WO2022074978A1 - 手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法 - Google Patents

手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法 Download PDF

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WO2022074978A1
WO2022074978A1 PCT/JP2021/032366 JP2021032366W WO2022074978A1 WO 2022074978 A1 WO2022074978 A1 WO 2022074978A1 JP 2021032366 W JP2021032366 W JP 2021032366W WO 2022074978 A1 WO2022074978 A1 WO 2022074978A1
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WO
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command value
value
acceleration
speed
support system
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/032366
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English (en)
French (fr)
Inventor
雅隆 田邊
哲夫 一居
礼貴 小林
裕一 溝畑
Original Assignee
川崎重工業株式会社
株式会社メディカロイド
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Publication date
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/37—Master-slave robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B34/35—Surgical robots for telesurgery
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    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/50—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms
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    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/74—Manipulators with manual electric input means
    • A61B2034/742—Joysticks

Definitions

  • the present invention relates to a surgery support system, a control device for the surgery support system, and a control method for the surgery support system. Regarding the control method of the device and the surgery support system.
  • a robotic surgical system equipped with an arm, a tool (medical instrument) connected to the end of the arm, and an input handle (operation unit) is known.
  • the movement of the medical device is controlled based on the operation amount accepted by the operation unit.
  • the medical device moves inside the patient's body, which is the surgical site.
  • This disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and one purpose of this disclosure is to protect the parts constituting the joints of the arm and to suppress the vibration of the arm. It is to provide the operation support system, the control device of the operation support system, and the control method of the operation support system.
  • the surgical support system is a surgical support system that accepts operations on a patient-side device including an arm to which a medical device is attached to the tip side and the medical device. Based on the operator side device including the operation unit and the received operation, the speed command value and the acceleration command value when operating the medical device are calculated, and the operation of the medical device is performed based on the speed command value and the acceleration command value.
  • the control unit includes a control unit for controlling the speed, and the control unit limits the speed command value within the range of the speed limit value and the acceleration command value within the range of the acceleration limit value.
  • the control unit limits the speed command value within the range of the speed limit value and limits the acceleration command value within the range of the acceleration limit value.
  • the control device of the surgical support system includes a patient-side device including an arm to which a medical device is attached to the tip side, and an operator-side device including an operation unit for receiving an operation on the medical device. It is a control device of the surgery support system, and calculates the speed command value and acceleration command value when operating the medical device based on the accepted operation, and the operation of the medical device based on the speed command value and the acceleration command value.
  • the control unit is provided with a control unit that controls the speed command value within the range of the speed limit value, and limits the acceleration command value within the range of the acceleration limit value.
  • the control unit limits the speed command value within the range of the speed limit value and the acceleration command value within the range of the acceleration limit value. Restrict. As a result, even when the operation amount received by the operation unit is relatively large, both the speed command value and the acceleration command value are limited, so that the increase in the movement amount of the arm per unit time is suppressed. Therefore, since the motor provided at the joint portion of the arm is suppressed from rotating at an excessively high speed, it is possible to protect parts such as the motor constituting the joint portion of the arm.
  • the control method of the surgical support system includes a patient-side device including an arm to which a medical device is attached to the tip side, and an operator-side device including an operation unit for receiving an operation on the medical device. It is a control method of the surgery support system, and based on the step of accepting the operation for the medical device and the accepted operation, the speed command value and the acceleration command value when operating the medical device are calculated, and the speed command value and the acceleration are calculated.
  • the step of controlling the operation of the medical device based on the command value and the step of controlling the operation of the medical device based on the speed command value and the acceleration command value limit the speed command value within the range of the speed limit value.
  • a step of limiting the acceleration command value within the range of the acceleration limit value is included.
  • the step of controlling the operation of the medical device based on the speed command value and the acceleration command value sets the speed command value in the range of the speed limit value. It includes a step of limiting the value within and a step of limiting the acceleration command value within the range of the acceleration limit value.
  • the surgical operation system 100 includes a medical manipulator 1 which is a patient P-side device, and a remote control device 2 which is an operator-side device for operating the medical manipulator 1.
  • the medical manipulator 1 includes a medical trolley 3 and is configured to be movable.
  • the remote control device 2 is arranged at a position separated from the medical manipulator 1, and the medical manipulator 1 is configured to be remotely controlled by the remote control device 2.
  • the surgeon inputs a command to the remote control device 2 to cause the medical manipulator 1 to perform a desired operation.
  • the remote control device 2 transmits the input command to the medical manipulator 1.
  • the medical manipulator 1 operates based on the received command. Further, the medical manipulator 1 is arranged in an operating room which is a sterilized sterile field.
  • the surgical operation system 100 is an example of the "surgery support system" in the claims.
  • the remote control device 2 is arranged, for example, inside the operating room or outside the operating room.
  • the remote control device 2 includes an operation manipulator arm 21, an operation pedal 22, a touch panel 23, a monitor 24, a support arm 25, and a support bar 26.
  • the operation manipulator arm 21 constitutes an operation handle for the operator to input a command.
  • the operation manipulator arm 21 receives an operation amount for the medical device 4.
  • the monitor 24 is a scope type display device that displays an image taken by an endoscope.
  • the support arm 25 supports the monitor 24 so that the height of the monitor 24 matches the height of the operator's face.
  • the touch panel 23 is arranged on the support bar 26.
  • the medical manipulator 1 can be operated by the remote control device 2 by detecting the operator's head with a sensor (not shown) provided in the vicinity of the monitor 24.
  • the operator operates the operation manipulator arm 21 and the operation pedal 22 while visually recognizing the affected area on the monitor 24.
  • a command is input to the remote control device 2.
  • the command input to the remote control device 2 is transmitted to the medical manipulator 1.
  • the operation manipulator arm 21 is an example of the "operation unit" in the claims.
  • the medical trolley 3 is provided with a control unit 31 that controls the operation of the medical manipulator 1 and a storage unit 32 that stores a program or the like for controlling the operation of the medical manipulator 1. Then, the control unit 31 of the medical trolley 3 controls the operation of the medical manipulator 1 based on the command input to the remote control device 2.
  • the control unit 31 is an example of the "control device of the surgical support system" in the claims.
  • the medical trolley 3 is provided with an input device 33.
  • the input device 33 is configured to accept an operation of moving or changing the posture of the positioner 40, the arm base 50, and a plurality of arms 60 mainly for preparing for the operation before the operation.
  • the medical manipulator 1 shown in FIGS. 1 and 2 is arranged in the operating room.
  • the medical manipulator 1 includes a medical trolley 3, a positioner 40, an arm base 50, and a plurality of arms 60.
  • the arm base 50 is attached to the tip of the positioner 40.
  • the arm base 50 has a relatively long rod shape (long shape).
  • the root portion of each arm 60 is attached to the arm base 50.
  • the plurality of arms 60 are configured to be able to take a folded posture (storing posture).
  • the arm base 50 and the plurality of arms 60 are covered and used by a sterile drape (not shown).
  • the positioner 40 is composed of, for example, a 7-axis articulated robot. Further, the positioner 40 is arranged on the medical trolley 3. The positioner 40 moves the arm base 50. Specifically, the positioner 40 is configured to move the position of the arm base 50 in three dimensions.
  • the positioner 40 includes a base portion 41 and a plurality of link portions 42 connected to the base portion 41.
  • the plurality of link portions 42 are connected to each other by the joint portions 43.
  • a medical device 4 is attached to the tip of each of the plurality of arms 60.
  • the medical device 4 includes, for example, a replaceable instrument, an endoscope 6 (see FIG. 6), and the like.
  • the instrument is provided with a driven unit 4a driven by a servomotor M2 provided on the holder 71 of the arm 60. Further, forceps 4b are provided at the tip of the instrument.
  • the forceps 4b is an example of an "end effector" in the claims.
  • the instrument rotatably supports the first support 4e that rotatably supports the forceps 4b with respect to the first axis A1 and the first support 4e with respect to the second axis A2.
  • the second support 4f and the shaft 4c connected to the second support 4f are included.
  • the driven unit 4a, the shaft 4c, the second support 4f, the first support 4e, and the forceps 4b are arranged along the Z direction.
  • a forceps 4b is attached to the first support 4e so as to rotate around the rotation axis R1 of the first axis A1.
  • the second support 4f rotatably supports the first support 4e with respect to the second axis A2. That is, the first support 4e is attached to the second support 4f so as to rotate around the rotation axis R2 of the second axis A2.
  • the portion of the first support 4e on the tip end side (Z1 direction side) has a U-shape.
  • a tool center point (TCP1) is set at the center of the first support 4e on the tip side of the U-shape in the direction of the rotation axis R1.
  • TCP2 of the endoscope 6 is set at the tip of the endoscope 6.
  • the arm 60 includes an arm portion 61 (base portion 62, link portion 63, joint portion 64) and a translational movement mechanism portion 70 provided at the tip of the arm portion 61.
  • the arm 60 is configured to move the tip side three-dimensionally with respect to the root side (arm base 50) of the arm 60.
  • the plurality of arms 60 have the same configuration as each other.
  • the translational movement mechanism portion 70 is provided on the tip end side of the arm portion 61, and the medical device 4 is attached. Further, the translational movement mechanism unit 70 translates the medical device 4 in the direction of inserting the medical device 4 into the patient P. Further, the translational movement mechanism unit 70 is configured to translate the medical device 4 relative to the arm unit 61. Specifically, the translational movement mechanism unit 70 is provided with a holder 71 for holding the medical device 4. A servomotor M2 (see FIG. 10) is housed in the holder 71. The servomotor M2 is configured to rotate a rotating body provided in the driven unit 4a of the medical device 4. The forceps 4b is operated by rotating the rotating body of the driven unit 4a.
  • the arm portion 61 is composed of a 7-axis articulated robot arm. Further, the arm portion 61 includes a base portion 62 for attaching the arm portion 61 to the arm base 50, and a plurality of link portions 63 connected to the base portion 62. The plurality of link portions 63 are connected to each other by the joint portions 64.
  • the translational movement mechanism unit 70 is configured to translate the medical device 4 attached to the holder 71 along the Z direction (the direction in which the shaft 4c extends) by the translational movement of the holder 71 along the Z direction. ing.
  • the translational movement mechanism portion 70 includes a proximal end side link portion 72 connected to the distal end of the arm portion 61, a distal end side link portion 73, and a proximal end side link portion 72 and a distal end side link portion 73. It includes a connecting link portion 74 provided between them.
  • the holder 71 is provided on the tip side link portion 73.
  • the connecting link portion 74 of the translational movement mechanism portion 70 is configured as a double speed mechanism that moves the tip end side link portion 73 relative to the proximal end side link portion 72 along the Z direction. Further, the medical device 4 provided in the holder 71 is translated along the Z direction by moving the tip side link portion 73 relative to the proximal end side link portion 72 along the Z direction. It is configured as follows. Further, the tip of the arm portion 61 is connected to the proximal end side link portion 72 so as to rotate the proximal end side link portion 72 about the X direction orthogonal to the Z direction.
  • the medical manipulator 1 is attached to the arm 60 and includes an operation unit 80 for operating the arm 60.
  • the operation unit 80 includes an enable switch 81, a joystick 82, and a switch unit 83.
  • the enable switch 81 permits or disallows the movement of the arm 60 by the joystick 82 and the switch unit 83. Further, the enable switch 81 is in a state of permitting the movement of the medical device 4 by the arm 60 when an operator (nurse, assistant, etc.) grips and presses the operation unit 80.
