment switching mechanism 52 to operate according to the detection state of the position sensor 51.
  • the position sensor 51 emits a predetermined signal that can be referred to by the control unit 50 when the input unit 14 protrudes from the tip 16a of the channel member 16.
  • the position sensor 51 uses the space near the tip 16a of the channel member 16 as a predetermined detection area, and emits the above signal when an object is present in this detection area.
  • the attachment / detachment switching mechanism 52 includes a restriction member 53 that can enter a part of the attachment / detachment position with respect to the attachment / detachment unit 24 and a moving unit 54 that moves the restriction member 53 in accordance with control from the control unit 50. Have. In a state where the regulating member 53 has entered the attachment / detachment position, the attachment / detachment portion 24 cannot be attached to the power source portion 23.
  • the control unit 50 controls the attachment / detachment switching mechanism 52 so that the restriction member 53 enters the attachment / detachment position when the position sensor 51 detects that the predetermined signal is generated.
  • the control unit 50 detects that the position sensor 51 has stopped the predetermined signal, the control unit 50 moves the regulating member 53 to the outside of the attachment / detachment position.
  • control unit 50 allows the attachment / detachment unit 24 to be attached to the power source unit 23 when it is determined that the input unit 14 is located inside the channel member 16. Conversely, when the control unit 50 determines that the input unit 14 protrudes to the outside from the tip 16 a of the channel member 16, the control unit 50 prohibits attachment of the detachable unit 24 to the power source unit 23.
  • the master joint portion 7 In a state where the input unit 14 is located inside the channel member 16, the master joint portion 7 is also located inside the channel member 16. Therefore, the master joint portion 7 preferably uses the calibration disclosed in the first embodiment. It is in a straight line state for execution. In a state where the input portion 14 protrudes from the tip end 16 a of the channel member 16, the input portion 14, the master joint portion 7, etc. protrude from the tip end 16 a of the channel member 16 to the outside of the channel member 16. May not be in an appropriate straight line state.
  • connection between the power source unit 23 and the detachable unit 24 is allowed only when the master joint unit 7 is in a suitable linear state and is positioned in the channel member 16, calibration is performed. However, it is possible to prevent the calibration from being performed in an inappropriate positional relationship.
  • a medical master-slave manipulator system that can be easily calibrated with a simple configuration can be provided.

