WO2017126076A1 - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents

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WO2017126076A1
WO2017126076A1 PCT/JP2016/051672 JP2016051672W WO2017126076A1 WO 2017126076 A1 WO2017126076 A1 WO 2017126076A1 JP 2016051672 W JP2016051672 W JP 2016051672W WO 2017126076 A1 WO2017126076 A1 WO 2017126076A1
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link mechanism
unit
state
manipulator system
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PCT/JP2016/051672
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満彰 長谷川
卓未 磯田
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オリンパス株式会社
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    • A61B2090/0811—Indication means for the position of a particular part of an instrument with respect to the rest of the instrument, e.g. position of the anvil of a stapling instrument
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45117—Medical, radio surgery manipulator

Definitions

  • the present invention relates to a medical manipulator system.
  • Patent Document 1 has a plurality of arms to which a surgical tool can be attached, and the arms are moved so that the surgical tool is swung around an incision position for introducing the surgical tool into the body (remote center).
  • a medical manipulator system that can be used is disclosed.
  • the medical manipulator system disclosed in Patent Document 1 can automatically or manually move the link mechanism of the arm while maintaining the position of the remote center.
  • the arm link mechanism may be manually moved.
  • the arm is provided with operation means for switching between a mode for manually moving the link mechanism of the arm and a mode for remotely operating the arm, manual operation is facilitated.
  • modes for manually moving the link mechanism of the arm include, for example, a mode for freely moving all of the arms, a mode for freely moving other parts of the arm while the remote center of the arm is fixed, and an arm.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a medical manipulator system that can easily perform an input operation for manually operating a link mechanism.
  • One aspect of the present invention is a medical manipulator system comprising a surgical instrument having an end effector, an instrument holder configured to couple with the surgical instrument, and held in a fixed position relative to a patient.
  • a second operation unit for selecting one of a plurality of control modes and controlling the link mechanism according to the selected control mode; and the plurality of control modes from the mode selected by the control unit A mode change input unit provided in the second operation unit to accept an input to change to another mode, and the control unit
  • a control procedure for controlling the link mechanism a first step of determining whether or not there is an input to the mode change input unit, and a second step of acquiring the state of the medical manipulator system after the first step, After the second step, a third step of selecting a mode suitable for the state among the plurality of control modes based on the state of the medical manipulator system, and controlling the link mechanism according to the control procedure
  • the correspondence between the operation of the first operation unit and the operation of the surgical instrument is maintained while the position of the remote center serving as a center for swinging the surgical instrument is fixed.
  • a first mode in which the link mechanism can be moved by a second operation unit; and the operation of the first operation unit and the operation of the surgical instrument in a state where the position of the remote center and the position of the end effector are fixed A second mode in which the link mechanism can be moved by the second operation unit while maintaining the corresponding relationship, and a third mode in which the surgical instrument and the link mechanism can be moved by the second operation unit; And a fourth mode in which the operation by the second operation unit is prohibited and the surgical instrument and the link mechanism can be moved only by the first operation unit.
  • the control unit In response to the presence / absence of an input to the mode change input unit, the control unit mutually selects one of the first mode, the second mode, and the third mode, and the fourth mode. You may switch.
  • the control unit determines whether or not the first operation unit is in an operation state, and the control unit determines that the state is an operation state by the first operation unit. In such a case, the control unit selects the fourth mode when an input operation is not performed on the mode change input unit, and the input operation is performed while the input operation is performed on the mode change input unit. Either the first mode or the second mode may be selected.
  • the control unit determines whether or not the link mechanism and another object interfere or collide in the third step, and the state is a state in which the link mechanism and another object interfere or collide with each other.
  • the control unit selects the fourth mode when the input operation to the mode change input unit is not performed, and the input operation to the mode change input unit is performed.
  • the second mode is selected while the control unit determines that the state is a state in which the link mechanism and another object do not interfere with each other.
  • the fourth mode may be selected when the input operation is not performed on the input unit, and the first mode may be selected while the input operation is performed on the mode change input unit.
  • the link mechanism may have at least one redundant joint, and the second operation unit may be capable of operating only the redundant joint.
  • the medical manipulator system of the present invention it is possible to easily perform an input operation for manually operating the link mechanism.
  • FIG. 1 is a schematic overall view of a medical manipulator system according to a first embodiment of the present invention. It is a schematic diagram of the medical manipulator system. It is a block diagram of the medical manipulator system. It is a table
  • FIG. 1 is a schematic overall view of the medical manipulator system of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a medical manipulator system.
  • FIG. 3 is a block diagram of the medical manipulator system.
  • FIG. 4 is a table showing control mode selection conditions in the medical manipulator system.
  • the medical manipulator system 1 of the present embodiment includes a surgical instrument 2, an instrument holder 6, a base link 7, a link mechanism 8, a first operating unit 13, A second operation unit 21, a mode change input unit 22, and a control unit 30 are included.
  • the medical manipulator system 1 includes a plurality of surgical instruments 2, a plurality of instrument holders 6 corresponding to each surgical instrument 2, and a plurality of link mechanisms 8.
  • An endoscope may be attached to one or several of the plurality of instrument holders 6 instead of the surgical instrument 2.
  • the surgical instrument 2 includes a shaft 3 that can be inserted into a body, an end effector 4 disposed at a distal end of the shaft 3, and a shaft 3 for operating the end effector 4. And a drive unit 5 disposed at the proximal end.
  • the operation of the end effector 4 is controlled by the control unit 30 based on an operation on the first operation unit 13.
  • a configuration of the end effector 4 of the present embodiment for example, a configuration of a known end effector 4 applied to laparoscopic surgery such as a grasping forceps or a knife may be appropriately selected.
  • the instrument holder 6 is configured to be coupled to the surgical instrument 2.
  • the drive unit 5 of the surgical instrument 2 can be attached to the instrument holder 6.
  • the instrument holder 6 transmits a driving force for operating the end effector 4 to the drive unit 5 in accordance with control performed by the control unit 30 based on an operation input to the first operation unit 13.
  • the base link 7 is configured to be held at a fixed position with respect to the patient.
  • the base link 7 is disposed in the vicinity of the operating table.
  • the link mechanism 8 couples the instrument holder 6 to the base link 7 with one or more degrees of freedom between the instrument holder 6 and the base link 7. Further, the link mechanism 8 links a joint (ordinary joint 9, see FIG. 3) that gives a degree of freedom necessary for moving the instrument holder 6 with respect to the base link 7, and a redundant degree of freedom exceeding this degree of freedom. A joint (redundant joint 10, see FIG. 3) to be provided to the mechanism 8 and a plurality of arms 11 connecting the joints are provided. Furthermore, the link mechanism 8 has a force sensor 12 (see FIG. 3) for detecting that the link mechanism 8 has come into contact with another object. The force sensor 12 of the link mechanism 8 is used, for example, to detect interference between a plurality of link mechanisms 8, contact or collision of the link mechanism 8 with a person, another medical device, or the like.
  • the first operation unit 13 includes a monitor 14 for displaying an image of a treatment target region, and a master arm for operating the surgical instrument 2, the instrument holder 6, and the link mechanism 8. 15, a foot switch 16 for the surgeon to select whether or not each part can be operated based on the operation on the master arm 15, and a sensor for determining whether the surgeon is using the first operation part 13 17.
  • the surgeon who uses the first operation unit 13 operates the foot switch 16 to permit the operation of each unit, and further operates the master arm 15 while viewing the image displayed on the monitor 14, thereby operating.
  • the instrument 2, the instrument holder 6 and the link mechanism 8 can be remotely operated.
  • the operations on the master arm 15 are an operation of moving the end effector 4 by restraining a part of the shaft 3 of the surgical instrument 2 as the remote center RC, and an end effector by restricting the position of the remote center RC and the position of the end effector 4. 4 to perform a treatment using 4.
  • the first operation unit 13 issues an operation command to the control unit 30 based on the operation on the master arm 15.
  • the sensor 17 included in the first operation unit 13 includes a first sensor 18 that detects whether or not the surgeon's head is positioned at an appropriate position for viewing the monitor 14, and the surgeon moves the master arm 15. It has the 2nd sensor 19 which detects whether it is operating, and the 3rd sensor 20 which detects the presence or absence of the input with respect to the foot switch 16.