  • the switch unit 83 has a switch unit 83a for moving the medical device 4 in a direction in which the medical device 4 is inserted into the patient P along the longitudinal direction of the medical device 4, and a direction in which the medical device 4 is inserted into the patient P. It includes a switch portion 83b for moving the medical device 4 to the opposite side. Both the switch unit 83a and the switch unit 83b are composed of push button switches.
  • the operation unit 80 includes a pivot button 85 that teaches a pivot position PP that serves as a fulcrum (see FIG. 9) for movement of the medical device 4 attached to the arm 60.
  • the pivot button 85 is provided on the surface 80b of the operation unit 80 so as to be adjacent to the enable switch 81. Then, in a state where the tip of the endoscope 6 (see FIG. 6) or the pivot position teaching instrument 7 (FIG. 7) is moved to a position corresponding to the insertion position of the trocar T inserted into the body surface S of the patient P. By pressing the pivot button 85, the pivot position PP is taught and stored in the storage unit 32. In the teaching of the pivot position PP, the pivot position PP is set as one point (coordinates), and the teaching of the pivot position PP does not set the direction of the medical device 4.
  • an endoscope 6 is attached to one of the plurality of arms 60 (for example, arm 60b), and the remaining arms 60 (for example, arms 60a, 60c and 60d) are attached.
  • a medical device 4 other than the endoscope 6 is attached to the body.
  • an endoscope 6 is attached to one of the four arms 60, and a medical device 4 (forceps 4b or the like) other than the endoscope 6 is attached to the three arms 60. ..
  • the pivot position PP is taught to the arm 60 to which the endoscope 6 is attached with the endoscope 6 attached.
  • the pivot position PP is taught with the pivot position teaching device 7 attached to the arm 60 to which the medical device 4 other than the endoscope 6 is attached.
  • the endoscope 6 is attached to one of two arms 60 (arms 60b and 60c) arranged in the center among the four arms 60 arranged adjacent to each other. That is, the pivot position PP is individually set for each of the plurality of arms 60.
  • an adjustment button 86 for optimizing the position of the arm 60 is provided on the surface 80b of the operation unit 80. After teaching the pivot position PP to the arm 60 to which the endoscope 6 is attached, the position of the other arm 60 (arm base 50) is optimized by pressing the adjustment button 86.
  • the operation unit 80 has a mode switching button for switching between a mode for translating (see FIG. 8) and a mode for rotating (see FIG. 9) the medical device 4 attached to the arm 60.
  • a mode indicator 84a is provided in the vicinity of the mode switching button 84.
  • the mode indicator 84a displays the switched mode. Specifically, when the mode indicator 84a is turned on (rotational movement mode) or off (translational movement mode), the current mode (translational movement mode or rotation movement mode) is displayed.
  • mode indicator 84a also serves as a pivot position indicator that indicates that the pivot position PP has been taught.
  • the arm 60 in the mode of translating the arm 60, the arm 60 is moved so that the tip 4d of the medical device 4 moves on the XY plane. Further, as shown in FIG. 9, in the mode in which the arm 60 is rotationally moved, when the pivot position PP is not taught, the arm 60 is rotationally moved around the forceps 4b, and when the pivot position PP is taught, the pivot is pivoted. The arm 60 is moved so that the medical device 4 rotates around the position PP as a fulcrum. The medical device 4 is rotationally moved while the shaft 4c of the medical device 4 is inserted into the trocar T.
  • the arm 60 is provided with a plurality of servomotors M1, an encoder E1, and a speed reducer (not shown) so as to correspond to a plurality of joint portions 64 of the arm portion 61.
  • the encoder E1 is configured to detect the rotation angle of the servomotor M1.
  • the speed reducer is configured to reduce the rotation of the servomotor M1 to increase the torque.
  • the translational movement mechanism unit 70 includes a servomotor M2 for rotating a rotating body provided in the driven unit 4a of the medical device 4 and a servomotor M2 for moving the medical device 4 in translation.
  • a servomotor M3, an encoder E2 and an encoder E3, and a speed reducer (not shown) are provided.
  • the encoder E2 and the encoder E3 are configured to detect the rotation angles of the servomotor M2 and the servomotor M3, respectively.
  • the speed reducer is configured to reduce the rotation of the servomotor M2 and the servomotor M3 to increase the torque.
  • the positioner 40 is provided with a plurality of servomotors M4, an encoder E4, and a speed reducer (not shown) so as to correspond to the plurality of joints 43 of the positioner 40.
  • the encoder E4 is configured to detect the rotation angle of the servomotor M4.
  • the speed reducer is configured to reduce the rotation of the servomotor M4 to increase the torque.
  • the medical trolley 3 is provided with a servomotor M5 for driving each of a plurality of front wheels (not shown) of the medical trolley 3, an encoder E5, and a speed reducer (not shown).
  • the encoder E5 is configured to detect the rotation angle of the servomotor M5.
  • the speed reducer is configured to reduce the rotation of the servomotor M5 to increase the torque.
  • the control unit 31 of the medical trolley 3 is an arm control unit 31a that controls the movement of a plurality of arms 60 based on a command, and the movement of the positioner 40 and the front wheel (not shown) of the medical trolley 3 based on the command. It includes a positioner control unit 31b that controls driving.
  • a servo control unit C1 for controlling the servo motor M1 for driving the arm 60 is electrically connected to the arm control unit 31a.
  • an encoder E1 for detecting the rotation angle of the servomotor M1 is electrically connected to the servo control unit C1.
  • a servo control unit C2 for controlling the servomotor M2 for driving the medical device 4 is electrically connected to the arm control unit 31a. Further, an encoder E2 for detecting the rotation angle of the servomotor M2 is electrically connected to the servo control unit C2. Further, a servo control unit C3 for controlling the servomotor M3 for translating the translational movement mechanism unit 70 is electrically connected to the arm control unit 31a. Further, an encoder E3 for detecting the rotation angle of the servomotor M3 is electrically connected to the servo control unit C3.
  • the operation command input to the remote control device 2 is input to the arm control unit 31a.
  • the arm control unit 31a generates a position command based on the input operation command and the rotation angle detected by the encoder E1 (E2, E3), and sends the position command to the servo control unit C1 (C2, C3).
  • the servo control unit C1 (C2, C3) generates a torque command and a torque command based on the position command input from the arm control unit 31a and the rotation angle detected by the encoder E1 (E2, E3). Is output to the servo motors M1 (M2, M3).
  • the arm 60 is moved so as to follow the operation command input to the remote control device 2.
  • the control unit 31 performs medical treatment based on the operation (input position command value x r ) received by the operation manipulator arm 21 of the remote control device 2.
  • the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 when operating the device 4 are calculated, and the operation of the medical device 4 is controlled based on the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 .
  • the control unit 31 sets the speed command value q r1 (when the correction command value dq r'described later is not 0, the speed command value q r3 to which the correction command value dq r'is added) is set to the speed limit value lim 1 .
  • control unit 31 operates by performing a conversion (inverse conversion) by inverse kinematics with respect to the operation (input position command value x r ) received by the operation manipulator arm 21 of the remote control device 2.
  • the speed command value q r1 is calculated by calculating the command value q r and differentiating the operation command value q r .
  • the control unit 31 limits the speed command value q r1 (specifically, the speed command value q r3 to which the correction command value dq r'is added) within the range of the speed limit value lim 1 .
  • the speed limit value lim 1 is predetermined, for example, by the specifications of the servomotor M1.
  • control unit 31 calculates the acceleration command value q r2 by differentiating the speed command value q lim 1 limited within the range of the speed limit value lim 1 . Further, the control unit 31 feeds back the speed command value q 1 described later and subtracts it from the speed command value q lim 1 limited within the range of the speed limit value lim 1 . Further, the control unit 31 multiplies the subtracted value (q lim 1 ⁇ q 1 ) by the gain K vp , and adds the multiplied value ((q lim 1 ⁇ q 1 ) ⁇ K vp ) to the acceleration command value q r 2. do. Then, the control unit 31 limits the added value (q r2 + (q lim1 ⁇ q 1 ) ⁇ K bp ) within the range of the acceleration limit value lim 2 .
  • control unit 31 integrates the acceleration command value q lim 2 limited within the range of the acceleration limit value lim 2 to calculate the speed command value q 1 . Further, the control unit 31 integrates the speed command value q 1 to calculate the operation command value q.
  • control of the control unit 31 is performed for each axis of the arm 60.
  • the control unit 31 calculates the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 for each of the axes of the plurality of joint portions 64. Then, the control unit 31 is based on the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 of the axis having the largest limited amount among the axes of the plurality of joint units 64, and the speed command value q r1 of the other axis. And the acceleration command value q r2 is limited.
  • the control unit 31 has the axis having the largest speed excess rate with respect to the speed limit value lim 1 among the speed command values q r1 calculated for each of the axes of the plurality of joint units 64.
  • the speed command value q r1 of the other axis is divided to limit the speed command value q r1 of the other axis.
  • the maximum overspeed rate ⁇ 1 is calculated based on the following formula 1.
  • q r1i represents the velocity command value q r1 for each axis before being restricted.
  • the number of axes of the arm 60 is 12, including the axis of the arm portion 61 and the axis of the translational movement mechanism portion 70 (linear motion axis and forceps axis).
  • i is any value from 1 to 12.
  • lim 1i is a speed limit value for each axis.
  • the overspeed rate ⁇ 1 is a value of 1 or more. If none of the speed command values q r1i for each axis exceeds the speed limit value lim 1i , the overspeed rate ⁇ 1 is 1.
  • the above i may be set to 8 in consideration of only the axis of the arm portion 61 and the linear motion axis of the translational movement mechanism portion 70.
  • the limited speed command value q lim1i is calculated by the following mathematical formula 2.
  • the acceleration excess rate of the axis having the largest acceleration excess rate with respect to the acceleration limit value lim 2 is used to obtain another acceleration command value q r2 .
  • the maximum acceleration excess rate ⁇ 2 is calculated based on the following mathematical formula 3.
  • q r2i represents the acceleration command value q r2 for each axis before being restricted.
  • lim 2i is an acceleration limit value for each axis.
  • the acceleration excess rate ⁇ 2 is a value of 1 or more.
  • the limited acceleration command value q lim2i is calculated by the following mathematical formula 4.
  • FIG. 12 is an image diagram showing the limitation of the speed command value q r1 according to the comparative example, and as an example, shows an image of the limitation of the speed command value of the two axes (J1 axis and J2 axis) of the arm portion 61.
  • FIG. 12 shows the velocity command value q r11 (thin dotted line) before the J1 axis is restricted, the velocity command value q lil11 (thin solid line) after the J1 axis is restricted, and the J2 axis.
  • the speed limit value of the J1 axis is set to lim 11
  • the speed limit value of the J2 axis is set to lim 12 .
  • the speed command value q r11 of the J1 axis is restricted to be within the range of the speed limit value lim 11 (-lim 11 or more and lim 11 or less).
  • the speed command value q r12 of the J2 axis is restricted to be within the range of the speed limit value lim 12 (-lim 12 or more and lim 12 or less).
  • the speed command value q lim11 and the speed command value q lim12 after the restriction are the speed command value q r11 before the restriction and the speed command value q r12 before the restriction.
  • a certain relationship with the speed command value q r12 is broken.
  • the speed command value q r11 and the speed command value q r12 before the limit are values of 10 and 8, respectively.