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Abstract

　この医療用マスタースレーブマニピュレータシステムの矯正治具は、前記矯正治具がマスターマニピュレータに取り付けられた状態で、前記マスターマニピュレータの関節を直線状態に規制する。

Description

医療用マスタースレーブマニピュレータシステム
　本発明は、医療用マスタースレーブマニピュレータシステムに関する。
　本願は、２０１５年２月２６日に日本国に出願された特願２０１５－０３７２８７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムが知られている（たとえば特許文献１、２参照）。
　マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムは、マスターマニピュレータに対する操作に倣ってスレーブマニピュレータを動作させるシステムである。マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムでは、マスターマニピュレータの位置や姿勢にスレーブマニピュレータが適切に追従する必要がある。
　このため、例えば特許文献１、２に開示されたシステムでは、マスターマニピュレータに対するスレーブマニピュレータの追従精度を維持するためのキャリブレーションが行われることが好ましい。
日本国特開２００９－２４７６１９号公報 日本国特開２０１０－０３５８７４号公報
　マスタースレーブ方式の医療用マニピュレータシステムは、マスターマニピュレータ及びスレーブマニピュレータがそれぞれ関節を有している。マスターマニピュレータの関節とスレーブマニピュレータの関節とは、電気的な操作指令により追従動作可能となるように電気的に接続されている。マスターマニピュレータの関節とスレーブマニピュレータの関節との間に機械的な接続がない場合、マスターマニピュレータの関節に対するスレーブマニピュレータの関節の位置ずれが生じる場合が考えられる。しかしながら、各関節の位置を検知するセンサを関節ごとに有していれば、位置ずれを矯正するためのキャリブレーションをすることができる。
　しかしながら、マスターマニピュレータの関節のセンサ及びスレーブマニピュレータの関節のセンサからの情報を用いたキャリブレーションは各センサが正常動作していることを前提としている。このため、各センサのキャリブレーションが別途必要になるなど、キャリブレーションに係る作業負担が大きい。また、関節ごとにセンサを有する構成では構造が複雑になってしまい小型化が難しい。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で容易にキャリブレーションを行うことができる医療用マスタースレーブマニピュレータシステムを提供することを目的とする。
　本発明の第一の態様によれば、医療用マスタースレーブマニピュレータシステムは、エンドエフェクタ及び関節を有するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータの前記関節と相似な形状の関節を有し前記スレーブマニピュレータを動作させるための操作が入力されるマスターマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを動作させるための操作指令を前記マスターマニピュレータに対して入力される操作に基づいて生成して前記スレーブマニピュレータへ出力する制御部と、前記スレーブマニピュレータが挿通される筒状のオーバーチューブと、前記マスターマニピュレータを前記オーバーチューブの内部形状に倣った形状に矯正するために前記オーバーチューブの少なくとも一部と相似な形状を有し前記マスターマニピュレータに取り付け可能な矯正治具と、を備える。前記矯正治具は、前記矯正治具が前記マスターマニピュレータに取り付けられた状態で前記マスターマニピュレータの前記関節を直線状態に規制する。
　本発明の第二の態様によれば、前記第一の態様に係る医療用マスタースレーブマニピュレータシステムにおいて、前記制御部は、前記矯正治具が前記マスターマニピュレータに取り付けられたことを検知したときに前記スレーブマニピュレータが前記オーバーチューブ内に移動するように前記スレーブマニピュレータと前記オーバーチューブとを相対移動させる操作指令を生成して前記スレーブマニピュレータへ出力し、前記スレーブマニピュレータが前記オーバーチューブ内に位置し且つ前記マスターマニピュレータに前記矯正治具が取り付けられている状態で、前記マスターマニピュレータの前記関節に対応する前記スレーブマニピュレータの前記関節の位置を前記スレーブマニピュレータにおける前記関節の原点位置として設定してもよい。
　本発明の第三の態様によれば、前記第一の態様に係る医療用マスタースレーブマニピュレータシステムにおいて、前記矯正治具は、前記マスターマニピュレータの前記関節を前記オーバーチューブの内部に配された前記スレーブマニピュレータの前記関節の形状に倣った形状に保持するチャンネル部材と、前記マスターマニピュレータに対して前記チャンネル部材を移動させる基台と、を有していてもよい。
　本発明の第四の態様によれば、前記第一の態様に係る医療用マスタースレーブマニピュレータシステムにおいて、前記矯正治具は、前記マスターマニピュレータの前記関節を前記オーバーチューブの内部に配された前記スレーブマニピュレータの前記関節の形状に倣った形状に保持するチャンネル部材と、前記チャンネル部材を保持する基台と、を有していてもよい。前記マスターマニピュレータは、前記チャンネル部材に少なくとも前記マスターマニピュレータの前記関節が取り付けられるように前記チャンネル部材に対して移動可能であってもよい。
　本発明の第五の態様によれば、前記第四の態様に係る医療用マスタースレーブマニピュレータシステムにおいて、前記マスターマニピュレータは、作業台と、前記エンドエフェクタに対応する入力部と、前記マスターマニピュレータの前記関節と、を有するマスターアームと、を有していてもよい。前記チャンネル部材は、前記マスターアームが前記作業台に対して位置決めされた状態で前記マスターアームに対して相対移動及び固定可能となるように前記作業台に配されていてもよい。
　本発明の第六の態様によれば、前記第一の態様に係る医療用マスタースレーブマニピュレータシステムにおいて、前記矯正治具は、前記マスターマニピュレータを内部に挿通可能であり前記オーバーチューブと相似形状をなすチャンネル部材と、前記チャンネル部材において前記マスターマニピュレータが前記チャンネル部材の周方向に回転する回転量を計測するための回転量計測手段と、を有していてもよい。