  • a first sensor 18 that detects whether or not the surgeon's head is positioned at an appropriate position for viewing the monitor 14, and the surgeon moves the master arm 15. It has the 2nd sensor 19 which detects whether it is operating, and the 3rd sensor 20 which detects the presence or absence of the input with respect to the foot switch 16.
  • the second operation unit 21 shown in FIGS. 2 and 3 is an operation unit for operating the link mechanism 8.
  • the second operation unit 21 in the present embodiment is set to a part of the outer surface of each arm 11 and each joint of the link mechanism 8.
  • the 2nd operation part 21 is comprised by the site
  • the operator (assistant) can push and pull each arm 11 and each joint of the link mechanism 8 directly to operate the link mechanism 8.
  • the mode change input part 22 is provided in the site
  • FIG. The mode change input unit 22 is used when an operator (assistant) performs an operation of pushing and pulling the second operation unit 21 directly. That is, the mode change input unit 22 is a switch for starting an operation for manually moving the link mechanism 8 for an assistant operating the second operation unit 21. In a state where it is not necessary for the assistant to manually change the position and posture of the link mechanism 8, no input to the mode change input unit 22 is performed. When the assistant needs to manually change the position and posture of the link mechanism 8, input to the mode change input unit 22 is performed by the assistant.
  • the mode change input unit 22 of the present embodiment is a push button switch that is electrically connected to the control unit 30.
  • the push button switch of the mode change input unit 22 is on while being pressed, and is turned off when the force of pressing the push button switch is eliminated.
  • the medical manipulator system 1 of the present embodiment has a plurality of mode change input units 22 so that the mode change input units 22 are arranged one by one in the plurality of link mechanisms 8.
  • a plurality of mode change input units 22 may be arranged in one link mechanism 8.
  • the control unit 30 shown in FIGS. 1 to 3 controls the base link 7, the link mechanism 8, the instrument holder 6, and the surgical instrument 2 based on operations on the first operation unit 13 and the second operation unit 21. To do. As illustrated in FIG. 3, the control unit 30 includes a state acquisition unit 31, a control signal output unit 32, and a mode selection unit 33.
  • the state acquisition unit 31 acquires the state of the medical manipulator system 1 with reference to various sensors 17 and the like.
  • the state acquisition unit 31 refers to the sensor 17 disposed in the first operation unit 13 and acquires whether or not it is in an operation state using the first operation unit 13 as follows.
  • the state acquisition unit 31 stores the state as being in operation using the first operation unit 13.
  • the second sensor 19 detects the operation of the master arm 15
  • the state acquisition unit 31 stores the state as being in an operation state using the first operation unit 13.
  • the third sensor 20 detects that there is an input to the foot switch 16
  • the state acquisition unit 31 stores the state as being in an operation state using the first operation unit 13. That is, the first sensor 18 does not detect the surgeon's head, the second sensor 19 does not detect the operation of the master arm 15, and the third sensor 20 does not detect the input to the foot switch 16.
  • the state acquisition unit 31 stores the state as an operation using the first operation unit 13 is not performed.
  • the state acquisition unit 31 stores that the first operation unit 13 is in an operating state. For this reason, in the case of performing a short break by simply releasing the hand from the master arm 15 or only stepping on the foot switch 16, the state of the first operation unit 13 becomes an operating state.
  • the state acquisition unit 31 refers to the force sensor 12 disposed in the link mechanism 8 and acquires the state of presence / absence of interference between the plurality of link mechanisms 8.
  • the state acquisition unit 31 of the present embodiment refers to the force sensor 12 disposed in the link mechanism 8 and acquires a state as to whether or not the link mechanism 8 has contacted another object.
  • the state acquisition unit 31 stores the state as interference between the link mechanisms 8.
  • the state acquisition unit 31 applies this link mechanism to another object that is not recognized by the medical manipulator system 1. The state is stored assuming that 8 has touched.
  • the control signal output unit 32 outputs a control signal for operating the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 based on an operation command issued by the first operation unit 13. Output. Further, the control signal output unit 32 outputs a control signal for operating the link mechanism 8 based on an operation on the second operation unit 21.
  • the control mode set in the control signal output unit 32 will be described.
  • a plurality of control modes are set in the control signal output unit 32.
  • the plurality of control modes are treatment modes (not shown) for outputting control signals to the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 based only on the operation command issued by the first operation unit 13.
  • a control signal is output to the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 based on both the operation command issued by the first operation unit 13 and the operation on the second operation unit 21.
  • Link adjustment mode (from the first mode to the fourth mode shown in FIG. 4).
  • the treatment mode is a mode at the time of treatment in the operation of the medical manipulator system 1 (see FIGS. 1 to 3) of the present embodiment.
  • the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 are automatically controlled in accordance with an operation performed by a surgeon (operator) who operates using the first operation unit 13.
  • the mode selection unit 33 is selected. Selected by.
  • the link adjustment mode is a mode for adjusting the position and posture of the link mechanism 8 when the medical manipulator system 1 of the present embodiment is used. Adjustment of the position and posture of the link mechanism 8 in the link adjustment mode is performed by an assistant (an operator different from the surgeon) who operates near the second operation unit 21. In the link adjustment mode, the link mechanism 8 operates according to the operation performed by the assistant on the second operation unit 21. In the link adjustment mode, as shown in FIG. 4, the position and posture of the link mechanism 8 are adjusted when the first operating unit 13 is in use, such as when the surgeon is performing treatment on the treatment target site. Modes (first mode and second mode) to be enabled and when the first operation unit 13 is not in use, the assistant freely operates the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8. A mode that can be operated (third mode) and a mode (fourth mode) that prohibits the operation on the second operation unit 21.
  • the first mode is a mode in which the position of the link mechanism 8 can be adjusted while performing treatment in a state where the position of the remote center RC (see FIG. 2) that is the center for swinging the surgical instrument 2 is fixed. That is, in the first mode, the surgical instrument 2 can be operated by the first operation unit 13 while the position of the remote center RC is fixed, and the operation of the first operation unit 13 and the operation of the surgical instrument 2 are performed.
  • the link mechanism 8 can be moved by the second operation unit 21 while maintaining the correspondence.
  • the position of the remote center RC in the first mode is the position of the trocar placed in the patient when the shaft 3 of the surgical instrument 2 is inserted into the patient's body (that is, the insertion point of the surgical instrument 2).
  • the position of the remote center RC may be a desired position suitable for the operation.
  • the shaft 3 In the first mode, the shaft 3 can be swung around the remote center RC. Further, in the first mode, the shaft 3 can be moved back and forth with respect to the trocar in a state where a part of the shaft 3 is located at the remote center RC. For this reason, in the first mode, it is possible to control the end effector 4 to move within the body.
  • the first mode is used for positioning for placing the end effector 4 in the vicinity of the treatment target site.
  • the second mode is a mode in which the position of the link mechanism 8 can be adjusted while performing the treatment while the position of the end effector 4 of the surgical instrument 2 is fixed. That is, in the second mode, the surgical instrument 2 can be operated by the first operation unit 13 with the position of the remote center RC and the position of the end effector 4 shown in FIG. The link mechanism 8 can be moved by the second operation unit 21 while maintaining the correspondence between the operation and the operation of the surgical instrument 2.
  • the position of the end effector 4 is fixed in the body, and control of the distal end portion of the surgical instrument 2 such as swinging and opening / closing operation of the end effector 4 is possible.
  • the second mode is used to operate the end effector 4 in order to treat the treatment target site after the position of the end effector 4 is determined in the first mode.
  • one of the first mode and the second mode is automatically selected based on the operation performed by the surgeon on the first operation unit 13.
  • the third mode illustrated in FIG. 4 is a mode in which the positional relationship among the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 illustrated in FIG. 2 can be changed only by an operation on the second operation unit 21. .
  • the position of the remote center RC can be changed.
  • the setting of the remote center RC is canceled and the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 are moved to desired positions, and each part has a desired positional relationship. After that, the remote center RC is reset based on the position of the trocar.
  • the change of the position of the remote center RC means that the trocar is moved while the trocar is placed on the abdominal wall, or that the surgical instrument 2 is moved to a desired position in the case of open surgery.