  • the speed limit value lim 11 and the speed limit value lim 12 are 2
  • the speed command value q lim 11 and the speed command value q lim 12 after the limit are both 2. That is, the ratio of the speed command value q r11 before the limitation and the speed command value q r12 is 10: 8, whereas the ratio of the speed command value q lim11 after the limitation and the speed command value q lim12 is It becomes 2: 2. Therefore, there is an inconvenience that the pivot position PP shifts.
  • FIG. 13 is an image diagram showing the limitation of the speed command value qr1 according to the present embodiment.
  • the speed command value q r11 on the J1 axis and the speed command value q r12 on the J2 axis are limited based on the above equations 1 and 2.
  • the speed command value q r11 of the J1 axis becomes large, and the speed command value q r12 of the J2 axis is divided by the speed command value q r12 of the J1 axis.
  • the speed command value q lim12 after the limitation is not a constant value as shown in FIG. 12, but changes smoothly so as to gradually decrease.
  • the speed command value q r12 of the J2 axis becomes large, and the speed command value q r11 of the J1 axis is divided by the speed command value q r11 of the J2 axis.
  • the speed command value q lil11 after the limitation is not a constant value as shown in FIG. 12, but changes smoothly so as to gradually decrease.
  • the constant speed command value q r11 and the speed command value q r12 before the restriction are constant. The relationship is maintained.
  • the speed command value q r11 and the speed command value q r12 before the limit are values of 10 and 8, respectively.
  • the speed limit value lim 11 and the speed limit value lim 12 are 2
  • ⁇ 1 becomes 5.
  • the ratio between the speed command value q lim11 after the limitation and the speed command value q lim12 after the limitation is 2: 8/5
  • the ratio before the limitation (10: 8) is Be maintained.
  • the deviation of the pivot position PP is suppressed.
  • the control unit 31 has an acceleration limited within the range of the speed command value q lim1 and the acceleration limit value lim 2 limited within the range of the speed limit value lim 1 .
  • the operation command value q based on the command value q lim2 is calculated.
  • the control unit 31 calculates a correction command value dq r'that corrects the deviation of the pivot position PP which is the fulcrum of the rotational movement of the medical device 4 based on the calculated operation command value q.
  • the operation manipulator arm 21 receives an input position command value xr for the medical device 4.
  • the control unit 31 feeds back the calculated operation command value q.
  • the control unit 31 performs conversion (forward conversion) by forward kinematics on the fed-back motion command value q, and calculates the command value x after the forward kinematics conversion.
  • the control unit 31 performs inverse kinematics conversion (inverse conversion) on xr'calculated using the input position command value xr and the forward kinematics conversion command value x . Calculate the converted command value q r '.
  • the control unit 31 calculates a correction command value dq r'that corrects the deviation of the pivot position PP based on the operation command value q and the command value after inverse kinematics conversion q r '.
  • control unit 31 calculates the command value q r'after inverse kinematics conversion based on the following mathematical formula 5.
  • x is the current position of the tip of the forceps 4b.
  • ⁇ is the gain.
  • f -1 means a transformation by inverse kinematics.
  • control unit 31 subtracts the operation command value q from the command value q r'after the inverse kinematics conversion. Further, by multiplying the subtracted value by the gain K p , the correction command value dq r'that corrects the deviation of the pivot position PP is calculated.
  • control unit 31 adds the correction command value dq r'to the speed command value q r1 before limiting the speed within the range of the speed limit value lim 1 .
  • the control unit 31 multiplies the calculated speed command value q r1 by the gain K F of the feed forward control. Then, the control unit 31 commands a speed based on the difference (distance L) between the target value, which is the value of the target position for movement of the medical device 4, and the current value, which is the value of the current position of the medical device 4.
  • the gain K F of the feedforward control is set so that the contribution of the feedback control to the contribution of the feedforward control to the value q r1 is large.
  • the distance L between the target value and the current value is, for example, the distance L between the value at the target position on the root side (tip side of the arm portion 61) of the medical device 4 and the value at the current position. Is. As the distance L, the distance between the target axis value and the current axis value may be applied.
  • the gain KF decreases linearly as the difference between the target value and the current value (distance L, see FIG. 15) increases.
  • the gain K F is set to 1.
  • the gain K F is set to K (a value smaller than 1).
  • the gain K F is linearly interpolated between K and 1 according to the distance L.
  • the deviation of the pivot position PP occurs in the movement from the target value (t), which is the value of the target position of the medical device 4, to the target value (t + 1) by the feedforward control. do not.
  • t and t + 1 represent time.
  • t and t + 1 represent time.
  • the control unit 31 (arm control unit 31a) is configured to operate the arm 60 based on an input signal from the joystick 82 of the operation unit 80. Specifically, the arm control unit 31a generates a position command based on the input signal (operation command) input from the joystick 82 and the rotation angle detected by the encoder E1, and the position command is sent to the servo control unit. Output to C1. The servo control unit C1 generates a torque command based on the position command input from the arm control unit 31a and the rotation angle detected by the encoder E1, and outputs the torque command to the servomotor M1. As a result, the arm 60 is moved so as to follow the operation command input to the joystick 82.
  • the control unit 31 (arm control unit 31a) is configured to operate the arm 60 based on an input signal from the switch unit 83 of the operation unit 80. Specifically, the arm control unit 31a generates a position command based on the input signal (operation command) input from the switch unit 83 and the rotation angle detected by the encoder E1 or E3, and also issues a position command. Output to the servo control unit C1 or C3. The servo control unit C1 or C3 generates a torque command based on the position command input from the arm control unit 31a and the rotation angle detected by the encoder E1 or E3, and issues the torque command to the servomotor M1 or M3. Output to. As a result, the arm 60 is moved so as to follow the operation command input to the switch unit 83.
  • a servo control unit C4 for controlling the servomotor M4 that moves the positioner 40 is electrically connected to the positioner control unit 31b. Further, an encoder E4 for detecting the rotation angle of the servomotor M4 is electrically connected to the servo control unit C4. Further, a servo control unit C5 for controlling a servomotor M5 for driving a front wheel (not shown) of the medical carriage 3 is electrically connected to the positioner control unit 31b. Further, an encoder E5 for detecting the rotation angle of the servomotor M5 is electrically connected to the servo control unit C5.
  • an operation command regarding setting of the preparation position and the like is input from the input device 33 to the positioner control unit 31b.
  • the positioner control unit 31b generates a position command based on the operation command input from the input device 33 and the rotation angle detected by the encoder E4, and outputs the position command to the servo control unit C4.
  • the servo control unit C4 generates a torque command based on the position command input from the positioner control unit 31b and the rotation angle detected by the encoder E4, and outputs the torque command to the servomotor M4.
  • the positioner 40 is moved so as to follow the operation command input to the input device 33.
  • the positioner control unit 31b moves the medical trolley 3 based on the operation command from the input device 33.
  • step S1 the control unit 31 accepts an operation for the medical device 4.
  • step S2 the control unit 31 calculates the speed command value q r1 when operating the medical device 4 based on the received operation.
  • step S3 the control unit 31 multiplies the calculated speed command value q r1 by the gain K F of the feed forward control.
  • step S4 the control unit 31 limits the speed command value q r1 multiplied by the gain K F of the feedforward control within the range of the speed limit value lim 1 .
  • step S5 the control unit 31 calculates the acceleration command value q r2 by differentiating the speed command value q lim1 limited within the range of the speed limit value lim 1 , and also obtains the acceleration command value q r2 . It is limited to the range of the acceleration limit value lim 2 .
  • step S6 the control unit 31 operates based on the speed command value q lim1 limited to the range of the speed limit value lim 1 and the acceleration command value q lim2 limited to the range of the acceleration limit value lim 2 .
  • the command value q is calculated, and the operation of the medical device 4 is controlled based on the operation command value q.
  • step S7 the control unit 31 feeds back the calculated operation command value q. Then, the control unit 31 calculates a correction command value dq r'that corrects the deviation of the pivot position PP based on the feedback operation command value q and the input position command value x r . The control unit 31 adds the calculated correction command value dq r'to the speed command value q r1 before being restricted within the range of the speed limit value lim 1 .
  • steps S1 to S7 are always performed during the operation of the arm 60, and are performed for each of the plurality of arms 60.
  • the control unit 31 limits the speed command value q r1 within the range of the speed limit value lim 1 , and limits the acceleration command value q r 2 within the range of the acceleration limit value lim 2 . ..
  • the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 are limited, so that the movement amount of the arm 60 per unit time is large. Is suppressed.
  • the servomotor M1 provided in the joint portion 64 of the arm 60 is suppressed from rotating at an excessively high speed, it is possible to protect parts such as the servomotor M1 constituting the joint portion 64 of the arm 60. .. Further, since the increase in the amount of movement of the arm 60 per unit time is suppressed, the vibration of the arm 60 due to the increase in the amount of movement of the arm 60 per unit time can be suppressed. As a result, it is possible to protect the parts constituting the joint portion 64 of the arm 60 and suppress the vibration of the arm 60.
  • the arm 60 has a plurality of joint portions 64
  • the control unit 31 sets the speed command value q r1 and the acceleration command value q r 2 to the axes of the plurality of joint portions 64.
  • the limit rate of the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 of the axis having the largest limit of the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 among the axes of the plurality of joints 64 calculated for each.
  • the velocity command value q r1 and the acceleration command value q r2 of the other axes are limited based on.
  • the pivot position PP which is the fulcrum of the rotational movement of the medical instrument 4 is set, and the velocity command value qr1 and the acceleration command value qr2 for each axis do not shift the pivot position PP. Is set to. That is, the velocity command values q r1 for each axis maintain a constant relationship, and the acceleration command values q r 2 for each axis maintain a constant relationship.
  • the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 are limited for each of the axes of the plurality of joints 64, the constant relationship between the speed command values q r1 for each axis and the acceleration command value q for each axis A certain relationship of r2 is broken. Therefore, as described above, the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 of the other axes are set based on the limit rate of the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 of the axis having the largest limited amount.
  • the constant relationship between the velocity command values q r1 for each axis and the constant relationship for the acceleration command value q r2 for each axis are suppressed, so that the joint portion 64 of the arm 60 is configured. It is possible to prevent the pivot position PP from shifting while protecting the parts to be used and suppressing the vibration of the arm 60.
  • the control unit 31 has an overspeed rate ⁇ 1 with respect to the speed limit value lim 1 among the speed command values q r1 calculated for each of the axes of the plurality of joint units 64. Divides the speed command value q r1 of the other axis by the speed excess rate ⁇ 1 of the axis with the largest, and limits the speed command value q r 1 for each axis of the other axis, and limits the speed command value q r1 for each axis of the plurality of joints 64.
  • the acceleration command value q r2 of the other axis is divided by the acceleration excess rate ⁇ 2 of the axis having the largest acceleration excess rate ⁇ 2 with respect to the acceleration limit value lim 2 .
  • the speed command value q r1 of the other axis is divided by the speed command value q r1 of the axis having the largest speed excess rate ⁇ 1 , so that a constant relationship between the speed command values q r1 for each axis is maintained.
  • the speed command value q r1 for each axis can be limited.
  • the acceleration command value q r2 of the other axis is divided by the acceleration excess rate ⁇ 2 of the axis having the largest acceleration excess rate ⁇ 2 with respect to the acceleration limit value lim 2 , the acceleration command value q r 2 for each axis. It is possible to limit the acceleration command value q r2 for each axis while maintaining a constant relationship between them.