　本発明の第七の態様によれば、前記第一の態様に係る医療用マスタースレーブマニピュレータシステムにおいて、前記制御部は、前記マスターマニピュレータに前記矯正治具が取り付けられた位置関係にあるか否かを前記制御部の起動時に判定して、前記マスターマニピュレータに前記矯正治具が取り付けられた位置関係にない場合には前記マスターマニピュレータに前記矯正治具が取り付けられた位置関係となるまで前記スレーブマニピュレータの制御を停止してもよい。
　本発明によれば、簡易な構成で容易にキャリブレーションを行うことができる医療用マスタースレーブマニピュレータシステムを提供することができる。
本発明の第１実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステムの全体図である。 前記マニピュレータシステムのマスターマニピュレータの一部を示す模式図である。 前記マスターマニピュレータの一部を模式的に示す部分断面図である。 前記マニピュレータシステムのスレーブマニピュレータの一部を示す図で、スレーブマニピュレータの一部が体内に挿入されている状態を示す模式的な断面図である。 前記スレーブマニピュレータのエンドエフェクタを用いて処置を行う一過程を模式的に示す部分断面図である。 前記マニピュレータシステムを使用した処置の流れを示すフローチャートである。 前記マニピュレータシステムを使用した処置の最中にスレーブマニピュレータの初期位置の設定をする場合の作業の流れを示すフローチャートである。 前記マニピュレータシステムにおける初期位置の設定手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステムの一部の構成を示す模式的な部分断面図である。 本発明の第３実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステムのマスターマニピュレータの一部を示す模式的な部分断面図である。 前記実施形態のマニピュレータシステムにおけるスレーブマニピュレータの一部を示す模式的な部分断面図である。 本発明の第４実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステムのマスターマニピュレータの一部を示す模式的な部分断面図である。 前記実施形態のマニピュレータシステムにおけるスレーブマニピュレータの一部を示す模式図である。
（第１実施形態）
　本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステムの全体図である。図２は、前記マニピュレータシステムのマスターマニピュレータの一部を示す模式図である。図３は、前記マスターマニピュレータの一部を模式的に示す部分断面図である。図４は、前記マニピュレータシステムのスレーブマニピュレータの一部を示す図で、スレーブマニピュレータの一部が体内に挿入されている状態を示す模式的な断面図である。図５は、前記スレーブマニピュレータのエンドエフェクタを用いて処置を行う一過程を模式的に示す部分断面図である。
　図１に示すように、本実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム１（以下、単にマニピュレータシステム１という。）は、マスターマニピュレータ２と、スレーブマニピュレータ２０と、制御部５０とを有する。
　図１から図３までに示すように、マスターマニピュレータ２は、作業台３と、マスターアーム４と、マスターオーバーチューブ１５と、表示装置１９とを備えている。
　作業台３には、マスターアーム４、マスターオーバーチューブ１５、及び表示装置１９が取り付けられている。
　マスターアーム４は、台座５と、シャフト６と、マスター関節部７と、入力部１４とを備えている。
　台座５は、作業台３に対して所定の直線方向に移動可能となるように作業台３に接続又は載置されている。また、台座５は、マスターアーム４のシャフト６に接続されている。
　シャフト６は、マスターオーバーチューブ１５のチャンネル部材１６内に挿通可能な棒状又は筒状の部材である。
　マスター関節部７は、シャフト６の両端のうち台座５に連結されている端とは反対側の端（以下、この端をシャフト６の先端６ａという）に連結されている。マスター関節部７は、複数の関節要素８を有している。本実施形態では、シャフト６の先端６ａから入力部１４へ向かって、第一関節要素９、第二関節要素１０、及び第三関節要素１１をこの順に有している。マスター関節部７に設けられた各関節要素８は、棒状のアーム要素１３により連結されている。
　第一関節要素９、第二関節要素１０、及び第三関節要素１１は、入力部１４に対して入力を行う操作者から入力部１４を介してマスター関節部７に伝わる力によって屈曲や回転等所定の軸に対応して動かされる。第一関節要素９、第二関節要素１０、及び第三関節要素１１は、互いに独立して、又は連動して動作することにより、入力部１４に対する操作に対応してマスター関節部７を変形させる。第一関節要素９、第二関節要素１０、及び第三関節要素１１は、不図示のエンコーダなどの位置情報取得手段を有しており、第一関節要素９、第二関節要素１０、及び第三関節要素１１が入力部１４からの力により動かされた際の動作量を制御部５０において取得することができるように構成されている。
　入力部１４は、マスター関節部７の両端のうちシャフト６の先端６ａに連結されている端とは反対側の端（以下、この端をマスター関節部７の先端７ａをいう）に配されている。
　入力部１４は、操作者が手に持って移動させることができる。なお、入力部１４は、スレーブアーム２１に設けられたエンドエフェクタ３３（図４及び図５参照）の構成に対応してエンドエフェクタ３３を動作させることができるように構成されていてもよい。
　一例を挙げると、本実施形態では、たとえば処置対象物等を把持可能な把持鉗子３４をエンドエフェクタ３３が有している場合、入力部１４は、エンドエフェクタ３３の把持鉗子３４に対応して処置対象物の把持動作の入力をすることができるように構成される。また、入力部１４は、エンドエフェクタ３３の形状に似せた形状であってもよい。たとえば、エンドエフェクタ３３が上記の把持鉗子３４を有している場合、把持鉗子３４を構成する一対の開閉可能な鉗子片３４ａ、３４ｂと同様に開閉動作可能な一対の入力片１４ａ、１４ｂが入力部１４に設けられていてもよい。この場合、一対の入力片１４ａ、１４ｂは、開閉状態を検知可能な不図示のエンコーダなどの動作検知手段を有し、一対の入力片１４ａ、１４ｂが操作者により動かされた際の動作量を制御部５０において取得することができるように構成される。