  • the third mode is used, for example, before the treatment is started or during the pause of the treatment in order to change the positional relationship of the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 as a whole.
  • the operation by the second operation unit 21 is prohibited. That is, in the fourth mode, the link adjustment mode is turned off, and the surgical instrument 2, the link mechanism 8 and the like can be moved only by the first operation unit 13.
  • the mode selection part 33 selects one mode from the 1st mode, the 2nd mode, the 3rd mode, and the 4th mode which are shown in FIG. 4 as a mode regarding the 2nd operation part 21.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of a control procedure in the control unit of the medical manipulator system.
  • the control unit 30 selects one control mode while recognizing the state of the medical manipulator system 1 in real time by repeating a flow including the following steps S1 to S8.
  • Step S ⁇ b> 1 is a first step for determining whether or not there is an input to the mode change input unit 22.
  • step S1 if there is no input to the mode change input unit 22, the process proceeds to step S8 for selecting the fourth mode, and then returns to step S1 again. If an input to the mode change input unit 22 is detected in step S1, the process proceeds to step S2.
  • Step S2 is a second step of acquiring the state of the medical manipulator system 1.
  • the state acquisition unit 31 acquires and stores the state of the medical manipulator system 1.
  • Step S2 is complete
  • Step S3 is a step of determining whether or not the first operation unit 13 is in an operating state. In step S3, based on the state information stored by the state acquisition unit 31, if the first operation unit 13 is in the operating state, the process proceeds to step S4. If the first operation unit 13 is not in the operating state, step S3 is performed. Proceed to S7 to select the third mode.
  • Step S4 determines whether the operation on the master arm 15 is an operation for restricting only the position of the remote center RC or an operation for restricting the position of the remote center RC and the position of the end effector 4. In step S4, based on the state information stored by the state acquisition unit 31, if the operation restricts only the position of the remote center RC, the process proceeds to step S5, the first mode is selected, and the position and end of the remote center RC are selected. If the operation restricts the position of the effector 4, the process proceeds to step S6 and the second mode is selected.
  • each step shown from step S3 to step S8 constitutes a third step for selecting a suitable mode based on the state of the medical manipulator system 1.
  • the link mechanism 8 of the medical manipulator system 1 of the present embodiment has the redundant joint 10 in addition to the regular joint 9, the surgical instrument 2 can be operated even if the link mechanism 8 is moved by the second operation unit 21. The position and posture are maintained. Furthermore, since the common joint 9 of the link mechanism 8 can be operated in accordance with the operation by the first operation unit 13 while the link mechanism 8 is being moved by the second operation unit 21, the surgeon can perform the treatment on the treatment target site, Operations such as positioning of the end effector 4 can be continued.
  • the medical manipulator system 1 After the medical manipulator system 1 is activated, the medical manipulator system 1 operates in a predetermined initialization mode to set initial positions of the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 with respect to the patient. Do.
  • This endoscope is held by the instrument holder 6 like the other surgical instruments 2, and is connected to the medical manipulator system 1 so as to display an image of the treatment target site on the monitor 14 of the first operation unit 13. Yes.
  • the surgeon can operate the endoscope or the surgical instrument 2 by pressing the foot switch 16 while looking at the monitor 14.
  • the sensor 17 provided in the first operation unit 13 detects that the surgeon's head is at the position of the monitor 14 and detects that there is an input to the foot switch 16. If the surgeon is operating the master arm 15, the sensor 17 detects that an operation is being performed on the master arm 15.
  • the control unit 30 determines that the first operation unit 13 is operating in response to the detection results of the sensor 17 and receives an operation command for the first operation unit 13.
  • the surgeon operates the endoscope and the surgical instrument 2 using the first operation unit 13, observes the treatment target region, and performs a treatment on the treatment target region as necessary.
  • the surgeon operates the master arm 15 of the first operation unit 13 while looking at the monitor 14 and performs treatment on the treatment target region using the end effector 4. .
  • no input is made to the mode change input unit 22 arranged in the second operation unit 21, so that the medical manipulator
  • the system 1 operates in the treatment mode when the fourth mode is selected and the link adjustment mode is turned off.
  • the assistant when moving the link mechanism 8, the assistant pushes and pulls the link mechanism 8 while pressing the mode change input unit 22 (push button switch) arranged in the link mechanism 8 to link to a desired position.
  • the mechanism 8 is moved.
  • the control unit 30 specifies the link mechanism 8 to change from the fourth mode to another mode, and unlocks the redundant joint 10 of the specified link mechanism 8. (End of the fourth mode).
  • the common joint 9 of the link mechanism 8 operates in response to the operation by the first operation unit 13, and the redundant joint 10 of the link mechanism 8 follows the push and pull of the second operation unit 21. For example, a copying operation is performed.
  • the control unit 30 operates in the first mode or the second mode, so that the position and posture of the link mechanism 8 can be set within the range of degrees of freedom given by the redundant joint 10 among all the degrees of freedom of the link mechanism 8.
  • the assistant can change.
  • the end of the operation on the second operation unit 21 is detected by the control unit 30 when the assistant operating the second operation unit 21 releases the push button switch of the mode change input unit 22.
  • the mode selection unit 33 ends the first mode or the second mode, and shifts to the fourth mode.
  • the control part 30 controls the base link 7, the link mechanism 8, the instrument holder 6, and the surgical instrument 2 according to the fourth mode.
  • the control unit 30 prohibits the operation by the second operation unit 21. That is, the control unit 30 locks the redundant joint 10 when the fourth mode is selected.
  • the treatment mode is set in which the base link 7, the link mechanism 8, the instrument holder 6, and the surgical instrument 2 are operated only by the operation by the first operation unit 13.
  • a plurality of parts that are separated from each other may be the target of treatment.
  • the positional relationship among the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the link mechanism 8 is entirely changed. There is a case.
  • the surgeon pauses the operation on the first operation unit 13. That is, the surgeon releases his foot from the foot switch 16, releases his hand from the master arm 15, and further moves his head away from the monitor 14 of the first operation unit 13.
  • the state acquisition unit 31 of the control unit 30 acquires and stores that the first operation unit is not in use.
  • the mode selection unit 33 ends the fourth mode and selects the third mode.
  • the control unit 30 is configured so that the surgical instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the common joint 9 and the redundant joint 10 of the link mechanism 8 can operate according to the operation on the second operation unit. Unlock the joints.
  • the assistant operating the second operation unit 21 finishes the operation, the assistant releases the hand from the mode change input unit 22. Thereby, the third mode is ended in the mode selection unit 33 and the fourth mode is selected, and the control unit 30 performs the operation instrument 2, the instrument holder 6, the base link 7, and the common joint 9 of the link mechanism 8 and the redundancy.
  • the joint of each part in the joint 10 is locked and the first operation unit 13 is in the operating state, the operation becomes possible according to the operation to the first operation unit 13.
  • the medical manipulator system 1 corresponds to the state of the medical manipulator system 1 as long as the first operation unit 13 is in use.
  • the mode change input unit 22 can be used for switching between the third mode and the fourth mode. If the first operation unit 13 is not in use, the mode change input unit 22 is used for switching between the third mode and the fourth mode. Is possible. That is, in the present embodiment, an appropriate mode can be selected from the four modes from the first mode to the fourth mode by selecting from two options using the mode change input unit 22. As a result, according to the medical manipulator system 1 of the present embodiment, an input operation for manually operating the link mechanism 8 can be easily performed.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a control procedure in the control unit of the medical manipulator system of the present embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment (see FIGS. 1 to 3), and redundant description is omitted.
  • the medical manipulator system 1 of the present embodiment is different from the first embodiment when the link mechanisms 8 interfere with each other, or when the link mechanism 8 collides with other medical instruments or the like.
  • the control unit 30 performs control.
  • the state acquisition unit 31 acquires the interference between the link mechanisms 8 or the collision between the link mechanism 8 and another object based on the detection state of the force sensor 12.
  • the control unit 30 determines that the interference is caused by the link mechanisms 8.
  • the control unit 30 may specify interference between the link mechanisms 8 by using the positional relationship of the plurality of link mechanisms 8 and the detection result of the force sensor 12 together.
  • the control unit 30 determines that the link mechanism 8 corresponding to the force sensor 12 It is determined that the object has collided with an object other than the link mechanism 8 (medical instrument, assistant body, etc.).