  • the control unit 31 has the acceleration command value limited to the range of the speed command value q lim1 and the acceleration limit value lim 2 limited to the range of the speed limit value lim 1 .
  • the operation command value q based on q lim2 is calculated, and the correction command value dq r'that corrects the deviation of the pivot position PP that is the fulcrum of the rotational movement of the medical device 4 is calculated based on the calculated operation command value q.
  • the operation command value q is set by the correction command value dq r'in each axis unit. By being corrected, the deviation of the pivot position PP can be corrected for each axis.
  • the control unit 31 adds the correction command value dq r'to the speed command value q r1 before limiting the speed within the range of the speed limit value lim 1 .
  • the speed command value q r1 can be limited in a state where the deviation of the pivot position PP is taken into consideration.
  • the control unit 31 feeds back the calculated operation command value q, and the fed back operation command value q (specifically, x r'based on the operation command value q). Inverse kinematics conversion is performed to calculate the inverse kinematics conversion command value q r ', and the correction command value dq r'is calculated based on the inverse kinematics conversion command value q r '. ..
  • the calculated operation command value q is fed back. Therefore, the misalignment of the medical device 4 can be suppressed.
  • the operation manipulator arm 21 receives the input position command value xr for the medical device 4, and the control unit 31 feeds back the calculated operation command value q and feeds it back.
  • the motion command value q is converted by forward kinematics
  • the command value x after conversion to forward kinematics is calculated
  • the input position command value xr and the command value x after conversion to forward kinematics are converted by inverse kinematics.
  • the motion command value q representing the displacement of the joint portion 64 of the arm 60 is converted to the position of the arm 60 (medical instrument 4) by the conversion by forward kinematics, so that the input position corresponding to the position of the arm 60
  • feedback control can be performed based on the difference between the input position command value x r and the operation command value q.
  • the correction command value dq r' is calculated by calculating the correction command value dq r'based on both the operation command value q and the command value after inverse kinematics conversion q r ', the deviation of the pivot position PP can be further suppressed.
  • the control unit 31 multiplies the calculated speed command value qr1 by the gain KF of the feedforward control, and the value of the position that is the target of the movement of the medical device 4. Based on the difference (distance L) between the target value, which is the current value of the medical device 4, and the current value, which is the current position of the medical device 4, the contribution of the feedback control to the contribution of the feedforward control to the speed command value qr1 is increased. As shown above, the gain K F of the feedforward control is set.
  • the feedforward control at the current position pivots.
  • the position PP shifts. Therefore, as described above, by setting the gain K F of the feedforward control so as to increase the contribution of the feedforward control to the contribution of the feedforward control to the speed command value qr1 , the feedback is higher than that of the feedforward control. Since the contribution of control is large, it is possible to suppress the misalignment of the medical device 4. As a result, the deviation of the pivot position PP can be further suppressed.
  • the gain K F becomes smaller as the difference (distance L) between the target value and the current value becomes larger.
  • the difference (distance L) between the target value and the current value increases, the deviation of the pivot position PP increases. Therefore, by reducing the gain KF as the difference (distance L) between the target value and the current value increases as described above, even if the difference (distance L) between the target value and the current value increases. , The deviation of the pivot position PP can be effectively suppressed.
  • the gain K F linearly decreases as the difference (distance L) between the target value and the current value increases.
  • the speed command value q r1 is set within the range of the speed limit value lim1 . It includes a step of limiting and a step of limiting the acceleration command value q r2 within the range of the acceleration limit value lim 2 .
  • the servomotor M1 provided in the joint portion 64 of the arm 60 is suppressed from rotating at an excessively high speed, it is possible to protect parts such as the servomotor M1 constituting the joint portion 64 of the arm 60. .. Further, since the increase in the amount of movement of the arm 60 per unit time is suppressed, the vibration of the arm 60 due to the increase in the amount of movement of the arm 60 per unit time can be suppressed. As a result, it is possible to provide a control unit 31 of the surgical system 100 capable of protecting the parts constituting the joint portion 64 of the arm 60 and suppressing the vibration of the arm 60.
  • control unit 31 is provided in the medical manipulator 1, but the present disclosure is not limited to this.
  • control unit 31 may be provided in the remote control device 2.
  • control unit 31 may be provided separately from the medical manipulator 1 and the remote control device 2.
  • the speed command of the other axis is based on the limit rate of the speed command value q r1 and the acceleration command value q r2 of the axis having the largest amount of limitation among the axes of the plurality of joint portions 64.
  • An example of limiting the value q r1 and the acceleration command value q r2 has been shown, but the present disclosure is not limited to this.
  • feedforward control is performed with respect to the calculated speed command value qr1
  • the present disclosure is not limited to this.
  • it may be configured not to perform feedforward control.
  • the gain of feedforward control is linearly reduced, but the present disclosure is not limited to this.
  • the gain of feedforward control may be reduced exponentially.
  • the present disclosure is not limited to this.
  • the number of arms 60 may be any other number as long as at least one is provided.
  • the arm portion 61 and the positioner 40 are composed of a 7-axis articulated robot is shown, but the present disclosure is not limited to this.
  • the arm portion 61 and the positioner 40 may be configured by an articulated robot having an axis configuration (for example, 6 axes or 8 axes) other than the 7-axis articulated robot.
  • the medical manipulator 1 includes the medical trolley 3, the positioner 40, and the arm base 50, but the present disclosure is not limited to this.
  • the medical trolley 3, the positioner 40, and the arm base 50 are not always necessary, and the medical manipulator 1 may be composed of only the arm 60.
  • the functions of the elements disclosed herein include general purpose processors, dedicated processors, integrated circuits, ASICs (Application Specific Integrated Circuits), conventional circuits, and / or them, configured or programmed to perform the disclosed functions. Can be performed using a circuit or processing circuit that includes a combination of.