　マスターオーバーチューブ１５は、後述するスレーブオーバーチューブ３７のチューブ体３８の先端３８ａ近傍の形状に倣った筒状のチャンネル部材１６と、チャンネル部材１６を作業台３に固定する固定部１８とを有する。また、マスターオーバーチューブ１５は、マスターオーバーチューブ１５に対するマスターアーム４の位置や移動量を検知するための不図示のエンコーダなどのマスター移動検知手段を有している。
　図３に示すチャンネル部材１６は、マスターアーム４のシャフト６、マスター関節部７、及び入力部１４が内部に挿入可能でありＣ字状の断面をなす略筒状形状を有している。チャンネル部材１６の中心線は直線状である。
　チャンネル部材１６には、マスターアーム４のシャフト６が挿入されるスリット１７が、チャンネル部材１６の中心線に沿った方向に延びて形成されている。スリット１７の開き幅は、マスターアーム４のシャフト６が進退可能となる寸法であるとともに、マスター関節部７及びエンドエフェクタ３３の外周をチャンネル部材１６の内面が略囲うことができる寸法に設定されることが好ましい。スリット１７の開き幅は、シャフト６が好適に進退できる限度において狭い方が、チャンネル部材１６内に配されたマスターアーム４を、スレーブオーバーチューブ３７内に配されたスレーブアーム２１に精度よく倣った直線状とすることができる。
　チャンネル部材１６を備えた本実施形態のマスターオーバーチューブ１５は、マスターオーバーチューブ１５のチャンネル部材１６の内部にマスター関節部７が位置している状態においてマスター関節部７が直線状態となるように、マスター関節部７を矯正する。すなわち、本実施形態のマスターオーバーチューブ１５は、マスター関節部７を直線状に矯正する矯正治具である。
　図１に示す表示装置１９は、スレーブマニピュレータ２０に取り付け可能な内視鏡１００によって撮像される映像を表示したり、マニピュレータシステム１の制御部５０から出力される各種の情報を表示したりする装置である。
　図１、図４、及び図５に示すように、スレーブマニピュレータ２０は、スレーブアーム２１と、スレーブオーバーチューブ３７とを備えている。
　スレーブアーム２１は、駆動部２２と、長尺部材２５と、スレーブ関節部２６と、エンドエフェクタ３３とを備えている。
　駆動部２２は、スレーブ関節部２６を動作させるために、長尺部材２５の端部に配されている。駆動部２２は、マスターマニピュレータ２の作業台３に取り付けられた動力源部２３と、動力源部２３に対して着脱可能で長尺部材２５の端部に固定された着脱部２４とを有している。本実施形態では、スレーブアーム２１の全体のうち着脱部２４からエンドエフェクタ３３に至るまでの構成要素は、スレーブオーバーチューブ３７及び動力源部２３に対して取り付け及び取り外しが可能である。
　動力源部２３は、制御部５０が発する操作指令に対応してスレーブ関節部２６を動作させるための動力を発生させる。
　また、動力源部２３は、作業台３に対して進退移動可能である。動力源部２３が作業台３に対して進退することにより、スレーブアーム２１の先端にあるエンドエフェクタ３３の位置を第二ルーメン４０に対して調整することができる。また、作業台３及び動力源部２３は、作業台３上での動力源部２３の進退動作と、作業台３に配されたマスターアーム４の進退動作とが対応するように構成されている。このため、マスターアーム４を作業台３に対して移動させることにより、第二ルーメン４０に対するスレーブアーム２１の進退移動をさせることができる。
　なお、駆動部２２がエンドエフェクタ３３を動作させることができるように構成されていてもよい。たとえばスレーブアーム２１がエンドエフェクタ３３として把持鉗子３４を有している場合には、上記の入力部１４の一対の入力片１４ａ、１４ｂに対する操作に従って駆動部２２が把持鉗子３４の一対の鉗子片３４ａ、３４ｂをたとえばワイヤ駆動で動作させる。
　着脱部２４は、動力源部２３が発する動力を不図示のワイヤを介してスレーブ関節部２６に伝達するために動力源部２３に対して着脱可能な部材である。着脱部２４は、例えば、動力源部２３の不図示の出力軸に対して任意の位置で噛み合う不図示の入力軸を有していることにより、動力源部２３に着脱部２４が装着されたときの位置関係で動力源部２３からスレーブ関節部２６までの動力伝達経路を構成する。
　長尺部材２５は、体内に挿入可能な柔軟な又は硬質な部材である。たとえば長尺部材２５が消化管内に挿入される部材である場合には、長尺部材２５は、消化管の湾曲形状に沿って湾曲しながら挿入することができるように可撓性を有する。
　スレーブ関節部２６は、マスター関節部７の構成に対応して、マスター関節部７の変形に倣って変形可能な複数の関節要素２７と、各関節要素２７を繋ぐアーム要素３２とを有する。本実施形態のスレーブ関節部２６は、長尺部材２５からエンドエフェクタ３３へ向かって、第一関節要素２８と、第二関節要素２９と、第三関節要素３０とをこの順に有している。
　第一関節要素２８、第二関節要素２９、及び第三関節要素３０は、駆動部２２から不図示のワイヤを介して動力が伝達されることにより、互いに独立して動作可能である。たとえばスレーブ関節部２６の第一関節要素２８は、マスター関節部７の第一関節要素９が入力部１４に対する操作により動かされたときに、第一関節要素９の動きに倣って動作する。
　エンドエフェクタ３３は、体内で処置対象部位等に対する観察や処置等をするためにスレーブ関節部２６に連結されている。エンドエフェクタ３３は、イメージセンサを備えた撮像部や、処置対象部位に対して切開や縫合などをする処置部や、処置対象部位の組織等を把持する把持部などであってよい。エンドエフェクタ３３の構成は特に限定されない。たとえば、本実施形態のエンドエフェクタ３３は、生体組織を把持可能な把持鉗子３４を有している。
　把持鉗子３４は、開閉動作可能な一対の鉗子片３４ａ、３４ｂを有している。一対の鉗子片３４ａ、３４ｂは、不図示のワイヤにより駆動部２２の着脱部２４と連結されており、着脱部２４を介して駆動部２２から伝わる動力により動作する。一対の鉗子片３４ａ、３４ｂの動作は、入力部１４に対して操作者が行った操作に対応して制御部５０が駆動部２２に発する操作指令に基づいている。
　スレーブオーバーチューブ３７は、チューブ体３８と、操作部４１と、接続部４２とを備えている。
　チューブ体３８は、第一ルーメン３９と第二ルーメン４０とを有する筒状部材である。チューブ体３８は、硬性であってもよいし軟性であってもよい。たとえばチューブ体３８が消化管内に挿入される場合には、チューブ体３８は軟性であり消化管の湾曲形状に倣って変形可能である。
　チューブ体３８の第一ルーメン３９には、本実施形態のマニピュレータシステム１の一部として設けられる公知の内視鏡１００を取り付けることができる。