  • the object other than the link mechanism 8 can be any object other than the object whose position is recognized in advance by the medical manipulator system 1 of the present embodiment and located within the movable range of the medical manipulator system 1. .
  • the mode selection unit 33 specifies one mode from the first mode, the second mode, the third mode, and the fourth mode based on the acquisition status by the state acquisition unit 31.
  • step S9 in which the process branches based on the presence or absence of interference or collision of the link mechanism 8 is included between step S3 and step S4 in the first embodiment.
  • step S9 when the state acquisition part 31 has memorize
  • the mode selection unit 33 proceeds to step S4 and performs the processing after step S4 as in the first embodiment. I do.
  • the state acquisition unit 31 detects that there is interference or collision of the link mechanism 8
  • an input to the mode change input unit 22 is made regardless of the operation state on the master arm 15. Then, the second mode is selected, and the assistant can use the second operation unit 21 to perform an operation for eliminating the interference and collision of the link mechanism 8.
  • the operation in the first operation unit 13 is limited to the one that restricts the position of the end effector 4 (the posture and operation of the end effector 4 are not restricted). .
  • the link mechanism 8 interferes and the second mode is selected while the treatment target site is being treated, the treatment is performed within the range in which the position of the end effector 4 is not changed. 13 can continue.
  • the second mode is selected when the state acquisition unit 31 detects that there is an interference or a collision of the link mechanism 8, so that the swing operation about the remote center RC is performed. Since the operation of the link mechanism 8 does not occur, it is easy to operate the link mechanism 8 using the second operation unit.
  • the position and posture of the surgical instrument 2 are fixed (only the end effector 4 is operable), and the normal joint 9 and the redundant joint 10 are Both may be operable by the second operation unit 21.
  • the degree of freedom of the link mechanism 8 is further increased, interference and collision can be more easily resolved.
  • the link mechanism 8 stops without being able to resolve the collision and interference in the second mode.
  • the control in the third mode is performed in order to temporarily stop the treatment, quickly eliminate the interference and the collision, and restart the treatment.
  • the third mode is selected when the first operation unit 13 is not in the operating state in step S3.
  • the link mechanism 8 when interference or collision occurs in the link mechanism 8, the link mechanism 8 is manually operated while increasing the possibility of continuing treatment.
  • the input operation for making it possible can be performed easily.
  • the fourth mechanism is set so that the link mechanism 8 shifts to the third mode in which it can move with a higher degree of freedom than the second mode.
  • the mode selection unit 33 automatically sets a mode to be switched from the mode. For this reason, even when complicated interference between the link mechanisms 8 occurs, an input operation for manually operating the link mechanism 8 can be easily performed.
  • the third mode is selected in the present embodiment, it is not limited to the case where there is interference or collision of the link mechanism 8, and the treatment target site is moved from one treatment target site as in the first embodiment. You may change to other treatment object site
  • the present invention can be used for a manipulator having a link mechanism.

Abstract

本発明の医療用マニピュレータシステム（１）の制御部（３０）は、リンク機構（８）を制御するための制御手順として、モード変更入力部（２２）に対する入力の有無を判定する第一ステップと、医療用マニピュレータシステム（１）の状態を取得する第二ステップと、第二ステップにおいて取得された状態に基づいて、複数の制御モードのうちこの状態に適合する１つの制御モードを選択する第三ステップと、を含み、この制御手順に従ってリンク機構（８）を制御する。

Description

医療用マニピュレータシステム
　本発明は、医療用マニピュレータシステムに関する。
　従来、複数のアームを動作させることにより外科手術を行う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には、術具を装着可能な複数のアームを有し、術具を体内に導入するための切開位置を中心（遠隔中心）として術具を揺動させるようにアームを移動させることができる医療用マニピュレータシステムが開示されている。
　特許文献１に開示された医療用マニピュレータシステムは、遠隔中心の位置を維持しながらアームのリンク機構を自動又は手動で移動させることができる。
米国特許出願公開第２０１３／３２５０３１号公報