  • a processor is considered a processing circuit or circuit because it contains transistors and other circuits.
  • a circuit, unit, or means is hardware that performs the listed functions or is programmed to perform the listed functions.
  • the hardware may be the hardware disclosed herein, or it may be other known hardware that is programmed or configured to perform the listed functions. If the hardware is a processor considered to be a type of circuit, the circuit, means, or unit is a combination of hardware and software, and the software is used to configure the hardware and / or processor.

Abstract

この手術支援システム（１００）では、制御部（３１）は、速度指令値（ｑｒ１）を速度制限値（ｌｉｍ１）の範囲内に制限し、加速度指令値（ｑｒ２）を加速度制限値（ｌｉｍ２）の範囲内に制限する。

Description

手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法
　この発明は、手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法に関し、特に、操作部が受け付けた操作に基づいて医療器具の動作を制御する手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法に関する。
　従来、アームと、アームの末端に接続されるツール（医療器具）と、入力ハンドル（操作部）とを備えるロボット外科用システムが知られている。例えば、特表２０１８－５０５７３９号公報に記載のロボット外科用システムでは、操作部が受け付けた操作量に基づいて医療器具の移動を制御している。医療器具は、外科部位である患者の体の内部において移動する。
特表２０１８－５０５７３９号公報
　しかしながら、従来、アームの関節に含まれるモータなどの部品の保護や、アームの振動の抑制に関して改善の余地がある。例えば、入力ハンドルが受け付けた操作量が大きい場合、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなる。この場合、アームの関節に設けられるモータが過度に高速に回転してモータを構成する部品が破損するおそれがある。また、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因して、アームが振動するおそれがある。
　この開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この開示の１つの目的は、アームの関節を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することが可能な手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法を提供することである。
　上記目的を達成するために、この開示の第１の局面による手術支援システムは、手術支援システムであって、先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置と、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、受け付けられた操作に基づいて、医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する。
　この開示の第１の局面による手術支援システムでは、上記のように、制御部は、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する。これにより、操作部が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値および加速度指令値の両方が制限されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アームの関節部に設けられるモータが過度に高速に回転するのが抑制されるので、アームの関節部を構成するモータなどの部品を保護することができる。また、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアームの振動を抑制することができる。これらの結果、アームの関節部を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することができる。
　この開示の第２の局面による手術支援システムの制御装置は、先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置と、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、を備える手術支援システムの制御装置であって、受け付けられた操作に基づいて、医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御する制御部を備え、制御部は、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する。
　この開示の第２の局面による手術支援システムの制御装置では、上記のように、制御部は、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する。これにより、操作部が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値および加速度指令値の両方が制限されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アームの関節部に設けられるモータが過度に高速に回転するのが抑制されるので、アームの関節部を構成するモータなどの部品を保護することができる。また、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアームの振動を抑制することができる。これらの結果、アームの関節部を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することが可能な手術支援システムの制御装置を提供することができる。
　この開示の第３の局面による手術支援システムの制御方法は、先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置と、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、を備える手術支援システムの制御方法であって、医療器具に対する操作を受け付けるステップと、受け付けられた操作に基づいて、医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御するステップと、を備え、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御するステップは、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限するステップと、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限するステップとを含む。
　この開示の第３の局面による手術支援システムの制御方法では、上記のように、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御するステップは、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限するステップと、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限するステップとを含む。これにより、操作部が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値および加速度指令値の両方が制限されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アームの関節部に設けられるモータが過度に高速に回転するのが抑制されるので、アームの関節部を構成するモータなどの部品を保護することができる。また、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアームの振動を抑制することができる。これらの結果、アームの関節部を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することが可能な手術支援システムの制御方法を提供することができる。
　本開示によれば、上記のように、アームの関節部を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することができる。
本開示の一実施形態による外科手術システムの構成を示す図である。 本開示の一実施形態による医療用マニピュレータの構成を示す図である。 本開示の一実施形態による医療用マニピュレータのアームの構成を示す図である。 鉗子を示す図である。 本開示の一実施形態による医療用マニピュレータの操作部の構成を示す斜視図である。 内視鏡を示す図である。 ピボット位置教示器具を示す図である。 アームの並進移動を説明するための図である。 アームの回転移動を説明するための図である。 本開示の一実施形態による医療用マニピュレータの制御部の構成を示すブロック図である。 本開示の一実施形態による制御部の構成を示すブロック図である。 比較例による制限された速度指令値（または加速度指令値）のイメージ図である。 本開示の一実施形態による制限された速度指令値（または加速度指令値）のイメージ図である。 本開示の一実施形態によるフィードフォワード制御のゲインを説明するための図である。 医療器具の目標値と現在値とを示す図（１）である。 医療器具の目標値と現在値とを示す図（２）である。 本開示の一実施形態による外科手術システムの制御方法を説明するためのフロー図である。
　以下、本開示を具体化した本開示の一実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１～図１６を参照して、本実施形態による外科手術システム１００の構成について説明する。外科手術システム１００は、患者Ｐ側装置である医療用マニピュレータ１と、医療用マニピュレータ１を操作するための操作者側装置である遠隔操作装置２とを備えている。医療用マニピュレータ１は医療用台車３を備えており、移動可能に構成されている。遠隔操作装置２は、医療用マニピュレータ１から離間した位置に配置されており、医療用マニピュレータ１は、遠隔操作装置２により遠隔操作されるように構成されている。術者は、医療用マニピュレータ１に所望の動作を行わせるための指令を遠隔操作装置２に入力する。遠隔操作装置２は、入力された指令を医療用マニピュレータ１に送信する。医療用マニピュレータ１は、受信した指令に基づいて動作する。また、医療用マニピュレータ１は、滅菌された滅菌野である手術室内に配置されている。なお、外科手術システム１００は、請求の範囲の「手術支援システム」の一例である。
　遠隔操作装置２は、たとえば、手術室の中または手術室の外に配置されている。遠隔操作装置２は、操作用マニピュレータアーム２１と、操作ペダル２２と、タッチパネル２３と、モニタ２４と、支持アーム２５と、支持バー２６とを含む。操作用マニピュレータアーム２１は、術者が指令を入力するための操作用のハンドルを構成する。操作用マニピュレータアーム２１は、医療器具４に対する操作量を受け付ける。モニタ２４は、内視鏡により撮影された画像を表示するスコープ型表示装置である。支持アーム２５は、モニタ２４の高さを術者の顔の高さに合わせるようにモニタ２４を支持する。タッチパネル２３は、支持バー２６に配置されている。モニタ２４近傍に設けられた図示しないセンサにより術者の頭部を検知することにより医療用マニピュレータ１は遠隔操作装置２による操作が可能になる。術者は、モニタ２４により患部を視認しながら、操作用マニピュレータアーム２１および操作ペダル２２を操作する。これにより、遠隔操作装置２に指令が入力される。遠隔操作装置２に入力された指令は、医療用マニピュレータ１に送信される。なお、操作用マニピュレータアーム２１は、請求の範囲の「操作部」の一例である。
　医療用台車３には、医療用マニピュレータ１の動作を制御する制御部３１と、医療用マニピュレータ１の動作を制御するためのプログラムなどが記憶される記憶部３２とが設けられている。そして、遠隔操作装置２に入力された指令に基づいて、医療用台車３の制御部３１は、医療用マニピュレータ１の動作を制御する。なお、制御部３１は、請求の範囲の「手術支援システムの制御装置」の一例である。
　また、医療用台車３には、入力装置３３が設けられている。入力装置３３は、主に施術前に手術の準備を行うために、ポジショナ４０、アームベース５０、および、複数のアーム６０の移動や姿勢の変更の操作を受け付けるように構成されている。
　図１および図２に示す医療用マニピュレータ１は、手術室内に配置されている。医療用マニピュレータ１は、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０と、複数のアーム６０とを備えている。アームベース５０は、ポジショナ４０の先端に取り付けられている。アームベース５０は、比較的長い棒形状（長尺形状）を有する。また、複数のアーム６０は、各々のアーム６０の根元部が、アームベース５０に取り付けられている。複数のアーム６０は、折り畳まれた姿勢（収納姿勢）をとることが可能に構成されている。アームベース５０と、複数のアーム６０とは、図示しない滅菌ドレープにより覆われて使用される。
　ポジショナ４０は、たとえば、７軸多関節ロボットにより構成されている。また、ポジショナ４０は、医療用台車３上に配置されている。ポジショナ４０は、アームベース５０を移動させる。具体的には、ポジショナ４０は、アームベース５０の位置を３次元に移動させるように構成されている。
　また、ポジショナ４０は、ベース部４１と、ベース部４１に連結された複数のリンク部４２とを含む。複数のリンク部４２同士は、関節部４３により連結されている。
　図１に示すように、複数のアーム６０の各々の先端には、医療器具４が取り付けられている。医療器具４は、たとえば、取り換え可能なインストゥルメント、内視鏡６（図６参照）などを含む。
　図３に示すように、インストゥルメントには、アーム６０のホルダ７１に設けられたサーボモータＭ２によって駆動される被駆動ユニット４ａが設けられている。また、インストゥルメントの先端には、鉗子４ｂが設けられている。なお、鉗子４ｂは、請求の範囲の「エンドエフェクタ」の一例である。
　また、図４に示すように、インストゥルメントは、鉗子４ｂを第１軸Ａ１について回転可能に支持する第１支持体４ｅと、第１支持体４ｅを第２軸Ａ２について回転可能に支持する第２支持体４ｆと、第２支持体４ｆに接続されるシャフト４ｃとを含む。被駆動ユニット４ａと、シャフト４ｃと、第２支持体４ｆと、第１支持体４ｅと、鉗子４ｂとは、Ｚ方向に沿って配置されている。
　第１支持体４ｅには、第１軸Ａ１の回転軸線Ｒ１周りに回転するように鉗子４ｂが取り付けられている。また、第２支持体４ｆは、第１支持体４ｅを第２軸Ａ２について回転可能に支持している。つまり、第２支持体４ｆには、第２軸Ａ２の回転軸線Ｒ２周りに回転するように第１支持体４ｅが取り付けられている。また、第１支持体４ｅの先端側（Ｚ１方向側）の部分は、Ｕ字形状を有している。第１支持体４ｅのＵ字形状の先端側の部分の回転軸線Ｒ１方向における中央部にツールセンタポイント（ＴＣＰ１）が設定されている。
　また、図６に示すように、内視鏡６のＴＣＰ２は、内視鏡６の先端に設定されている。
　次に、アーム６０の構成について詳細に説明する。
　図３に示すように、アーム６０は、アーム部６１（ベース部６２、リンク部６３、関節部６４）と、アーム部６１の先端に設けられる並進移動機構部７０とを含む。アーム６０は、アーム６０の根元側（アームベース５０）に対して先端側を３次元に移動させるように構成されている。なお、複数のアーム６０は、互いに同様の構成を有する。
　並進移動機構部７０は、アーム部６１の先端側に設けられるとともに医療器具４が取り付けられている。また、並進移動機構部７０は、医療器具４を患者Ｐに挿入する方向に並進移動させる。また、並進移動機構部７０は、医療器具４をアーム部６１に対して相対的に並進移動させるように構成されている。具体的には、並進移動機構部７０には、医療器具４を保持するホルダ７１が設けられている。ホルダ７１には、サーボモータＭ２（図１０参照）が収容されている。サーボモータＭ２は、医療器具４の被駆動ユニット４ａに設けられた回転体を回転させるように構成されている。被駆動ユニット４ａの回転体が回転されることにより、鉗子４ｂが動作される。