　チューブ体３８の第二ルーメン４０には、スレーブアーム２１の長尺部材２５、スレーブ関節部２６、及びエンドエフェクタ３３を挿通することができる。本実施形態では複数のスレーブアーム２１をチューブ体３８に取り付けることができるようにするために、複数の第二ルーメン４０（本実施形態ではたとえば２つ）がチューブ体３８に形成されている。
　操作部４１は、チューブ体３８を進退させたり回転させたりするために操作者が把持する部分であり、チューブ体３８の基端３８ｂに設けられている。操作部４１には、チューブ体３８の第二ルーメン４０をマスターマニピュレータ２まで延長するための接続部４２が取り付けられている。
　接続部４２は、スレーブアーム２１の長尺部材２５の一部が挿通される延長ルーメン４３を有している。接続部４２の延長ルーメン４３は、チューブ体３８の第二ルーメン４０の構成に対応して接続部４２に形成されている。
　図１に示す制御部５０は、マスターマニピュレータ２の入力部１４に対する入力操作に対応して動力源部２３を動作させるための操作指令を生成して動力源部２３へ出力する。また、制御部５０は、スレーブマニピュレータ２０とマスターマニピュレータ２との対応付けの最適化のためのキャリブレーションを行うことができる。たとえば、制御部５０は、マスター関節部７とスレーブ関節部２６との位置関係を対応付けるための初期位置の設定を行って初期位置を記憶する。
　制御部５０において実行されるキャリブレーションの一例として、スレーブ関節部２６の初期位置の設定手順について説明する。図６は、本実施形態のマニピュレータシステム１を使用した処置の流れを示すフローチャートである。図７は、マニピュレータシステム１を使用した処置の最中にスレーブマニピュレータ２０の初期位置の設定をする場合の作業の流れを示すフローチャートである。図８は、マニピュレータシステム１における初期位置の設定手順の一例を示すフローチャートである。
　本実施形態では、例えばマニピュレータシステム１の初回起動時や再起動時、あるいはマニピュレータシステム１の使用時においてスレーブ関節部２６の動作に関して操作者が違和感を覚えたときなどに、初期位置の設定をすることができる。
　また、体内において複雑に湾曲した部位にスレーブマニピュレータ２０が挿入されている場合には、駆動部２２からスレーブ関節部２６に至るまでのワイヤの経路長がスレーブマニピュレータ２０の変形により変化している場合がある。この場合には、駆動部２２における駆動状態と、スレーブ関節部２６の姿勢とが初期の対応関係とは異なる関係にずれてしまう。この場合、以下の初期位置の設定によりマスター関節部７とスレーブ関節部２６とを対応関係のずれを解消することもできる。
　初期位置の設定は、スレーブアーム２１及びスレーブオーバーチューブ３７が体内に挿入された状態で行われる。
　処置対象部位に対する処置をするために、スレーブマニピュレータ２０が体内へと挿入される（図６に示すステップＳ１１）。本実施形態では、スレーブマニピュレータ２０は、例えば肛門等の自然開口を介して体内へと挿入される。
　内視鏡１００が処置対象部位Ｘ１を視野に捉えている状態（たとえば図４参照）で、この処置対象部位Ｘ１に対して処置をするためのスレーブアーム２１を第二ルーメン４０に挿通し、スレーブアーム２１のエンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６を、第二ルーメン４０の先端４０ａの近傍に位置させる。処置対象部位Ｘ１に対する処置を開始する前は、スレーブアーム２１のエンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６は、スレーブオーバーチューブ３７のチューブ体３８の第二ルーメン４０の内部に位置している。第二ルーメン４０に対してスレーブアーム２１を挿入する過程では、着脱部２４と動力源部２３とは接続されておらず、スレーブ関節部２６は第二ルーメン４０の形状に倣って自在に変形可能である。また、制御部５０は、初期位置の設定がされるまでは操作指令を動力源部２３に出力しないように制御されることにより、動力源部２３に対する着脱部２４の取付け過程ではスレーブ関節部２６は動作せずに第二ルーメン４０の形状に倣っている。
　続いて、操作者は、内視鏡１００により処置対象部位Ｘ１の近傍を観察し、チューブ体３８の先端３８ａ近傍を直線状態とすることができる部位まで、必要に応じてチューブ体３８を移動させる。チューブ体３８の先端３８ａ近傍の形状は、例えば内視鏡１００の挿入部に設けられた能動湾曲部を直線状態とすることにより、直線状態にすることができる。本実施形態では、チューブ体３８の先端３８ａ近傍の領域のうち、スレーブ関節部２６が位置する領域が直線状態となることが好ましい。なお、チューブ体３８の先端３８ａ近傍が厳密な直線状であることは要しない。
　チューブ体３８の先端３８ａ近傍が略直線状となっているときには、第二ルーメン４０の先端４０ａ近傍も略直線状である。このため、第二ルーメン４０内のスレーブ関節部２６は略直線状である。
　次に、マスターマニピュレータ２の操作者が、マスターアーム４をマスターオーバーチューブ１５のチャンネル部材１６内に配置する（図３参照）。マスターオーバーチューブ１５のチャンネル部材１６へのマスターアーム４の移動は、第二ルーメン４０に対するスレーブアーム２１の取付けの前であってもよいし後であってもよい。このとき、チャンネル部材１６の内部にマスター関節部７が位置するように操作される。
　チャンネル部材１６は直線状をなす筒状部材であるので、チャンネル部材１６の内部に配されたマスター関節部７も直線状に倣っている。
　このように、第二ルーメン４０内にスレーブ関節部２６が位置し、さらにチャンネル部材１６内にマスター関節部７が位置することで、マスター関節部７とスレーブ関節部２６との両方が直線状となっている。
　制御部５０は、マスター関節部７とスレーブ関節部２６との両方が直線状とされた上記の状態であるときに、マスター関節部７の各関節要素８の位置とスレーブ関節部２６の各関節要素２７の位置との対応関係を初期位置として定義して保存する。本実施形態では、マスター関節部７とスレーブ関節部２６との両方が直線状とされた上記の状態であるときに、例えばマスターマニピュレータ２から制御部５０に対してその旨を通知するためのスイッチなどにより、初期位置の定義及び保存を操作者が手動で開始する。制御部５０は、上記の通知に基づき、チャンネル部材１６がマスターマニピュレータ２に取り付けられたことを検知して、マスター関節部７の各関節要素８の位置とスレーブ関節部２６の各関節要素２７の位置との対応関係を初期位置として定義して保存する（図６に示すステップＳ１２）。
