WO2025206293A1 - 手術ロボットシステムおよびその制御方法 - Google Patents

手術ロボットシステムおよびその制御方法

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WO2025206293A1
WO2025206293A1 PCT/JP2025/012722 JP2025012722W WO2025206293A1 WO 2025206293 A1 WO2025206293 A1 WO 2025206293A1 JP 2025012722 W JP2025012722 W JP 2025012722W WO 2025206293 A1 WO2025206293 A1 WO 2025206293A1
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WO
WIPO (PCT)
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surgical
arm
robot
surgical instrument
joint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2025/012722
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English (en)
French (fr)
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孝一 正岡
拓哉 志鷹
翔太 淺津
大樹 ▲高▼橋
吉平 松田
哲夫 一居
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Motors Ltd
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Kawasaki Jukogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Kawasaki Heavy Industries Ltd, Kawasaki Jukogyo KK filed Critical Kawasaki Heavy Industries Ltd
Publication of WO2025206293A1 publication Critical patent/WO2025206293A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/35—Surgical robots for telesurgery
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/37—Leader-follower robots

Definitions

  • This disclosure relates to a surgical robot system and a control method thereof.
  • a surgical robot system generally comprises a surgical robot positioned next to the patient and an operating device that allows the surgeon to remotely operate the surgical robot.
  • the operating device operated by the surgeon is, for example, located inside an operating room where a surgical bed on which the patient is placed is located.
  • the surgical robot has a robotic arm, to which surgical instruments are detachably attached.
  • the surgical instruments attached to the robotic arm are configured, for example, to be insertable into a port member provided on the patient.
  • the port member is, for example, a trocar or cannula.
  • Types of surgical instruments include forceps, electrocautery, staplers, endoscopes, etc., and are selected appropriately from among these depending on the surgical procedure, etc.
  • a surgical robot When a surgical robot has multiple robotic arms, different types of surgical instruments may be attached to each robotic arm, or the same type of surgical instrument may be attached to two or more robotic arms.
  • an endoscope may be attached to one robotic arm and forceps to two or more other robotic arms.
  • the surgeon By operating the operating device to operate the surgical robot, the surgeon (operator) can control the position and orientation of the surgical instrument attached to the robotic arm. If the surgical instrument itself has movable parts such as joints, such as forceps, the operating device can also be used to operate the movable parts of the surgical instrument. This allows the surgeon to control the position and orientation of the surgical instrument (and the movable parts, if any) using the operating device. For example, if the surgical instrument is configured with a pair of jaws at the tip of the shaft, the surgeon can control the position and orientation of the entire surgical instrument by operating the operating device, as well as control the opening and closing of the pair of jaws, or the rotation around the pitch axis and/or yaw axis. Furthermore, if the shaft itself is configured to be rotatable around its longitudinal axis, the surgeon can rotate the shaft of the surgical instrument (around the roll axis) by operating the operating device.
  • the surgical robot's robot arm generally has multiple drive axes (joints).
  • the multiple drive axes (joints) of the robot arm of a surgical robot generally include rotary joints, and may also be equipped with prismatic joints.
  • the number of drive axes (joints) provided in the robot arm, i.e., the degrees of freedom of the robot arm, must be at least the same as the degrees of freedom required to control the position and orientation of the surgical instrument.
  • Some conventional surgical robot systems include a surgical robot with a robot arm that has more degrees of freedom than are necessary to control the position and orientation of surgical instruments (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 describes a surgical system and a method for controlling a surgical manipulator arm, and describes an invention for resolving the problem of interference with other equipment in the surgical system, such as adjacent manipulator arms, and with the surrounding environment when operating the manipulator arm. However, there is room for further improvement in the invention described in Patent Document 1.
  • Aspect 2 of this disclosure is a surgical robot system described in aspect 1, wherein the control device determines the constraint conditions based on the results of a simulation performed by causing a virtual model of the robot arm to perform the required movement.
  • Aspect 4 of this disclosure is a surgical robot system according to aspect 2, wherein the control device determines the constraint conditions using a machine learning model trained using the results obtained by the simulation as training data.
  • Aspect 5 of the present disclosure is the surgical robot system of aspect 4, wherein the control device changes the constraint conditions in response to changing conditions during the required surgery.
  • Aspect 6 of the present disclosure is a surgical robot system described in any one of Aspects 1 to 5, wherein the required movement includes movement of the robot arm that maximizes the range of motion of the surgical instrument within a treatment area set within the patient's body into which the surgical instrument is inserted.
  • Aspect 9 of this disclosure is the surgical instrument has a longitudinal axis; A surgical robot system according to any one of aspects 1 to 8, wherein the redundant drive shaft rotates at least a portion of the surgical instrument about the longitudinal axis.
  • a tenth aspect of this disclosure is
  • the robot arm has a base end, a torsion joint disposed at the base end, and a bending joint disposed between the tip end and the base end,