　アーム部６１は、７軸多関節ロボットアームから構成されている。また、アーム部６１は、アーム部６１をアームベース５０に取り付けるためのベース部６２と、ベース部６２に連結された複数のリンク部６３とを含む。複数のリンク部６３同士は、関節部６４により連結されている。
　並進移動機構部７０は、ホルダ７１をＺ方向に沿って並進移動させることにより、ホルダ７１に取り付けられた医療器具４をＺ方向（シャフト４ｃが延びる方向）に沿って並進移動させるように構成されている。具体的には、並進移動機構部７０は、アーム部６１の先端に接続される基端側リンク部７２と、先端側リンク部７３と、基端側リンク部７２と先端側リンク部７３との間に設けられる連結リンク部７４とを含む。また、ホルダ７１は、先端側リンク部７３に設けられている。
　そして、並進移動機構部７０の連結リンク部７４は、基端側リンク部７２に対して、先端側リンク部７３を、Ｚ方向に沿って相対的に移動させる倍速機構として構成されている。また、基端側リンク部７２に対して先端側リンク部７３がＺ方向に沿って相対的に移動されることにより、ホルダ７１に設けられた医療器具４が、Ｚ方向に沿って並進移動するように構成されている。また、アーム部６１の先端は、基端側リンク部７２を、Ｚ方向に直交するＸ方向を軸として回動させるように基端側リンク部７２に接続されている。
　また、図５に示すように、医療用マニピュレータ１は、アーム６０に取り付けられ、アーム６０を操作する操作部８０を備えている。操作部８０は、イネーブルスイッチ８１と、ジョイスティック８２とスイッチ部８３とを含む。イネーブルスイッチ８１は、ジョイスティック８２およびスイッチ部８３によるアーム６０の移動を許可または不許可とする。また、イネーブルスイッチ８１は、操作者（看護師、助手など）が操作部８０を把持して押下されることによりアーム６０による医療器具４の移動を許可する状態となる。
　また、スイッチ部８３は、医療器具４の長手方向に沿った医療器具４を患者Ｐに挿入する方向側に医療器具４を移動させるスイッチ部８３ａと、医療器具４を患者Ｐに挿入する方向と反対側に医療器具４を移動させるスイッチ部８３ｂとを含む。スイッチ部８３ａとスイッチ部８３ｂとは、共に、押しボタンスイッチから構成されている。
　また、図５に示すように、操作部８０は、アーム６０に取り付けられた医療器具４の移動の支点（図９参照）となるピボット位置ＰＰを教示するピボットボタン８５を含む。ピボットボタン８５は、操作部８０の面８０ｂに、イネーブルスイッチ８１に隣り合うように設けられている。そして、内視鏡６（図６参照）またはピボット位置教示器具７（図７）の先端が、患者Ｐの体表面Ｓに挿入されたトロカールＴの挿入位置に対応する位置まで移動された状態で、ピボットボタン８５が押下されることによりピボット位置ＰＰが教示され、記憶部３２に記憶される。なお、ピボット位置ＰＰの教示において、ピボット位置ＰＰは、１つの点（座標）として設定され、ピボット位置ＰＰの教示は、医療器具４の方向を設定するものではない。
　また、図１に示すように、複数のアーム６０のうちの一つのアーム６０（たとえば、アーム６０ｂ）には内視鏡６が取り付けられ、残りのアーム６０（たとえば、アーム６０ａ、６０ｃおよび６０ｄ）には、内視鏡６以外の医療器具４が取り付けられる。具体的には、手術において、４つのアーム６０のうちの１つのアーム６０に内視鏡６が取り付けられ、３つのアーム６０に内視鏡６以外の医療器具４（鉗子４ｂなど）が取り付けられる。そして、内視鏡６が取り付けられているアーム６０に対して、内視鏡６が取り付けられた状態でピボット位置ＰＰが教示される。また、内視鏡６以外の医療器具４が取り付けられるアーム６０に対して、ピボット位置教示器具７が取り付けられた状態でピボット位置ＰＰが教示される。なお、内視鏡６は、互いに隣り合うように配置されている４つのアーム６０のうちの、中央に配置される２つのアーム６０（アーム６０ｂおよび６０ｃ）のうちのいずれかに取り付けられる。すなわち、ピボット位置ＰＰは、複数のアーム６０毎に個別に設定される。
　また、図５に示すように、操作部８０の面８０ｂには、アーム６０の位置を最適化するためのアジャストメントボタン８６が設けられている。内視鏡６が取り付けられたアーム６０に対するピボット位置ＰＰの教示後、アジャストメントボタン８６が押下されることにより、他のアーム６０（アームベース５０）の位置が最適化される。
　また、図５に示すように、操作部８０は、アーム６０に取り付けられた医療器具４を並進移動（図８参照）させるモードと、回転移動（図９参照）させるモードとを切り替えるモード切替ボタン８４を含む。また、モード切替ボタン８４の近傍には、モードインジケータ８４ａが設けられている。モードインジケータ８４ａは、切り替えられたモードを表示する。具体的には、モードインジケータ８４ａが点灯（回転移動モード）または消灯（並進移動モード）されることにより、現在のモード（並進移動モードまたは回転移動モード）が表示される。
　また、モードインジケータ８４ａは、ピボット位置ＰＰが教示されたことを表示するピボット位置インジケータを兼ねている。
　図８に示すように、アーム６０を並進移動させるモードでは、医療器具４の先端４ｄが、Ｘ－Ｙ平面上において移動するように、アーム６０が移動される。また、図９に示すように、アーム６０を回転移動させるモードでは、ピボット位置ＰＰが教示されていない時は、鉗子４ｂを中心に回転移動し、ピボット位置ＰＰが教示されている時は、ピボット位置ＰＰを支点として医療器具４が回転移動するように、アーム６０が移動される。なお、医療器具４のシャフト４ｃがトロカールＴに挿入された状態で、医療器具４が回転移動される。
　また、図１０に示すように、アーム６０には、アーム部６１の複数の関節部６４に対応するように、複数のサーボモータＭ１と、エンコーダＥ１と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ１は、サーボモータＭ１の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ１の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。
　また、図１０に示すように、並進移動機構部７０には、医療器具４の被駆動ユニット４ａに設けられた回転体を回転させるためのサーボモータＭ２と、医療器具４を並進移動させるためのサーボモータＭ３と、エンコーダＥ２およびエンコーダＥ３と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ２およびエンコーダＥ３は、それぞれ、サーボモータＭ２およびサーボモータＭ３の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ２およびサーボモータＭ３の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。
　また、ポジショナ４０には、ポジショナ４０の複数の関節部４３に対応するように、複数のサーボモータＭ４と、エンコーダＥ４と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ４は、サーボモータＭ４の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ４の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。
　また、医療用台車３には、医療用台車３の複数の前輪（図示せず）の各々を駆動するサーボモータＭ５と、エンコーダＥ５と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ５は、サーボモータＭ５の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ５の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。
　医療用台車３の制御部３１は、指令に基づいて複数のアーム６０の移動を制御するアーム制御部３１ａと、指令に基づいてポジショナ４０の移動および医療用台車３の前輪（図示せず）の駆動を制御するポジショナ制御部３１ｂとを含む。アーム制御部３１ａには、アーム６０を駆動するためのサーボモータＭ１を制御するためのサーボ制御部Ｃ１が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ１には、サーボモータＭ１の回転角を検出するためのエンコーダＥ１が電気的に接続されている。
　また、アーム制御部３１ａには、医療器具４を駆動するためのサーボモータＭ２を制御するためのサーボ制御部Ｃ２が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ２には、サーボモータＭ２の回転角を検出するためのエンコーダＥ２が電気的に接続されている。また、アーム制御部３１ａには、並進移動機構部７０を並進移動するためのサーボモータＭ３を制御するためのサーボ制御部Ｃ３が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ３には、サーボモータＭ３の回転角を検出するためのエンコーダＥ３が電気的に接続されている。
　そして、遠隔操作装置２に入力された動作指令が、アーム制御部３１ａに入力される。アーム制御部３１ａは、入力された動作指令と、エンコーダＥ１（Ｅ２、Ｅ３）により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１（Ｃ２、Ｃ３）に出力する。サーボ制御部Ｃ１（Ｃ２、Ｃ３）は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１（Ｅ２、Ｅ３）により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１（Ｍ２、Ｍ３）に出力する。これにより、遠隔操作装置２に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。
　具体的には、本実施形態では、図１１に示すように、制御部３１は、遠隔操作装置２の操作用マニピュレータアーム２１に受け付けられた操作（入力位置指令値ｘｒ）に基づいて、医療器具４を動作させる際の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を算出し、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２に基づいて医療器具４の動作を制御する。そして、制御部３１は、速度指令値ｑｒ１（後述する補正指令値ｄｑｒ’が０でない場合は、補正指令値ｄｑｒ’が加算された速度指令値ｑｒ３）を速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限し、加速度指令値ｑｒ２（後述する（ｑｌｉｍ１－ｑ１）が０でない場合には、ｑｒ２＋（ｑｌｉｍ１－ｑ１）×Ｋｖｐ）を加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限する。
　詳細には、制御部３１は、遠隔操作装置２の操作用マニピュレータアーム２１が受け付けた操作（入力位置指令値ｘｒ）に対して、逆運動学による変換（逆変換）を行うことにより、動作指令値ｑｒを算出するとともに、動作指令値ｑｒを微分することにより速度指令値ｑｒ１を算出する。そして、制御部３１は、速度指令値ｑｒ１（具体的には、補正指令値ｄｑｒ’が加算された速度指令値ｑｒ３）を速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限する。なお、速度制限値ｌｉｍ１は、たとえば、サーボモータＭ１の仕様によって予め定められている。
　さらに制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限された速度指令値ｑｌｉｍ１を微分することにより、加速度指令値ｑｒ２を算出する。また、制御部３１は、後述する速度指令値ｑ１をフィードバックして、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限された速度指令値ｑｌｉｍ１から減算する。また、制御部３１は、減算した値（ｑｌｉｍ１－ｑ１）にゲインＫｖｐを乗算し、乗算後の値（（ｑｌｉｍ１－ｑ１）×Ｋｖｐ）を、加速度指令値ｑｒ２に加算する。そして、制御部３１は、加算後の値（ｑｒ２＋（ｑｌｉｍ１－ｑ１）×Ｋｖｐ）を、加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限する。
　そして、制御部３１は、加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限された加速度指令値ｑｌｉｍ２を積分して、速度指令値ｑ１を算出する。さらに、制御部３１は、速度指令値ｑ１を積分して、動作指令値ｑを算出する。
　なお、上記の制御部３１の制御は、アーム６０の軸毎に行われる。
　また、本実施形態では、制御部３１は、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を、複数の関節部６４の軸毎に算出する。そして、制御部３１は、複数の関節部６４の軸のうち、最も制限される量の大きい軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２に基づいて、他の軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を制限する。
　具体的には、本実施形態では、制御部３１は、複数の関節部６４の軸毎に算出された速度指令値ｑｒ１のうち、速度制限値ｌｉｍ１に対して速度超過率が最も大きい軸の速度超過率により、他の軸の速度指令値ｑｒ１を除算して、他の軸の速度指令値ｑｒ１を制限する。詳細には、下記の数式１に基づいて、最大の速度超過率α１を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ｑｒ１ｉは、制限される前の軸毎の速度指令値ｑｒ１を表している。なお、アーム６０の軸の数は、アーム部６１の軸と並進移動機構部７０の軸（直動軸および鉗子軸）とを含めて１２である。この場合、ｉは、１～１２のいずれかの値である。また、ｌｉｍ１ｉは、軸毎の速度制限値である。また、速度超過率α１は、１以上の値となる。軸毎の速度指令値ｑｒ１ｉのいずれもが速度制限値ｌｉｍ１ｉを超えていない場合、速度超過率α１は、１となる。なお、アーム部６１の軸および並進移動機構部７０の直動軸のみを考慮して、上記のｉを８としてもよい。
　そして、下記の数式２によって、制限された速度指令値ｑｌｉｍ１ｉを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、本実施形態では、複数の関節部６４の軸毎に算出された加速度指令値ｑｒ２のうち、加速度制限値ｌｉｍ２に対して加速度超過率が最も大きい軸の加速度超過率により、他の軸の加速度指令値ｑｒ２を除算して、他の軸の加速度指令値ｑｒ２を制限する。詳細には、下記の数式３に基づいて、最大の加速度超過率α２を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここで、ｑｒ２ｉは、制限される前の軸毎の加速度指令値ｑｒ２を表している。また、ｌｉｍ２ｉは、軸毎の加速度制限値である。また、加速度超過率α２は、１以上の値となる。軸毎の加速度指令値ｑｒ２ｉのいずれもが加速度制限値ｌｉｍ２ｉを超えていない場合、加速度超過率α２は、１となる。
　そして、下記の数式４によって、制限された加速度指令値ｑｌｉｍ２ｉを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　次に、図１２および図１３を参照して、速度指令値ｑｒ１の制限のイメージについて説明する。なお、加速度指令値ｑｒ２の制限のイメージも同様である。
　図１２は、比較例による速度指令値ｑｒ１の制限を示すイメージ図であり、一例として、アーム部６１の２つの軸（Ｊ１軸およびＪ２軸）の速度指令値の制限のイメージを示している。具体的には、図１２は、Ｊ１軸の制限される前の速度指令値ｑｒ１１（細い点線）と、Ｊ１軸の制限された後の速度指令値ｑｌｉｍ１１（細い実線）と、Ｊ２軸の制限される前の速度指令値ｑｒ１２（太い点線）と、Ｊ２軸の制限された後の速度指令値ｑｌｉｍ１２（太い実線）とを表している。また、Ｊ１軸の速度制限値を、ｌｉｍ１１とし、Ｊ２軸の速度制限値を、ｌｉｍ１２としている。図１２に示すように、Ｊ１軸の速度指令値ｑｒ１１が、速度制限値ｌｉｍ１１の範囲内（－ｌｉｍ１１以上ｌｉｍ１１以下）となるように制限されている。また、Ｊ２軸の速度指令値ｑｒ１２が、速度制限値ｌｉｍ１２の範囲内（－ｌｉｍ１２以上ｌｉｍ１２以下）となるように制限されている。このように、各軸において速度指令値ｑｒ１１およびｑｒ１２を個別に制限すると、制限後の速度指令値ｑｌｉｍ１１と速度指令値ｑｌｉｍ１２とは、制限前の速度指令値ｑｒ１１と制限前の速度指令値ｑｒ１２との間の一定の関係が崩れてしまう。