　特許文献１に開示された技術では、例えば複数のアーム同士が干渉した場合等に、アームのリンク機構を手動で移動させる場合がある。この場合、アームのリンク機構を手動で移動させるモードとアームを遠隔操作するモードとを切り替えるための操作手段をアームに備えていると手動操作をしやすい。しかしながら、アームのリンク機構を手動で移動させるモードには、例えば、アームの全てを自在に移動させるモード，アームの遠隔中心を固定した状態でアームの他の部位を自在に移動させるモード，及びアームに取り付けられた術具のエンドエフェクタの位置を固定してアームの他の部位を自在に移動させるモードなど、多様なモードがあるので、これらのモードを切り替えるための操作手段をモード別にアームに備えると操作が煩雑になってしまう。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、リンク機構を手動で動作させるための入力操作を簡便に行うことができる医療用マニピュレータシステムを提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、医療用マニピュレータシステムであって、エンドエフェクタを有する手術器具と、前記手術器具と結合するように構成される器具ホルダと、患者に対して固定位置に保持されるように構成されるベースリンクと、前記器具ホルダを前記ベースリンクに結合するリンク機構と、前記手術器具、前記器具ホルダおよび前記リンク機構を操作するための第１の操作部と、前記リンク機構を操作するための第２の操作部と、複数の制御モードから１つを選択し選択された制御モードに従って前記リンク機構を制御する制御部と、前記制御部に選択されているモードから前記複数の制御モードのうちの他のモードへ変更する入力を受け付けるために前記第２の操作部に設けられたモード変更入力部と、を有し、前記制御部は、前記リンク機構を制御するための制御手順として、前記モード変更入力部に対する入力の有無を判定する第一ステップと、前記第一ステップの後、前記医療用マニピュレータシステムの状態を取得する第二ステップと、前記第二ステップの後、前記医療用マニピュレータシステムの状態に基づいて前記複数の制御モードのうち前記状態に適合するモードを選択する第三ステップと、を含み、前記制御手順に従って前記リンク機構を制御することを特徴とする医療用マニピュレータシステムである。
　前記複数の制御モードは、前記手術器具を揺動動作させる中心となる遠隔中心の位置を固定した状態で前記第１の操作部の操作と前記手術器具の動作との対応関係を維持したまま前記第２の操作部により前記リンク機構を移動可能とする第一モードと、前記遠隔中心の位置及び前記エンドエフェクタの位置を固定した状態で前記第１の操作部の操作と前記手術器具の動作との対応関係を維持したまま前記第２の操作部により前記リンク機構を移動可能とする第二モードと、前記第２の操作部により前記手術器具及び前記リンク機構を移動可能とする第三モードと、前記第２の操作部による操作を禁止して前記第１の操作部のみで前記手術器具及び前記リンク機構を移動可能とする第四モードと、を有していてもよい。
　前記制御部は、前記モード変更入力部に対する入力の有無に対応して、前記第一モード，前記第二モード，及び前記第三モードのうちのいずれか１つと、前記第四モードとを相互に切り替えてもよい。
　前記制御部は、前記第１の操作部による操作中状態であるか否かを前記第三ステップにおいて判定し、前記状態が前記第１の操作部による操作中状態であると前記制御部が判定した場合には、前記制御部は、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われていない場合には前記第四モードを選択し、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われている間は前記第一モードと前記第二モードとのいずれか一方を選択してもよい。
　前記制御部は、前記リンク機構と他の物体との干渉又は衝突の有無を前記第三ステップにおいて判定し、前記状態が前記リンク機構と他の物体とが干渉または衝突している状態であると前記制御部が判定した場合には、前記制御部は、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われていない場合には前記第四モードを選択し、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われている間は前記第二モードを選択し、前記状態が前記リンク機構と他の物体とが干渉していない状態であると前記制御部が判定した場合には、前記制御部は、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われていない場合には前記第四モードを選択し、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われている間は前記第一モードを選択してもよい。
　前記リンク機構は少なくとも１以上の冗長関節を有し、前記第２の操作部は、前記冗長関節のみを操作可能であってもよい。
　本発明の医療用マニピュレータシステムによれば、リンク機構を手動で動作させるための入力操作を簡便に行うことができる。
本発明の第１実施形態の医療用マニピュレータシステムの模式的な全体図である。 同医療用マニピュレータシステムの模式図である。 同医療用マニピュレータシステムのブロック図である。 同医療用マニピュレータシステムにおける制御モードの選択条件を示す表である。 同医療用マニピュレータシステムの制御部における制御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ニピュレータシステムの制御部における制御手順の一例を示すフローチャートである。
（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ニピュレータシステムの模式的な全体図である。図２は、医療用マニピュレータシステムの模式図である。図３は、医療用マニピュレータシステムのブロック図である。図４は、医療用マニピュレータシステムにおける制御モードの選択条件を示す表である。
　図１から図３までに示すように、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１は、手術器具２と、器具ホルダ６と、ベースリンク７と、リンク機構８と、第１の操作部１３と、第２の操作部２１と、モード変更入力部２２と、制御部３０とを有している。本実施形態では、医療用マニピュレータシステム１は、複数の手術器具２と、各手術器具２に対応する複数の器具ホルダ６及び複数のリンク機構８とを有している。また、複数の器具ホルダ６のうちの１つ又はいくつかには、手術器具２に代えて内視鏡が取り付けられてもよい。
　図１及び図２に示すように、手術器具２は、体内へ挿入可能なシャフト３と、シャフト３の遠位端に配されたエンドエフェクタ４と、エンドエフェクタ４を動作させるためにシャフト３の近位端に配された駆動部５とを有する。
　エンドエフェクタ４の動作は、第１の操作部１３に対する操作に基づいて、制御部３０によって制御される。本実施形態のエンドエフェクタ４の構成として、例えば把持鉗子やナイフ等、腹腔鏡手術に適用される公知のエンドエフェクタ４の構成が適宜選択されてよい。
　器具ホルダ６は、手術器具２と結合するように構成されている。本実施形態では、手術器具２の駆動部５を器具ホルダ６に取り付けることができる。たとえば、器具ホルダ６は、第１の操作部１３に対して入力された操作に基づいて制御部３０が行う制御に従って、エンドエフェクタ４を動作させるための駆動力を駆動部５に伝達する。
　ベースリンク７は、患者に対して固定位置に保持されるように構成される。たとえば、ベースリンク７は、手術台近傍に配置されている。
　リンク機構８は、器具ホルダ６とベースリンク７との間に１以上の自由度を有する状態で器具ホルダ６をベースリンク７に結合する。また、リンク機構８は、ベースリンク７に対して器具ホルダ６を移動させるために必須の自由度を付与する関節（常用関節９，図３参照）と、この自由度を超える冗長自由度をリンク機構８に付与する関節（冗長関節１０，図３参照）と、各関節を繋ぐ複数のアーム１１とを有している。
　さらに、リンク機構８は、リンク機構８が他の物体に接触したことを検知するための力覚センサ１２（図３参照）を有している。リンク機構８の力覚センサ１２は、例えば、複数のリンク機構８同士の干渉や、人や他の医療機器等に対するリンク機構８の接触や衝突等を検知するために使用される。
　図１及び図３に示すように、第１の操作部１３は、処置対象部位の画像を表示するためのモニタ１４と、手術器具２、器具ホルダ６およびリンク機構８を操作するためのマスタアーム１５と、マスタアーム１５に対する操作に基づく各部の動作の可否を執刀医が選択するためのフットスイッチ１６と、第１の操作部１３を執刀医が使用しているか否かを判定するためのセンサ１７とを有する。
　第１の操作部１３を使用する執刀医は、フットスイッチ１６を操作して各部の動作を許可した状態とし、さらにモニタ１４に表示された画像を見ながらマスタアーム１５を操作することによって、手術器具２、器具ホルダ６およびリンク機構８を遠隔操作することができる。マスタアーム１５に対する操作は、手術器具２のシャフト３の一部を遠隔中心ＲＣとして拘束してエンドエフェクタ４を移動させる操作と、遠隔中心ＲＣの位置及びエンドエフェクタ４の位置を拘束してエンドエフェクタ４を用いた処置をする操作とを含む。第１の操作部１３は、マスタアーム１５に対する操作に基づいて、制御部３０に対して操作指令を発する。
　第１の操作部１３が有するセンサ１７は、モニタ１４を見るために適切な位置に執刀医の頭部が位置しているか否かを検知する第一センサ１８と、執刀医がマスタアーム１５を操作しているか否かを検知する第二センサ１９と、フットスイッチ１６に対する入力の有無を検知する第三センサ２０とを有している。
　図２及び図３に示す第２の操作部２１は、リンク機構８を操作するための操作部である。本実施形態における第２の操作部２１は、リンク機構８の各アーム１１及び各関節の外面の一部に設定されている。本実施形態では、第２の操作部２１は、第２の操作部２１の操作者（助手）が触れてよい部位として予め設定された部位によって構成されている。本実施形態では、リンク機構８の各アーム１１及び各関節を操作者（助手）が直接押し引きしてリンク機構８を操作することができる。
　モード変更入力部２２は、リンク機構８のうち第２の操作部２１として設定された部位に設けられている。モード変更入力部２２は、第２の操作部２１を直接押し引きする操作を操作者（助手）が行うときに使用される。すなわち、モード変更入力部２２は、第２の操作部２１を操作する助手にとって、リンク機構８を手動で移動させる操作を開始するためのスイッチである。リンク機構８の位置や姿勢を助手が手動で変化させる必要がない状態では、モード変更入力部２２に対する入力は行われない。リンク機構８の位置や姿勢を助手が手動で変化させる必要が生じた場合に、モード変更入力部２２に対する入力が助手により行われる。