　初期位置が保存されたら、作業台３に対してマスターアーム４を移動させることによって、チャンネル部材１６から入力部１４及びマスター関節部７を突出させる（図２参照）。チャンネル部材１６からの入力部１４及びマスター関節部７の突出操作に倣って、スレーブアーム２１のエンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６が第二ルーメン４０の先端から突出する（図５参照）。
　スレーブアーム２１は、第二ルーメン４０の内部にスレーブ関節部２６が位置して直線状であったときの各関節要素２７の位置を原点として動作可能である。すなわち、マスターアーム４に設けられた入力部１４を操作者が把持してマスター関節部７を動作させると、スレーブ関節部２６はマスター関節部７の動作に倣って動作する。
　操作者は、マスターアーム４に設けられた入力部１４を使用して処置対象部位Ｘ１（図５参照）に対して処置を行う（図６に示すステップＳ１３）。
　処置の最中に初期位置の再設定をする場合もある。
　たとえば図７に示すように、ある所望の処置を開始して（図７に示すステップＳ２１）処置を進めている時に、マスターマニピュレータ２の入力部１４に対するスレーブマニピュレータ２０のエンドエフェクタ３３の姿勢に差が生じた場合（図７に示すステップＳ２２においてＹＥＳ）、初期位置を再設定する（図７に示すステップＳ２３）。
　初期位置の再設定は、図８に示すように、マスターアーム４をチャンネル部材１６内に引き込み（ステップＳ３１）、駆動部２２の不図示のワイヤの張力を初期化する（ステップＳ３２）。ワイヤの張力の初期化の方法の一例として、ステップＳ３２で、動力源部２３に対して着脱部２４を離間させたのちに再度着脱部２４を動力源部２３に取り付ける。なお、ワイヤの張力を一定に保つ公知の構成を駆動部２２が有していてもよい。
　ワイヤの張力が初期化された後の駆動部２２の状態を初期位置として設定する（ステップＳ３３）ことにより、その後再びマスターアーム４をチャンネル部材１６の先端１６ａから突出させると、マスターマニピュレータ２の入力部１４に対するスレーブマニピュレータ２０のエンドエフェクタ３３の姿勢は適切に倣った姿勢となる。
　スレーブアーム２１を使用した処置が終了したら（図７に示すステップＳ２４においてＹＥＳ）、図５に示すスレーブマニピュレータ２０を体外へ抜去する（ステップＳ２５）。ステップＳ２５では、まず、スレーブアーム２１をスレーブオーバーチューブ３７内に引き戻すために、マスターアーム４を作業台３に対して移動させる。マスターアーム４は、作業台３に対する移動により、マスターオーバーチューブ１５のチャンネル部材１６の内部へと引き込まれる（図２参照）。チャンネル部材１６内にマスターアーム４が引き込まれることにより、マスターアーム４のマスター関節部７は直線状に矯正される。マスター関節部７の動作に倣って動作するスレーブ関節部２６は、マスター関節部７が直線状とされることにより倣って直線状となる（図４参照）。このため、スレーブアーム２１はスムーズにスレーブオーバーチューブ３７の第二ルーメン４０へと引き込まれる。その結果、スレーブ関節部２６が湾曲した状態のままスレーブオーバーチューブ３７に引き込まれてスレーブ関節部２６が破損する可能性がない。
　また、マスター関節部７の各関節要素（第一関節要素９、第二関節要素１０、及び第三関節要素１１）のうち基端側の一部のみをチャンネル部材１６内に収容して、マスター関節部７の先端側の一部の関節要素及びエンドエフェクタ３３をチャンネル部材１６から突出させた状態でもマスターマニピュレータ２を用いてスレーブマニピュレータ２０を動作させることができる。この場合、スレーブマニピュレータ２０のスレーブ関節部２６の全体のうち、チャンネル部材１６から突出しているマスター関節部７に対応する部分が駆動可能である。
　以上に説明したように、本実施形態のマニピュレータシステム１では、体内に挿入されるスレーブオーバーチューブ３７と、マスターマニピュレータ２に設けられたマスターオーバーチューブ１５とによって、処置対象部位の近傍にスレーブマニピュレータ２０が位置している状態でスレーブ関節部２６の初期位置を容易に定義することができる。
　その結果、本実施形態のマニピュレータシステム１によれば、簡易な構成で容易にキャリブレーションを行うことができる。
（第２実施形態）
　本発明の第２実施形態について説明する。図９は、本実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム１Ａの一部の構成を示す模式的な部分断面図である。
　図９に示すように、本実施形態では、マスターオーバーチューブ１５が、第１実施形態に開示された固定部１８を備えることに代えて、作業台３に対して移動可能な移動台１８Ａ（基台）を備えている。
　本実施形態では、マスターオーバーチューブ１５が作業台３に対して移動することにより、マスターアーム４に対するチャンネル部材１６の位置調整が可能である。たとえば、スレーブマニピュレータ２０の第二ルーメン４０に対するスレーブアーム２１の位置関係に対応して、マスターマニピュレータ２のチャンネル部材１６に対するマスターアーム４の位置関係を合わせることができる。
　また、マスターオーバーチューブ１５に対して作業台３が移動するようになっていてもよい。この場合にもマスターアーム４に対するチャンネル部材１６の位置調整が可能である。
（第３実施形態）
　本発明の第３実施形態について説明する。図１０は、本実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム１Ｂのマスターマニピュレータの一部を示す模式的な部分断面図である。図１１は、マニピュレータシステム１Ｂにおけるスレーブマニピュレータの一部を示す模式的な部分断面図である。
　図１０及び図１１に示すように、医療用マスタースレーブマニピュレータシステム１Ｂは、上記第１実施形態に開示されたマスター関節部７及びスレーブ関節部２６とは構成が異なるマスター関節部７Ａ及びスレーブ関節部２６Ａを有している。
　本実施形態のマスター関節部７Ａは、シャフト６とマスター関節部７Ａとを接続する関節要素８として、シャフト６の先端６ａを回転中心としてマスター関節部７Ａを回転させるマスター側ロール軸関節１２を有している。
　マスター側ロール軸関節１２により、入力部１４及びマスター関節部７Ａはシャフト６に対して回転可能である。また、マスター側ロール軸関節１２は、マスター側ロール軸関節１２の回転量を検知する不図示のエンコーダ等からなる回転量検知手段と、マスター側ロール軸関節１２によってマスター関節部７Ａ及び入力部１４が回転した量を操作者が目視で計測することを可能とする回転量計測手段とを有している。