　たとえば、制限前の速度指令値ｑｒ１１および速度指令値ｑｒ１２が、各々、１０および８という値であるとする。速度制限値ｌｉｍ１１および速度制限値ｌｉｍ１２が、２であるとすると、制限後の速度指令値ｑｌｉｍ１１および速度指令値ｑｌｉｍ１２は、共に、２となる。すなわち、制限前の速度指令値ｑｒ１１と速度指令値ｑｒ１２との比が、１０：８であるのに対して、制限後の速度指令値ｑｌｉｍ１１と速度指令値ｑｌｉｍ１２との比は、２：２となる。このため、ピボット位置ＰＰがずれてしまうという不都合がある。
　図１３は、本実施形態による速度指令値ｑｒ１の制限を示すイメージ図である。図１３では、上記の数式１および数式２に基づいて、Ｊ１軸の速度指令値ｑｒ１１およびＪ２軸の速度指令値ｑｒ１２が制限されている。たとえば、期間ｔ１においては、Ｊ１軸の速度指令値ｑｒ１１の速度超過率が大きくなり、Ｊ１軸の速度超過率により、Ｊ２軸の速度指令値ｑｒ１２が除算されることにより制限されている。これにより、制限後の速度指令値ｑｌｉｍ１２が、図１２に示すような一定値ではなく、徐々に低下するように滑らかに変化する。たとえば、期間ｔ２においては、Ｊ２軸の速度指令値ｑｒ１２の速度超過率が大きくなり、Ｊ２軸の速度超過率により、Ｊ１軸の速度指令値ｑｒ１１が除算されることにより制限されている。これにより、制限後の速度指令値ｑｌｉｍ１１が、図１２に示すような一定値ではなく、徐々に低下するように滑らかに変化する。このように、上記の数式１および数式２に基づいて、各軸において速度指令値ｑｒ１１およびｑｒ１２を制限すると、制限前の速度指令値ｑｒ１１と速度指令値ｑｒ１２との間の一定の関係が維持される。
　たとえば、制限前の速度指令値ｑｒ１１および速度指令値ｑｒ１２が、各々、１０および８という値であるとする。速度制限値ｌｉｍ１１および速度制限値ｌｉｍ１２が２であるとすると、Ｊ１軸の速度超過率が５（＝１０／２）であり、Ｊ１軸の速度超過率が４（＝８／２）であり、上記の数式１に基づいて、α１は、５となる。そして、上記の数式に２に基づいて、制限後の速度指令値ｑｌｉｍ１１と制限後の速度指令値ｑｌｉｍ１２との比は、２：８／５となり、制限前の比（１０：８）が維持される。これにより、ピボット位置ＰＰのずれが抑制される。
　また、本実施形態では、図１１に示すように、制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限された速度指令値ｑｌｉｍ１および加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限された加速度指令値ｑｌｉｍ２に基づく動作指令値ｑを算出する。そして、制御部３１は、算出した動作指令値ｑに基づいて、医療器具４の回転移動の支点となるピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑｒ’を算出する。
　具体的には、本実施形態では、操作用マニピュレータアーム２１は、医療器具４に対する入力位置指令値ｘｒを受け付ける。制御部３１は、算出された動作指令値ｑをフィードバックする。そして、制御部３１は、フィードバックされた動作指令値ｑに対して順運動学による変換（順変換）を行って、順運動学変換後指令値ｘを算出する。また、制御部３１は、入力位置指令値ｘｒおよび順運動学変換後指令値ｘを用いて計算したｘｒ’に対して逆運動学による変換（逆変換）を行うことにより、逆運動学変換後指令値ｑｒ’を算出する。そして、制御部３１は、動作指令値ｑおよび逆運動学変換後指令値ｑｒ’に基づいて、ピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑｒ’を算出する。
　詳細には、制御部３１は、下記の数式５に基づいて、逆運動学変換後指令値ｑｒ’を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ここで、ｘは、鉗子４ｂ先端の現在の位置である。βはゲインである。ｆ－１は、逆運動学による変換を意味する。
　そして、制御部３１は、逆運動学変換後指令値ｑｒ’から動作指令値ｑを減算する。また、減算後の値にゲインＫｐを乗算することにより、ピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑｒ’を算出する。
　そして、本実施形態では、制御部３１は、補正指令値ｄｑｒ’を、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限する前の速度指令値ｑｒ１に加算する。
　また、本実施形態では、制御部３１は、算出した速度指令値ｑｒ１に対してフィードフォワード制御のゲインＫＦを乗算する。そして、制御部３１は、医療器具４の移動の目標となる位置の値である目標値と、医療器具４の現在位置の値である現在値との差（距離Ｌ）に基づいて、速度指令値ｑｒ１に対するフィードフォワード制御の寄与に対してフィードバック制御の寄与を大きくするように、フィードフォワード制御のゲインＫＦを設定する。なお、目標値と現在値との間の距離Ｌは、たとえば、医療器具４の根元側（アーム部６１の先端側）の目標となる位置の値と現在の位置の値との間の距離Ｌである。なお、距離Ｌとして、目標となる軸値と現在の軸値との距離を適用してもよい。
　具体的には、本実施形態では、図１４に示すように、ゲインＫＦは、目標値と現在値との差（距離Ｌ、図１５参照）が大きくなるにしたがって線形的に小さくなる。たとえば、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が、Ｌ１未満の場合は、ゲインＫＦは、１とされる。また、距離Ｌが、Ｌ２を超える場合、ゲインＫＦは、Ｋ（１よりも小さい値）とされる。また、距離Ｌが、Ｌ１以上Ｌ２以下の場合、ゲインＫＦは、距離Ｌに応じて、Ｋと１との間で線形補間される。
　ここで、図１６に示すように、医療器具４の目標となる位置の値である目標値（ｔ）から、フィードフォワード制御による目標値（ｔ＋１）までの移動において、ピボット位置ＰＰのずれは発生しない。なお、ｔおよびｔ＋１は、時間を表す。一方、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を制限することにより、入力位置指令値ｘｒ対してｘの遅れが発生する。このため、現在の位置（現在値（ｔ））において、フィードフォワード制御により各軸を同じ量ずつ動作させると、ピボット位置ＰＰのずれが発生する。そこで、距離Ｌの大きさに応じてフィードフォワード制御のゲインＫＦを小さくし、フィードフォワード制御の寄与を小さくすることにより、ピボット位置ＰＰのずれが抑制される。
　また、図１０に示すように、制御部３１（アーム制御部３１ａ）は、操作部８０のジョイスティック８２からの入力信号に基づいてアーム６０を操作するように構成されている。具体的には、アーム制御部３１ａは、ジョイスティック８２から入力された入力信号（動作指令）と、エンコーダＥ１により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１に出力する。サーボ制御部Ｃ１は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１に出力する。これにより、ジョイスティック８２に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。
　制御部３１（アーム制御部３１ａ）は、操作部８０のスイッチ部８３からの入力信号に基づいてアーム６０を操作するように構成されている。具体的には、アーム制御部３１ａは、スイッチ部８３から入力された入力信号（動作指令）と、エンコーダＥ１またはＥ３により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１またはＣ３に出力する。サーボ制御部Ｃ１またはＣ３は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１またはＥ３により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１またはＭ３に出力する。これにより、スイッチ部８３に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。
　また、図１０に示すように、ポジショナ制御部３１ｂには、ポジショナ４０を移動するサーボモータＭ４を制御するためのサーボ制御部Ｃ４が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ４には、サーボモータＭ４の回転角を検出するためのエンコーダＥ４が電気的に接続されている。また、ポジショナ制御部３１ｂには、医療用台車３の前輪（図示せず）を駆動するサーボモータＭ５を制御するためのサーボ制御部Ｃ５が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ５には、サーボモータＭ５の回転角を検出するためのエンコーダＥ５が電気的に接続されている。
　また、入力装置３３から準備位置の設定などに関する動作指令が、ポジショナ制御部３１ｂに入力される。ポジショナ制御部３１ｂは、入力装置３３から入力された動作指令と、エンコーダＥ４により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ４に出力する。サーボ制御部Ｃ４は、ポジショナ制御部３１ｂから入力された位置指令と、エンコーダＥ４により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ４に出力する。これにより、入力装置３３に入力された動作指令に沿うように、ポジショナ４０が移動される。同様に、入力装置３３からの動作指令に基づいて、ポジショナ制御部３１ｂは、医療用台車３を移動させる。
　（外科手術システムの制御方法）
　次に、図１７を参照して、外科手術システム１００の制御方法について説明する。
　まず、ステップＳ１において、制御部３１は、医療器具４に対する操作を受け付ける。
　次に、ステップＳ２において、制御部３１は、受け付けた操作に基づいて、医療器具４を動作させる際の速度指令値ｑｒ１を算出する。
　次に、ステップＳ３において、制御部３１は、算出した速度指令値ｑｒ１に対してフィードフォワード制御のゲインＫＦを乗算する。
　次に、ステップＳ４において、制御部３１は、フィードフォワード制御のゲインＫＦが乗算された速度指令値ｑｒ１を速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限する。
　次に、ステップＳ５において、制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限された速度指令値ｑｌｉｍ１を微分することにより加速度指令値ｑｒ２を算出するとともに、加速度指令値ｑｒ２を加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限する。
　次に、ステップＳ６において、制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限された速度指令値ｑｌｉｍ１と加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限された加速度指令値ｑｌｉｍ２に基づく動作指令値ｑを算出するとともに、動作指令値ｑに基づいて医療器具４の動作を制御する。
　次に、ステップＳ７において、制御部３１は、算出した動作指令値ｑをフィードバックする。そして、制御部３１は、フィードバックした動作指令値ｑと、入力位置指令値ｘｒとに基づいて、ピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑｒ’を算出する。制御部３１は、算出された補正指令値ｄｑｒ’を、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限される前の速度指令値ｑｒ１に加算する。
　上記のステップＳ１～Ｓ７の動作は、アーム６０の動作中、常に行われるとともに、複数のアーム６０毎に行なわれる。
　［本実施形態の効果］
　本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
　（手術支援ロボット、医療用マニピュレータの効果）
　本実施形態では、上記のように、制御部３１は、速度指令値ｑｒ１を速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限し、加速度指令値ｑｒ２を加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限する。これにより、操作用マニピュレータアーム２１が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２の両方が制限されるので、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アーム６０の関節部６４に設けられるサーボモータＭ１が過度に高速に回転するのが抑制されるので、アーム６０の関節部６４を構成するサーボモータＭ１などの部品を保護することができる。また、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアーム６０の振動を抑制することができる。これらの結果、アーム６０の関節部６４を構成する部品を保護するとともに、アーム６０の振動を抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、アーム６０は、複数の関節部６４を有し、制御部３１は、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を、複数の関節部６４の軸毎に算出し、複数の関節部６４の軸のうち、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２の制限される量が最も大きい軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２の制限率に基づいて、他の軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を制限する。ここで、外科手術システム１００では、医療器具４の回転移動の支点となるピボット位置ＰＰが設定されており、軸毎の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２は、ピボット位置ＰＰをずらさないように設定される。つまり、軸毎の速度指令値ｑｒ１同士が一定の関係を維持し、軸毎の加速度指令値ｑｒ２同士が一定の関係を維持する。しかしながら、複数の関節部６４の軸毎に速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を制限した場合、軸毎の速度指令値ｑｒ１同士の一定の関係、および、軸毎の加速度指令値ｑｒ２の一定の関係が崩れてしまう。そこで、上記のように、制限される量が最も大きい軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２の制限率に基づいて、他の軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を制限することによって、軸毎の速度指令値ｑｒ１同士の一定の関係、および、軸毎の加速度指令値ｑｒ２の一定の関係が崩れるのが抑制されるので、アーム６０の関節部６４を構成する部品の保護およびアーム６０の振動の抑制を図りながら、ピボット位置ＰＰがずれるのを抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、複数の関節部６４の軸毎に算出された速度指令値ｑｒ１のうち、速度制限値ｌｉｍ１に対して速度超過率α１が最も大きい軸の速度超過率α１により、他の軸の速度指令値ｑｒ１を除算して、他の軸の軸毎の速度指令値ｑｒ１を制限し、複数の関節部６４の軸毎に算出された加速度指令値ｑｒ２のうち、加速度制限値ｌｉｍ２に対して加速度超過率α２が最も大きい軸の加速度超過率α２により、他の軸の加速度指令値ｑｒ２を除算して、他の軸の加速度指令値ｑｒ２を制限する。これにより、速度超過率α１が最も大きい軸の速度超過率α１により、他の軸の速度指令値ｑｒ１が除算されるので、軸毎の速度指令値ｑｒ１同士の一定の関係を維持しながら、軸毎の速度指令値ｑｒ１を制限することができる。また、加速度制限値ｌｉｍ２に対して加速度超過率α２が最も大きい軸の加速度超過率α２により、他の軸の加速度指令値ｑｒ２が除算されるので、軸毎の加速度指令値ｑｒ２同士の一定の関係を維持しながら、軸毎の加速度指令値ｑｒ２を制限することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限された速度指令値ｑｌｉｍ１および加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限された加速度指令値ｑｌｉｍ２に基づく動作指令値ｑを算出し、算出した動作指令値ｑに基づいて、医療器具４の回転移動の支点となるピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑｒ’を算出する。これにより、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２が制限されたことに起因して、ピボット位置ＰＰがずれた場合でも、各軸単位での補正指令値ｄｑｒ’により動作指令値ｑが補正されることにより、各軸単位でピボット位置ＰＰのずれを補正することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、補正指令値ｄｑｒ’を、速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限する前の速度指令値ｑｒ１に加算する。