　たとえば、本実施形態のモード変更入力部２２は、制御部３０に電気的に接続された押しボタンスイッチである。本実施形態では、モード変更入力部２２の押しボタンスイッチは、押されている間はオンであり、押しボタンスイッチを押す力が解消されるとオフとなる。
　本実施形態の医療用マニピュレータシステム１は、モード変更入力部２２が複数のリンク機構８に１つずつ配されるように、複数のモード変更入力部２２を有している。なお、１つのリンク機構８に複数のモード変更入力部２２が配されていてもよい。
　図１から図３までに示す制御部３０は、第１の操作部１３及び第２の操作部２１に対する操作に基づいて、ベースリンク７、リンク機構８、器具ホルダ６、及び手術器具２を制御する。
　図３に示すように、制御部３０は、状態取得部３１と、制御信号出力部３２と、モード選択部３３とを有している。
　状態取得部３１は、医療用マニピュレータシステム１がどのような状態にあるかを、各種センサ１７等を参照して取得する。
　例えば、状態取得部３１は、第１の操作部１３に配されたセンサ１７を参照して、第１の操作部１３を用いた操作中状態であるか否かを以下のように取得する。
　第一センサ１８が執刀医の頭部を検知している場合には、状態取得部３１は、第１の操作部１３を用いた操作中状態であるとして状態を記憶する。
　第二センサ１９がマスタアーム１５の操作を検知している場合には、状態取得部３１は、第１の操作部１３を用いた操作中状態であるとして状態を記憶する。
　第三センサ２０がフットスイッチ１６に対する入力があることを検知している場合には、状態取得部３１は、第１の操作部１３を用いた操作中状態であるとして状態を記憶する。
　すなわち、第一センサ１８に執刀医の頭部が検知されず、且つ、第二センサ１９にマスタアーム１５の操作が検知されず、且つ、第三センサ２０にフットスイッチ１６に対する入力が検知されない場合に、状態取得部３１は第１の操作部１３を用いた操作が行われていないとして状態を記憶する。
　なお、フットスイッチ１６、マスタアーム１５、又はモニタ１４のいずれかが使用されている場合には第１の操作部１３が操作中状態であると状態取得部３１が記憶する。このため、マスタアーム１５から短時間手を離すのみの小休憩や、フットスイッチ１６の踏み直しのみを行う場合などでは、第１の操作部１３の状態は操作中状態となる。
　また、状態取得部３１は、リンク機構８に配された力覚センサ１２を参照して、複数のリンク機構８同士の干渉の有無の状態を取得する。一例として、本実施形態の状態取得部３１は、リンク機構８に配された力覚センサ１２を参照して、リンク機構８が他の物体に接触したか否かの状態を取得する。
　本実施形態では、複数のリンク機構８の力覚センサ１２に同時に入力がある場合には、状態取得部３１が、リンク機構８同士の干渉であるとして状態を記憶する。
　また、移動中の１つのリンク機構８の力覚センサ１２が他の物体に対する接触を検知した場合には、状態取得部３１が、医療用マニピュレータシステム１の認識外の他の物体にこのリンク機構８が接触したとして状態を記憶する。
　制御信号出力部３２は、第１の操作部１３が発する操作指令に基づいて、手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８に対して、これらを動作させるための制御信号を出力する。また、制御信号出力部３２は、第２の操作部２１に対する操作に基づいて、リンク機構８を動作させるための制御信号を出力する。
　制御信号出力部３２に設定された制御モードについて説明する。
　制御信号出力部３２には、複数の制御モードが設定されている。複数の制御モードは、第１の操作部１３が発する操作指令のみに基づいて手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８に対して制御信号を出力する処置モード（不図示）と、第１の操作部１３が発する操作指令と第２の操作部２１に対する操作との両方に基づいて手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８に対して制御信号を出力するリンク調整モード（図４に示す第一モードから第四モードまで）とを有している。
　処置モードは、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１（図１から図３まで参照）の動作における処置時のモードである。処置モードでは、第１の操作部１３を用いて操作を行う執刀医（操作者）が行う操作に従って、手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８が自動制御される。処置モードは、第１の操作部１３の使用中状態であることを状態取得部３１が取得し、第２の操作部２１に関して後述する第四モードが選択されている場合に、モード選択部３３によって選択される。
　リンク調整モードは、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１の使用時に、リンク機構８の位置及び姿勢を調節するモードである。リンク調整モードにおけるリンク機構８の位置及び姿勢の調整は、第２の操作部２１の近傍で操作を行う助手（執刀医とは別の操作者）により行われる。リンク調整モードでは、第２の操作部２１に対して助手が行う操作に従って、リンク機構８が動作する。
　リンク調整モードは、図４に示すように、執刀医が処置対象部位に対して処置を行っているなど第１の操作部１３の使用中状態である場合にリンク機構８の位置及び姿勢を調整可能とするモード（第一モード及び第二モード）と、第１の操作部１３の使用中状態でない場合に手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８を助手が自在に動作させることできるモード（第三モード）と、第２の操作部２１に対する操作を禁止するモード（第四モード）とを含む。
　第一モードは、手術器具２を揺動動作させる中心となる遠隔中心ＲＣ（図２参照）の位置を固定した状態で処置を行いながらリンク機構８の位置調整を可能とするモードである。すなわち、第一モードは、遠隔中心ＲＣの位置を固定した状態で手術器具２が第１の操作部１３によって操作可能であるとともに、第１の操作部１３の操作と手術器具２の動作との対応関係を維持したまま第２の操作部２１によりリンク機構８を移動可能とする。
　第一モードにおける遠隔中心ＲＣの位置は、手術器具２のシャフト３を患者の体内に挿入する際に患者に留置されるトロッカの位置（すなわち、手術器具２の刺入点）である。なお、トロッカを使用しない場合（たとえば開腹手術）には、遠隔中心ＲＣの位置は手術に適した所望の位置でよい。
　第一モードでは、上記の遠隔中心ＲＣを中心にシャフト３を揺動させることができる。さらに、第一モードでは、上記の遠隔中心ＲＣにシャフト３の一部が位置する状態でトロッカに対してシャフト３を進退させることができる。このため、第一モードでは、体内でエンドエフェクタ４を移動させる制御が可能である。第一モードは、処置対象部位近傍にエンドエフェクタ４を配置するための位置決めのために利用される。
　第二モードは、手術器具２のエンドエフェクタ４の位置を固定した状態で処置を行いながらリンク機構８の位置調整を可能とするモードである。すなわち、第二モードは、図２に示す遠隔中心ＲＣの位置及びエンドエフェクタ４の位置を固定した状態で手術器具２が第１の操作部１３によって操作可能であるとともに、第１の操作部１３の操作と手術器具２の動作との対応関係を維持したまま第２の操作部２１によりリンク機構８を移動可能とする。
　第二モードでは、体内でエンドエフェクタ４の位置は固定状態であり、エンドエフェクタ４の首振りや開閉動作など、手術器具２の遠位端部分に関する制御は可能となっている。第二モードは、第一モードにおいてエンドエフェクタ４の位置が決まった後に処置対象部位に対して処置をするためにエンドエフェクタ４を動作させるために利用される。
　本実施形態では、第１の操作部１３に対する執刀医による操作に基づいて、第一モードと第二モードとのいずれか一方のモードが自動的に選択される。
　図４に示す第三モードは、図２に示す手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８の位置関係を第２の操作部２１に対する操作のみによって変更可能とするモードである。第三モードでは、遠隔中心ＲＣの位置を変更することができる。たとえば、第三モードでは、遠隔中心ＲＣの設定を解除して手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８を所望の位置へと移動させ、各部が所望の位置関係を有して配置された後にトロッカの位置を基準にして遠隔中心ＲＣの再設定を行う。遠隔中心ＲＣの位置の変更とは、腹腔鏡手術の場合にはトロッカが腹壁に留置された状態でトロッカをずらすことや、開腹手術の場合には所望の位置に手術器具２を移動させることを含む。
　第三モードは、手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８の位置関係を全体的に変更するために、たとえば処置開始前や処置の休止中に利用される。
　図４に示す第四モードは、第２の操作部２１による操作を禁止する。すなわち、第四モードは、リンク調整モードをオフにして第１の操作部１３のみで手術器具２やリンク機構８等を移動可能とする。
　図３に示すモード選択部３３は、第１の操作部１３に関するモードとして、処置モードとリンク調整モードとのいずれか一方を選択する。また、モード選択部３３は、第２の操作部２１に関するモードとして、図４に示す第一モード，第二モード，第三モード，及び第四モードから１つのモードを選択する。第２の操作部２１に関するモード選択に関してモード選択部３３が複数の制御モードから１つのモードを選択するための条件は、第１の操作部１３を用いた操作中状態であるか否かと、第１操作部において遠隔中心ＲＣの位置またはエンドエフェクタ４の位置を拘束する操作をしているか否かと、第２操作部を助手が操作しようとしているか否かと、を含む。