　例えば、回転量計測手段として、チャンネル部材１６の先端１６ａ近傍に、チャンネル部材１６の外壁の一部が透明となっていると共にチャンネル部材１６の周方向に所定の角度ごとに目盛りを有している構成や、チャンネル部材１６に対するマスター関節部７Ａまたは入力部１４の回転量を計測するセンサを有して表示装置１９に回転量を表示する構成などが挙げられる。
　本実施形態のスレーブ関節部２６Ａは、長尺部材２５とスレーブ関節部２６Ａとを接続する関節要素２７として、長尺部材２５の中心線を回転中心としてスレーブ関節部２６を回転させるスレーブ側ロール軸関節３１を有している。
　スレーブ側ロール軸関節３１は、駆動部２２からスレーブ関節部２６Ａまで延びる不図示のワイヤによって、制御部５０からの操作指令に対応して動作する。
　本実施形態では、マスター関節部７Ａのマスター側ロール軸関節１２が回転操作されると、スレーブ側ロール軸関節３１は、マスター側ロール軸関節１２の動作に倣って動作する。
　本実施形態では、エンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６Ａの回転位置は、スレーブオーバーチューブ３７に設けられた第一ルーメン３９に取り付けられた内視鏡１００を用いた観察により把握可能である。
　本実施形態のマニピュレータシステム１Ｂにおけるキャリブレーションの一例を示す。
　本実施形態では、第二ルーメン４０内にスレーブアーム２１が取り付けられた状態において、スレーブアーム２１の中心線（長尺部材２５の中心線）を中心としたエンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６Ａの回転位置と、マスターアーム４の中心線（マスター関節部７が直線状である時のマスター関節部７全体の中心線）を中心とした入力部１４及びマスター関節部７Ａの回転位置とが一致しない場合がある。
　このような場合、制御部５０から駆動部２２への操作指令の出力が停止されている状態で、マスターアーム４の上記の中心線回りにマスター側ロール軸関節１２がマスター関節部７Ａ及び入力部１４を回転させることにより、エンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６Ａの回転位置に対して、入力部１４及びマスター関節部７Ａの回転位置を合わせることができる。
　本実施形態では、内視鏡１００を用いた観察により、第二ルーメン４０の周方向におけるエンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６Ａの角度を把握し、チャンネル部材１６に設けられた目盛を利用して、エンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６Ａの角度と一致するように、チャンネル部材１６に対してスレーブ側ロール軸関節３１を回転させる。
　これにより、エンドエフェクタ３３及びスレーブ関節部２６Ａに対する入力部１４及びマスター関節部７Ａの回転方向における位置ずれを解消するキャリブレーションを容易に行うことができる。
　また、本実施形態では、スレーブアーム２１がロール軸を回転中心とする関節を有していない場合においても、スレーブアーム２１に対するマスターアーム４の回転方向の位置ずれがある場合にマスター側ロール軸関節１２を回転させることで、位置ずれを解消することができる。
（第４実施形態）
　本発明の第４実施形態について説明する。図１２は、本実施形態の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム１Ｃのマスターマニピュレータの一部を示す模式的な部分断面図である。図１３は、マニピュレータシステム１Ｃにおけるスレーブマニピュレータの一部を示す模式図である。
　図１２及び図１３に示すように、医療用マスタースレーブマニピュレータシステム１Ｃは、上記第１実施形態に開示されたマニピュレータシステム１に加えて、位置センサ５１と、着脱切替機構５２とを有している。位置センサ５１は、チャンネル部材１６の中心線方向におけるチャンネル部材１６に対するマスターアーム４の位置が所定の位置にあるか否かを検知する。着脱切替機構５２は、位置センサ５１における検知状態に対応して着脱部２４と動力源部２３との着脱動作を許容したり禁止したりする。
　また、医療用マスタースレーブマニピュレータシステム１Ｃの制御部５０は、位置センサ５１における検知状態に対応して着脱切替機構５２を動作させる制御をする。
　位置センサ５１は、入力部１４がチャンネル部材１６の先端１６ａから突出しているときに、制御部５０によって参照可能な所定の信号を発する。たとえば、位置センサ５１は、チャンネル部材１６の先端１６ａ近傍の空間を所定の検知エリアとして、この検知エリア内に物体がある場合に上記の信号を発する。
　着脱切替機構５２は、動力源部２３において、着脱部２４に対する着脱位置の一部に進入可能な規制部材５３と、規制部材５３を制御部５０からの制御に応じて移動させる移動部５４とを有している。規制部材５３が着脱位置に進入している状態では、動力源部２３に着脱部２４が取付不能である。
　制御部５０は、位置センサ５１が上記の所定の信号を発していることを検知したときに、規制部材５３を着脱位置に進入させるように着脱切替機構５２を制御する。また、位置センサ５１が上記所定の信号を停止したことを制御部５０が検知したときには、制御部５０は、規制部材５３を着脱位置外へと移動させる。
　本実施形態では、制御部５０は、入力部１４がチャンネル部材１６の内部に位置していると判定した場合に、動力源部２３に対する着脱部２４の取付けを許容する。逆に、制御部５０は、入力部１４がチャンネル部材１６の先端１６ａから外部に突出していると判定した場合に、動力源部２３に対する着脱部２４の取付けを禁止する。
　入力部１４がチャンネル部材１６の内部に位置している状態では、マスター関節部７もチャンネル部材１６の内部にあるので、マスター関節部７は、第１実施形態に開示されたキャリブレーションを好適に実行するための直線状態とされている。入力部１４がチャンネル部材１６の先端１６ａから突出している状態では、入力部１４やマスター関節部７等がチャンネル部材１６の先端１６ａからチャンネル部材１６の外部に出ていることにより、マスター関節部７が適切な直線状態でない場合が考えられる。
　本実施形態では、マスター関節部７が好適な直線状態とされてチャンネル部材１６内に位置している場合にのみ動力源部２３と着脱部２４との接続が許容されるので、キャリブレーションを行うのに不適切な位置関係のままキャリブレーションが行われてしまうことを予防できる。