これにより、ピボット位置ＰＰのずれを考慮した状態で、速度指令値ｑｒ１を制限することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、算出した動作指令値ｑをフィードバックし、フィードバックされた動作指令値ｑ（具体的には、動作指令値ｑに基づくｘr’）に対して逆運動学による変換を行うことにより、逆運動学変換後指令値ｑｒ’を算出し、逆運動学変換後指令値ｑｒ’に基づいて、補正指令値ｄｑｒ’を算出する。これにより、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２が制限されたことに起因して、医療器具４の位置が目標となる位置からずれた場合でも、算出した動作指令値ｑをフィードバックすることにより、医療器具４の位置ずれを抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、操作用マニピュレータアーム２１は、医療器具４に対する入力位置指令値ｘｒを受け付け、制御部３１は、算出した動作指令値ｑをフィードバックし、フィードバックされた動作指令値ｑに対して順運動学による変換を行って、順運動学変換後指令値ｘを算出し、入力位置指令値ｘｒおよび順運動学変換後指令値ｘに対して逆運動学による変換を行うことにより、逆運動学変換後指令値ｑｒ’を算出し、動作指令値ｑおよび逆運動学変換後指令値ｑｒ’に基づいて、補正指令値ｄｑｒ’を算出する。これにより、アーム６０の関節部６４の変位を表す動作指令値ｑが、順運動学による変換により、アーム６０（医療器具４）の位置に変換されるので、アーム６０の位置に対応する入力位置指令値ｘｒと、アーム６０の位置に変換された動作指令値ｑとに基づいて、入力位置指令値ｘｒと動作指令値ｑとの差異に基づくフィードバック制御を行うことができる。また、動作指令値ｑと逆運動学変換後指令値ｑｒ’との両方に基づいて、補正指令値ｄｑｒ’を算出することにより、ピボット位置ＰＰのずれをより抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、算出した速度指令値ｑｒ１に対してフィードフォワード制御のゲインＫＦを乗算し、医療器具４の移動の目標となる位置の値である目標値と、医療器具４の現在位置の値である現在値との差（距離Ｌ）に基づいて、速度指令値ｑｒ１に対するフィードフォワード制御の寄与に対してフィードバック制御の寄与を大きくするように、フィードフォワード制御のゲインＫＦを設定する。ここで、医療器具４の移動の目標となる位置におけるフィードフォワード制御によるピボット位置ＰＰのずれは発生しない一方、目標値と現在値とが離間している場合、現在の位置におけるフィードフォワード制御によってピボット位置ＰＰのずれが発生する。そこで、上記のように、速度指令値ｑｒ１に対するフィードフォワード制御の寄与に対してフィードバック制御の寄与を大きくするように、フィードフォワード制御のゲインＫＦを設定することによって、フィードフォワード制御よりもフィードバック制御の寄与が大きくなるので、医療器具４の位置ずれを抑制することができる。これにより、ピボット位置ＰＰのずれをさらに抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、ゲインＫＦは、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなるにしたがって小さくなる。ここで、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなるにしたがって、ピボット位置ＰＰのずれが大きくなる。そこで、上記のように目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなるにしたがってゲインＫＦを小さくすることにより、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなった場合でも、ピボット位置ＰＰのずれを効果的に抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、ゲインＫＦは、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなるにしたがって線形的に小さくなる。
　（外科手術システムの制御方法の効果）
　本実施形態では、上記のように、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２に基づいて医療器具４の動作を制御するステップは、速度指令値ｑｒ１を速度制限値ｌｉｍ１の範囲内に制限するステップと、加速度指令値ｑｒ２を加速度制限値ｌｉｍ２の範囲内に制限するステップとを含む。これにより、操作用マニピュレータアーム２１が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２の両方が制限されるので、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アーム６０の関節部６４に設けられるサーボモータＭ１が過度に高速に回転するのが抑制されるので、アーム６０の関節部６４を構成するサーボモータＭ１などの部品を保護することができる。また、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアーム６０の振動を抑制することができる。これらの結果、アーム６０の関節部６４を構成する部品を保護するとともに、アーム６０の振動を抑制することが可能な外科手術システム１００の制御部３１を提供することができる。
　［変形例］
　なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
　たとえば、上記実施形態では、制御部３１が医療用マニピュレータ１に設けられている例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、制御部３１が遠隔操作装置２に設けられていてもよい。また、たとえば、制御部３１が医療用マニピュレータ１と遠隔操作装置２とは別に設けられていてもよい。
　また、上記実施形態では、複数の関節部６４の軸のうち、最も制限される量の大きい軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２の制限率に基づいて、他の軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を制限する例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、最も制限される量の大きい軸以外の軸（２番目に大きい制限率の軸など）の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２の制限率に基づいて他の軸の速度指令値ｑｒ１および加速度指令値ｑｒ２を制限してもよい。
　また、上記実施形態では、算出した速度指令値ｑｒ１に対してフィードフォワード制御が行われる例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、フィードフォワード制御を行わないように構成してもよい。
　また、上記実施形態では、フィードフォワード制御のゲインが線形的に小さくなる例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、フィードフォワード制御のゲインが指数関数的に小さくなるようにしてもよい。
　また、上記実施形態では、アーム６０が４つ設けられている例を示したが、本開示はこれに限られない。本開示では、アーム６０の数は、少なくとも１つ以上設けられていれば他の任意の数であってもよい。
　また、上記実施形態では、アーム部６１およびポジショナ４０が７軸多関節ロボットから構成されている例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、アーム部６１およびポジショナ４０が７軸多関節ロボット以外の軸構成（例えば、６軸や８軸）の多関節ロボットなどから構成されていてもよい。
　また、上記実施形態では、医療用マニピュレータ１が、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０とを備えている例を示したが、本開示はこれに限らない。たとえば、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０は必ずしも必要なく、医療用マニピュレータ１が、アーム６０だけで構成されてもよい。
　本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、従来の回路、および／または、それらの組み合わせ、を含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウェアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウェアである。ハードウェアは、本明細書に開示されているハードウェアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウェアであってもよい。ハードウェアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、またはユニットはハードウェアとソフトウェアの組み合わせであり、ソフトウェアはハードウェアおよび/またはプロセッサの構成に使用される。
　１　医療用マニピュレータ（患者側装置）
　２　遠隔操作装置（操作者側装置）
　４　医療器具
　２１　操作用マニピュレータアーム（操作部）
　３１　制御部（制御装置）
　６０　アーム
　６４　関節部
　１００　外科手術システム（手術支援システム）
　ｄｑｒ’　補正指令値
　ＫＦ　フィードフォワード制御のゲイン
　ｌｉｍ１　速度制限値
　ｌｉｍ２　加速度制限値
　ｑ　動作指令値
　ｑｒ１　速度指令値
　ｑｒ２　加速度指令値
　ｑｒ’　逆運動学変換後指令値
　ＰＰ　ピボット位置
　ｘ　順運動学変換後指令値
　ｘｒ　入力位置指令値
　α１　速度超過率
　α２　加速度超過率
 

Claims (12)

  1. 　手術支援システムであって、
    　先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置と、
    　前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、
    　受け付けられた前記操作に基づいて、前記医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて前記医療器具の動作を制御する制御部と、
    　を備え、
    　前記制御部は、
    　前記速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、
    　前記加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する、手術支援システム。
  2. 　請求項１に記載の手術支援システムであって、
    　前記アームは、複数の関節部を有し、
    　前記制御部は、
    　前記速度指令値および前記加速度指令値を、前記複数の関節部の軸毎に算出し、
    　前記複数の関節部の軸のうち、前記速度指令値および前記加速度指令値の制限される量が最も大きい軸の前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて、他の軸の前記速度指令値および前記加速度指令値を制限する、手術支援システム。
  3. 　請求項２に記載の手術支援システムであって、
    　前記制御部は、
    　前記複数の関節部の軸毎に算出された前記速度指令値のうち、前記速度制限値に対して速度超過率が最も大きい軸の前記速度超過率により、前記他の軸の前記速度指令値を除算して、前記他の軸の前記速度指令値を制限し、
    　前記複数の関節部の軸毎に算出された前記加速度指令値のうち、前記加速度制限値に対して加速度超過率が最も大きい軸の前記加速度超過率により、前記他の軸の前記加速度指令値を除算して、前記他の軸の前記加速度指令値を制限する、手術支援システム。
  4. 　請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の手術支援システムであって、
    　前記制御部は、
    　前記速度制限値の範囲内に制限された前記速度指令値および前記加速度制限値の範囲内に制限された前記加速度指令値に基づく動作指令値を算出し、
    　算出した前記動作指令値に基づいて、前記医療器具の回転移動の支点となるピボット位置のずれを補正する補正指令値を算出する、手術支援システム。
  5. 　請求項４に記載の手術支援システムであって、
    　前記制御部は、前記補正指令値を、前記速度制限値の範囲内に制限する前の前記速度指令値に加算する、手術支援システム。
  6. 　請求項４または請求項５に記載の手術支援システムであって、
    　前記制御部は、算出された前記動作指令値をフィードバックし、
    　フィードバックされた前記動作指令値に対して逆運動学による変換を行うことにより、逆運動学変換後指令値を算出し、
    　前記逆運動学変換後指令値に基づいて、前記補正指令値を算出する、手術支援システム。
  7. 　請求項６に記載の手術支援システムであって、
    　前記操作部は、前記医療器具に対する入力位置指令値を受け付け、
    　前記制御部は、
    　算出された前記動作指令値をフィードバックし、
    　フィードバックされた前記動作指令値に対して順運動学による変換を行って、順運動学変換後指令値を算出し、
    　前記入力位置指令値および前記順運動学変換後指令値に対して逆運動学による変換を行うことにより、前記逆運動学変換後指令値を算出し、
    　前記動作指令値および前記逆運動学変換後指令値に基づいて、前記補正指令値を算出する、手術支援システム。
  8. 　請求項６または請求項７に記載の手術支援システムであって、
    　前記制御部は、
    　算出した前記速度指令値に対してフィードフォワード制御のゲインを乗算し、
    　前記医療器具の移動の目標となる位置の値である目標値と、前記医療器具の現在位置の値である現在値との差に基づいて、前記速度指令値に対する前記フィードフォワード制御の寄与に対してフィードバック制御の寄与を大きくするように、前記フィードフォワード制御のゲインを設定する、手術支援システム。
  9. 　請求項８に記載の手術支援システムであって、
    　前記ゲインは、前記目標値と前記現在値との差が大きくなるにしたがって小さくなる、手術支援システム。
  10. 　請求項９に記載の手術支援システムであって、
    　前記ゲインは、前記目標値と前記現在値との差が大きくなるにしたがって線形的に小さくなる、手術支援システム。
  11. 　先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置と、前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、を備える手術支援システムの制御装置であって、
    　受け付けられた前記操作に基づいて、前記医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて前記医療器具の動作を制御する制御部を備え、
    　前記制御部は、
    　前記速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、
    　前記加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する、手術支援システムの制御装置。
  12. 　先端側に医療器具が取り付けられるアームを含む患者側装置と、前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、を備える手術支援システムの制御方法であって、
    　前記医療器具に対する操作を受け付けるステップと、
    　受け付けられた前記操作に基づいて、前記医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて前記医療器具の動作を制御するステップと、
    　を備え、
    　前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて前記医療器具の動作を制御するステップは、
    　　前記速度指令値を速度制限値の範囲内に制限するステップと、
    　　前記加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限するステップと、
    　を含む、手術支援システムの制御方法。
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