　図５は、医療用マニピュレータシステムの制御部における制御手順の一例を示すフローチャートである。
　制御部３０は、以下のステップＳ１からステップＳ８までの各ステップを含むフローを繰り返すことにより、医療用マニピュレータシステム１の状態をリアルタイムで把握しながら、１つの制御モードを選択する。
　ステップＳ１は、モード変更入力部２２に対する入力の有無を判定する第一ステップである。ステップＳ１では、モード変更入力部２２に対する入力がなければ第四モードを選択するステップＳ８へ進んだ後再びステップＳ１に戻る。ステップＳ１においてモード変更入力部２２に対する入力を検知した場合にはステップＳ２へ進む。
　ステップＳ２は、医療用マニピュレータシステム１の状態を取得する第二ステップである。ステップＳ２では、状態取得部３１が医療用マニピュレータシステム１の状態を取得して記憶する。これでステップＳ２は終了し、ステップＳ３へ進む。
　ステップＳ３は、第１の操作部１３が操作中状態であるか否かを判定するステップである。ステップＳ３では、状態取得部３１が記憶した状態の情報に基づいて、第１の操作部１３が操作中状態であればステップＳ４へ進み、第１の操作部１３が操作中状態でなければステップＳ７へ進んで第三モードを選択する。
　ステップＳ４は、マスタアーム１５に対する操作について、遠隔中心ＲＣの位置のみを拘束する操作であるか、又は遠隔中心ＲＣの位置及びエンドエフェクタ４の位置を拘束する操作であるかを判定する。ステップＳ４では、状態取得部３１が記憶した状態の情報に基づいて、遠隔中心ＲＣの位置のみを拘束する操作であればステップＳ５へ進んで第一モードが選択され、遠隔中心ＲＣの位置及びエンドエフェクタ４の位置を拘束する操作であればステップＳ６へ進んで第二モードが選択される。
　ステップＳ１からステップＳ８までを含むフローの繰り返し動作により、モード変更入力部２２の押しボタンスイッチが押されている間は、第一モード、第二モード、又は第三モードが選択され、リンク機構８を第２の操作部２１によって移動させることができる。本実施形態では、ステップＳ３からステップＳ８までに示した各ステップによって、医療用マニピュレータシステム１の状態に基づいて適合する１つのモードを選択する第三ステップが構成されている。
　また、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１のリンク機構８は常用関節９に加えて冗長関節１０を有しているので、リンク機構８を第２の操作部２１によって移動させても手術器具２の位置及び姿勢は維持される。さらに、第２の操作部２１によるリンク機構８の移動中も、第１の操作部１３による操作に従ってリンク機構８の常用関節９が動作可能であるので、執刀医は、処置対象部位に対する処置、エンドエフェクタ４の位置決めなどの操作を継続できる。
　本実施形態の医療用マニピュレータシステム１の作用について図１から図４までを参照して説明する。
　医療用マニピュレータシステム１の起動後、医療用マニピュレータシステム１は、所定のイニシャライズモードで動作して、患者に対して手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８の初期位置設定を行う。
　続いて、執刀医が内視鏡により処置対象部位を観察する。この内視鏡は、他の手術器具２と同様に器具ホルダ６に保持され、第１の操作部１３のモニタ１４に処置対象部位の画像を表示させるように医療用マニピュレータシステム１に接続されている。
　執刀医が処置対象部位に対する観察や処置等をする場合には、執刀医は、モニタ１４を見ながら、フットスイッチ１６を押すことにより、内視鏡や手術器具２を操作可能とする。第１の操作部１３に設けられたセンサ１７は、執刀医の頭部がモニタ１４の位置にあること検知するとともに、フットスイッチ１６に対する入力があることを検知する。また、執刀医がマスタアーム１５を操作していれば、センサ１７は、マスタアーム１５に対する操作が行われていることを検知する。制御部３０は、センサ１７によるこれらの検知結果に対応して、第１の操作部１３が操作中であると判定し、第１の操作部１３に対する操作指令を受け付ける。
　執刀医は、第１の操作部１３を用いて内視鏡や手術器具２を操作し、処置対象部位を観察し、必要に応じて処置対象部位に対する処置を行う。
　処置対象部位に対して処置を行う場合には、執刀医は、モニタ１４を見ながら第１の操作部１３のマスタアーム１５を動作させて、エンドエフェクタ４を用いて処置対象部位の処置を行う。このとき、リンク機構８の位置や姿勢を助手が手動で変化させる必要がない状態では、第２の操作部２１に配されたモード変更入力部２２には入力がされていないので、医療用マニピュレータシステム１は第四モードが選択されてリンク調整モードがオフとなり、処置モードで動作する。
　処置対象部位に対して執刀医が処置をしている間、執刀医はモニタ１４のみを見ているので、リンク機構８がどのように動作しているのかを把握していない。処置対象部位に対して執刀医が処置をしている間、助手は、リンク機構８が互いに干渉しそうになっているか、また、リンク機構８が他の医療器具に衝突しそうになっているかを観察する。本実施形態では、上記の医療器具の位置は医療用マニピュレータシステム１によって認識されていないので、リンク機構８が上記の医療器具に衝突する可能性があると助手が判断したときに、この医療器具を移動させるか、又は、リンク機構８を移動させる。
　本実施形態では、助手は、リンク機構８を移動させる場合に、リンク機構８に配されたモード変更入力部２２（押しボタンスイッチ）を押しながらリンク機構８を押し引きして所望の位置にリンク機構８を移動させる。モード変更入力部２２の押しボタンスイッチが押されると、制御部３０は、第四モードから他のモードへ変更するリンク機構８を特定し、特定されたリンク機構８の冗長関節１０のロックを解除（第四モードの終了）する。第四モードが終了した状態では、リンク機構８の常用関節９が第１の操作部１３による操作に対応して動作し、リンク機構８の冗長関節１０が第２の操作部２１の押し引きに従ってたとえば倣い動作する。このように、第１の操作部１３を用いた操作を執刀医が行っている使用中状態においてモード変更入力部２２への入力に応じて第四モードが終了した状態では、マスタアーム１５に対する操作に応じて第一モード又は第二モードで制御部３０が動作するので、リンク機構８の全ての自由度のうち、冗長関節１０によって付与される自由度の範囲でリンク機構８の位置及び姿勢を助手が変更することができる。
　第２の操作部２１に対する操作の終了は、第２の操作部２１を操作していた助手がモード変更入力部２２の押しボタンスイッチを離すことで制御部３０に検知される。押しボタンスイッチに対する入力がなくなったことを制御部３０が検知すると、モード選択部３３は、第一モード又は第二モードを終了し、第四モードに移行する。これにより、制御部３０は、第四モードに従ってベースリンク７、リンク機構８、器具ホルダ６、及び手術器具２を制御する。第四モードでは、制御部３０は、第２の操作部２１による操作を禁止する。すなわち、制御部３０は、第四モードが選択されると、冗長関節１０をロックする。その結果、第１の操作部１３による操作のみによってベースリンク７、リンク機構８、器具ホルダ６、及び手術器具２が操作される処置モードとなる。
　また、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１の使用時には、互いに離間する複数の部位が処置の対象となる場合がある。この場合、一方の処置対象部位から別の処置対象部位へとエンドエフェクタ４を移動させるために、手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８の位置関係を全体的に変更する場合がある。
　たとえば、一方の処置対象部位から別の処置対象部位へとエンドエフェクタ４を移動させる場合には、執刀医は第１の操作部１３に対する操作を休止する。すなわち、執刀医は、フットスイッチ１６から足を離し、マスタアーム１５から手を離し、さらに、第１の操作部１３のモニタ１４から頭を遠ざける。上記の３動作が完了した時点で、第１操作部が使用中状態でないことを制御部３０の状態取得部３１が取得して記憶する。
　第１操作部が使用中状態でない場合に助手がモード変更入力部２２に対して入力を行うと、モード選択部３３は、第四モードを終了して第三モードを選択する。これにより、制御部３０は、手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８の常用関節９及び冗長関節１０が第２操作部に対する操作に応じて動作可能とするように、各部の関節等のロックを解除する。
　第２の操作部２１を操作する助手がその操作を終了するときには、モード変更入力部２２から助手が手を離す。これにより、モード選択部３３において第三モードが終了して第四モードが選択されて、制御部３０は、手術器具２、器具ホルダ６、ベースリンク７、及びリンク機構８の常用関節９及び冗長関節１０における各部の関節等をロックし、第１の操作部１３が操作中状態となった場合に第１の操作部１３への操作に従って動作可能な状態となる。
　以上に説明したように、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１は、医療用マニピュレータシステム１の状態に対応して、第１の操作部１３が使用中状態であれば第一モード又は第二モードと第四モードとの切り替えとしてモード変更入力部２２を使用可能であり、第１の操作部１３が使用中状態でなければ第三モードと第四モードとの切り替えとしてモード変更入力部２２を使用可能である。すなわち、本実施形態では、第一モードから第四モードまでの４つのモードから、モード変更入力部２２を用いた二択からの選択で適切なモードを選択することができる。その結果、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１によれば、リンク機構８を手動で動作させるための入力操作を簡便に行うことができる。
（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６は、本実施形態の医療用マニピュレータシステムの制御部における制御手順の一例を示すフローチャートである。なお、本実施形態において上記第１実施形態と共通の構成要素には、第１実施形態と同一の符号（図１から図３までを参照）が付され、重複する説明は省略される。