　以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
　また、上述の各実施形態において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
　本発明によれば、簡易な構成で容易にキャリブレーションを行うことができる医療用マスタースレーブマニピュレータシステムを提供することができる。
　１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ　医療用マスタースレーブマニピュレータシステム
　２　マスターマニピュレータ
　３　作業台
　４　マスターアーム
　５　台座
　６　シャフト
　７、７Ａ　マスター関節部
　８　関節要素
　９　第一関節要素
　１０　第二関節要素
　１１　第三関節要素
　１２　マスター側ロール軸関節
　１３　アーム要素
　１４　入力部
　１５　マスターオーバーチューブ（矯正治具）
　１６　チャンネル部材
　１７　スリット
　１８　固定部
　１８Ａ　移動台（基台）
　１９　表示装置
　２０　スレーブマニピュレータ
　２１　スレーブアーム
　２２　駆動部
　２３　動力源部
　２４　着脱部
　２５　長尺部材
　２６、２６Ａ　スレーブ関節部
　２７　関節要素
　２８　第一関節要素
　２９　第二関節要素
　３０　第三関節要素
　３１　スレーブ側ロール軸関節
　３２　アーム要素
　３３　エンドエフェクタ
　３４　把持鉗子
　３７　スレーブオーバーチューブ（オーバーチューブ）
　３８　チューブ体
　３９　第一ルーメン
　４０　第二ルーメン
　４１　操作部
　４２　接続部
　４３　延長ルーメン
　５０　制御部
　５１　位置センサ
　５２　着脱切替機構
　５３　規制部材
　５４　移動部
　１００　内視鏡

Claims (7)

  1. 　エンドエフェクタ及び関節を有するスレーブマニピュレータと、
    　前記スレーブマニピュレータの前記関節と相似な形状の関節を有し前記スレーブマニピュレータを動作させるための操作が入力されるマスターマニピュレータと、
    　前記スレーブマニピュレータを動作させるための操作指令を前記マスターマニピュレータに対して入力される操作に基づいて生成して前記スレーブマニピュレータへ出力する制御部と、
    　前記スレーブマニピュレータが挿通される筒状のオーバーチューブと、
    　前記マスターマニピュレータを前記オーバーチューブの内部形状に倣った形状に矯正するために前記オーバーチューブの少なくとも一部と相似な形状を有し前記マスターマニピュレータに取り付け可能な矯正治具と、
    　を備え、
    　前記矯正治具は、前記矯正治具が前記マスターマニピュレータに取り付けられた状態で前記マスターマニピュレータの前記関節を直線状態に規制する
    　医療用マスタースレーブマニピュレータシステム。
  2. 　前記制御部は、
    　　前記矯正治具が前記マスターマニピュレータに取り付けられたことを検知したときに前記スレーブマニピュレータが前記オーバーチューブ内に移動するように前記スレーブマニピュレータと前記オーバーチューブとを相対移動させる操作指令を生成して前記スレーブマニピュレータへ出力し、
    　　前記スレーブマニピュレータが前記オーバーチューブ内に位置し且つ前記マスターマニピュレータに前記矯正治具が取り付けられている状態で、前記マスターマニピュレータの前記関節に対応する前記スレーブマニピュレータの前記関節の位置を前記スレーブマニピュレータにおける前記関節の原点位置として設定する
    　請求項１に記載の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム。
  3. 　前記矯正治具は、
    　　前記マスターマニピュレータの前記関節を前記オーバーチューブの内部に配された前記スレーブマニピュレータの前記関節の形状に倣った形状に保持するチャンネル部材と、
    　　前記マスターマニピュレータに対して前記チャンネル部材を移動させる基台と、
    　を有する
    　請求項１に記載の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム。
  4. 　前記矯正治具は、
    　　前記マスターマニピュレータの前記関節を前記オーバーチューブの内部に配された前記スレーブマニピュレータの前記関節の形状に倣った形状に保持するチャンネル部材と、
    　　前記チャンネル部材を保持する基台と、
    　を有し、
    　前記マスターマニピュレータは、前記チャンネル部材に少なくとも前記マスターマニピュレータの前記関節が取り付けられるように前記チャンネル部材に対して移動可能である
    　請求項１に記載の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム。
  5. 　前記マスターマニピュレータは、
    　　作業台と、
    　　前記エンドエフェクタに対応する入力部と、前記マスターマニピュレータの前記関節と、を有するマスターアームと、
    　を有し、
    　前記チャンネル部材は、前記マスターアームが前記作業台に対して位置決めされた状態で前記マスターアームに対して相対移動及び固定可能となるように前記作業台に配されている
    　請求項４に記載の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム。
  6. 　前記矯正治具は、
    　　前記マスターマニピュレータを内部に挿通可能であり前記オーバーチューブと相似形状をなすチャンネル部材と、
    　　前記チャンネル部材において前記マスターマニピュレータが前記チャンネル部材の周方向に回転する回転量を計測するための回転量計測手段と、
    　を有する
    　請求項１に記載の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム。
  7. 　前記制御部は、
    　　前記マスターマニピュレータに前記矯正治具が取り付けられた位置関係にあるか否かを前記制御部の起動時に判定して、前記マスターマニピュレータに前記矯正治具が取り付けられた位置関係にない場合には前記マスターマニピュレータに前記矯正治具が取り付けられた位置関係となるまで前記スレーブマニピュレータの制御を停止する
    　請求項１に記載の医療用マスタースレーブマニピュレータシステム。
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