　本実施形態の医療用マニピュレータシステム１は、リンク機構８同士が干渉してしまった場合や、リンク機構８が他の医療器具等と衝突してしまった場合等に、第１実施形態とは異なる制御を制御部３０が行う。
　本実施形態の制御部３０は、状態取得部３１が、リンク機構８同士の干渉、あるいはリンク機構８と他の物体との衝突を、力覚センサ１２の検知状態に基づいて取得する。
　たとえば、複数のリンク機構８に対して同時に力覚センサ１２が干渉又は衝突の発生を検知した場合に、制御部３０は、リンク機構８の干渉であると判定する。なお、複数のリンク機構８の位置関係と力覚センサ１２の検知結果とを併用して制御部３０がリンク機構８同士の干渉を特定してもよい。
　また、複数のリンク機構８のうちの１つに設けられた力覚センサ１２が干渉又は衝突の発生を検知した場合に、制御部３０は、この力覚センサ１２に対応するリンク機構８が他のリンク機構８以外の物体（医療器具や助手の体等）に衝突したものと判定する。リンク機構８以外の物体とは、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１によってその位置が予め認識された物以外であって医療用マニピュレータシステム１の可動範囲内に位置する全ての物体が対象となり得る。
　モード選択部３３は、状態取得部３１による取得状況に基づいて、第一モード，第二モード，第三モード，及び第四モードから１つのモードを特定する。
　本実施形態では、第１実施形態におけるステップＳ３とステップＳ４との間に、リンク機構８の干渉又は衝突の有無に基づいて処理の分岐するステップＳ９を含む。
　ステップＳ９では、リンク機構８の干渉や衝突があると状態取得部３１が記憶している場合には、ステップＳ６へ進んで第二モードが選択される。ステップＳ９では、リンク機構８の干渉や衝突がないと状態取得部３１が記憶している場合には、モード選択部３３は、ステップＳ４へ進んで第１実施形態と同様にステップＳ４以降の処理を行う。
　すなわち、本実施形態では、リンク機構８の干渉や衝突があると状態取得部３１が検知している場合には、マスタアーム１５に対する操作の状態に関わらず、モード変更入力部２２に対する入力がなされたときに第二モードが選択され、リンク機構８の干渉や衝突を解消するための操作を助手が第２の操作部２１を用いて行うことができる。
　また、本実施形態において第二モードが選択されている場合、第１の操作部１３における操作は、エンドエフェクタ４の位置を拘束する（エンドエフェクタ４の姿勢及び動作は拘束されない）ものに限られる。このため、処置対象部位に対する処置をしている状態でリンク機構８が干渉して第二モードが選択された場合には、エンドエフェクタ４の位置を変更しない範囲内で処置を第１の操作部１３を用いて継続することができる。
　さらに、本実施形態では、リンク機構８の干渉や衝突があると状態取得部３１が検知している場合に第二モードが選択されることにより、遠隔中心ＲＣを中心とした揺動操作のためのリンク機構８の動作が生じないので、第２操作部を用いたリンク機構８の操作をしやすい。
　また、本実施形態では、第二モードが選択された状態において、手術器具２の位置及び姿勢を固定した状態（エンドエフェクタ４のみ動作可能な状態）としつつ、常用関節９と冗長関節１０との両方を第２の操作部２１によって操作可能としてもよい。この場合、リンク機構８の自由度がさらに高まることにより、干渉や衝突の解消がさらに容易になる。
　また、本実施形態において、上記の第二モードでは衝突や干渉を解消できずにリンク機構８が停止することが考えられる。このような場合には、処置を一旦休止して上記の干渉や衝突を速やかに解消して処置を再開するために、第三モードによる制御が行われる。第三モードは、第１実施形態と同様に、ステップＳ３において第１の操作部１３が操作中状態でない場合に選択される。
　以上に説明したように、本実施形態の医療用マニピュレータシステム１によれば、リンク機構８に干渉や衝突が生じた場合に、処置を継続できる可能性を高めつつ、リンク機構８を手動で動作させるための入力操作を簡便に行うことができる。
　また、第１の操作部１３を操作する執刀医がその操作を休止することにより、リンク機構８を第二モードよりもさらに高い自由度で移動可能な第三モードに移行するように、第四モードからの切り替え先となるモードをモード選択部３３が自動的に設定する。このため、リンク機構８同士の複雑な干渉が生じた場合等にも、リンク機構８を手動で動作させるための入力操作を簡便に行うことができる。
　なお、本実施形態において第三モードが選択される場合は、リンク機構８の干渉や衝突があった場合には限られず、上記第１実施形態と同様に処置対象部位を一方の処置対象部位から他の処置対象部位に変更する場合でもよい。
　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。
　本発明は、リンク機構を備えたマニピュレータに利用可能である。
　１　医療用マニピュレータシステム
　２　手術器具
　３　シャフト
　４　エンドエフェクタ
　５　駆動部
　６　器具ホルダ
　７　ベースリンク
　８　リンク機構
　９　常用関節
　１０　冗長関節
　１１　アーム
　１２　力覚センサ
　１３　第１の操作部
　１４　モニタ
　１５　マスタアーム
　１６　フットスイッチ
　１７　センサ
　１８　第一センサ
　１９　第二センサ
　２０　第三センサ
　２１　第２の操作部
　２２　モード変更入力部
　３０　制御部
　３１　状態取得部
　３２　制御信号出力部
　３３　モード選択部

Claims (6)

  1. 　医療用マニピュレータシステムであって、
    　エンドエフェクタを有する手術器具と、
    　前記手術器具と結合するように構成される器具ホルダと、
    　患者に対して固定位置に保持されるように構成されるベースリンクと、
    　前記器具ホルダを前記ベースリンクに結合するリンク機構と、
    　前記手術器具、前記器具ホルダおよび前記リンク機構を操作するための第１の操作部と、
    　前記リンク機構を操作するための第２の操作部と、
    　複数の制御モードから１つを選択し選択された制御モードに従って前記リンク機構を制御する制御部と、
    　前記制御部に選択されているモードから前記複数の制御モードのうちの他のモードへ変更する入力を受け付けるために前記第２の操作部に設けられたモード変更入力部と、
    　を有し、
    　前記制御部は、前記リンク機構を制御するための制御手順として、
    　前記モード変更入力部に対する入力の有無を判定する第一ステップと、
    　前記第一ステップの後、前記医療用マニピュレータシステムの状態を取得する第二ステップと、
    　前記第二ステップの後、前記医療用マニピュレータシステムの状態に基づいて前記複数の制御モードのうち前記状態に適合するモードを選択する第三ステップと、
    　を含み、前記制御手順に従って前記リンク機構を制御する
    　ことを特徴とする医療用マニピュレータシステム。
  2. 　前記複数の制御モードは、
    　　前記手術器具を揺動動作させる中心となる遠隔中心の位置を固定した状態で前記第１の操作部の操作と前記手術器具の動作との対応関係を維持したまま前記第２の操作部により前記リンク機構を移動可能とする第一モードと、
    　　前記遠隔中心の位置及び前記エンドエフェクタの位置を固定した状態で前記第１の操作部の操作と前記手術器具の動作との対応関係を維持したまま前記第２の操作部により前記リンク機構を移動可能とする第二モードと、
    　　前記第２の操作部により前記手術器具及び前記リンク機構を移動可能とする第三モードと、
    　　前記第２の操作部による操作を禁止して前記第１の操作部のみで前記手術器具及び前記リンク機構を移動可能とする第四モードと、
    　を有する請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
  3. 　前記制御部は、前記モード変更入力部に対する入力の有無に対応して、前記第一モード，前記第二モード，及び前記第三モードのうちのいずれか１つと、前記第四モードとを相互に切り替える。
    　請求項２に記載の医療用マニピュレータシステム。
  4. 　前記制御部は、前記第１の操作部による操作中状態であるか否かを前記第三ステップにおいて判定し、
    　前記状態が前記第１の操作部による操作中状態であると前記制御部が判定した場合には、前記制御部は、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われていない場合には前記第四モードを選択し、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われている間は前記第一モードと前記第二モードとのいずれか一方を選択する
    　請求項３に記載の医療用マニピュレータシステム。
  5. 　前記制御部は、前記リンク機構と他の物体との干渉又は衝突の有無を前記第三ステップにおいて判定し、
    　前記状態が前記リンク機構と他の物体とが干渉または衝突している状態であると前記制御部が判定した場合には、前記制御部は、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われていない場合には前記第四モードを選択し、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われている間は前記第二モードを選択し、
    　前記状態が前記リンク機構と他の物体とが干渉していない状態であると前記制御部が判定した場合には、前記制御部は、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われていない場合には前記第四モードを選択し、前記モード変更入力部に対する入力操作が行われている間は前記第一モードを選択する
    　請求項３に記載の医療用マニピュレータシステム。
  6. 　前記リンク機構は少なくとも１以上の冗長関節を有し、
    　前記第２の操作部は、前記冗長関節のみを操作可能である
    　請求項１から５のいずれか一項に記載の医療用マニピュレータシステム。
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