  • the control device determines the constraint conditions for the redundant drive shaft as follows: Controlling the robot arm to intersect a rotation axis of the bending joint with a reference plane including the longitudinal axis, and fixing an orientation of the rotation axis of the bending joint with respect to the reference plane; A predetermined center point is set, and a reference point is set on a reference line that is an extension line of a rotation axis of the torsion joint or a line that is offset in a direction perpendicular to the extension line, and the robot arm is controlled to position the longitudinal axis at the center point and the reference plane at the reference point;
  • a surgical robot system according to aspect 9, wherein the direction and amount of movement of the redundant drive shaft are controlled by changing the offset amount of the reference point in the direction perpendicular to the extension line.
  • Aspect 11 of this disclosure is further comprising an arm base on which the plurality of robot arms are mounted, each of the plurality of robot arms includes a base end attached to the arm base, a tip end to which the surgical instrument is attached, and a plurality of links that connect the base end and the tip end and are connected to each other, and the link adjacent to the base end is connected to the base end via a torsion joint;
  • the surgical robot system according to any one of aspects 1 to 10, wherein the control device operates the robot arm such that, with respect to the constraint condition related to the redundant drive shaft, when viewed from a direction parallel to the axial direction of the rotation axis of the torsional joint, a first portion of the link between the link connected to the base end and the link connected to the tip end of the plurality of links is positioned between a second portion of the base end and a third portion of the tip end.
  • the drive shaft of a robot arm may be a joint of the robot arm, or it may be a drive shaft provided on the robot arm to drive a joint (driven shaft) included in a surgical instrument.
  • the robot arm of the surgical robot in the surgical robot system has redundancy. That is, the degrees of freedom required for the task to be accomplished by the robot arm are fewer than the degrees of freedom (i.e., the number of drive axes) that the robot arm has. Conversely, the degrees of freedom of the robot arm are greater than the degrees of freedom required for the task.
  • the degrees of freedom required for the task to be accomplished by the robot arm are typically the degrees of freedom required for (the task of) controlling the position and orientation of a surgical instrument detachably attached to the tip of the robot arm.
  • the number of drive axes that determines the degrees of freedom of the robot arm includes the number of drive axes for controlling the joints (joints of the movable parts of the surgical instrument) of the surgical instrument itself attached to the tip of the robot arm, and/or the number of drive axes for rotating the entire surgical instrument relative to the tip of the robot arm.
  • one drive axis is assigned to one redundant degree of freedom in the robot arm, and the drive axis to which this redundant degree of freedom is assigned is positioned as the redundant axis.
  • the number of degrees of freedom required to control the position and orientation of a surgical instrument is n and the number of degrees of freedom (number of drive axes) of the robot arm is n+3, then the robot arm will have three redundant degrees of freedom.
  • three drive axes are selected as redundant axes from the n+3 drive axes of the robot arm, and each of the selected three drive axes is assigned to one of the three redundant degrees of freedom.
  • the degrees of freedom required to control the position and orientation of a surgical instrument are, for example, six degrees of freedom related to the movement of the end effector attached to the tip of the shaft of the surgical instrument in three-dimensional space (e.g., inside the patient's body).
  • a center of rotation (pivot point) for the tilting movement of the shaft portion of the surgical instrument, which tilts together with the port member may be set.
  • the movement of the surgical instrument must be controlled so that the longitudinal axis of the shaft portion of the surgical instrument always passes through the center of rotation (pivot point) or its vicinity.
  • the number of degrees of freedom n required to control the position and orientation of the surgical instrument increases by two, for a total of eight.
  • shaft portion of a surgical instrument refers to a member or section that constitutes the entire or part of a surgical instrument, and is an elongated portion or member having a longitudinal axis.
  • Shaft portions of surgical instruments include those that include joints and those that are flexible.
  • constraints are added for the number of redundant degrees of freedom possessed by the robot arm.
  • the robot arm in this embodiment has multiple redundant degrees of freedom, and multiple constraints are set accordingly.
  • drive axes equal in number to the number of redundant degrees of freedom are selected as redundant axes, and one constraint is set for each redundant axis.
  • actual drive axes and redundant axes may correspond one-to-one, this is not necessarily the case.
  • the relationship between the axis values of two drive axes can also be treated as a redundant axis.
  • a constraint for example, constrains the operation of the redundant axis corresponding to that constraint in relation to the configuration of the robot arm, which is determined by the combination of the axis values of the multiple drive axes of the robot arm.
  • constraints are imposed on the configuration of the robot arm, and the operation of the redundant axis corresponding to those constraints is controlled so that changes in the configuration of the robot arm remain within the range constrained by the constraints. This point will be described in more detail later, with reference to Figure 15, etc.
  • the axis values of the redundant axes can be determined by the constraints in this way, the same inverse kinematics calculations as when there are no redundant axes can be applied to multiple drive axes other than the redundant axes.
  • the axis values of the redundant axes can also be called joint positions or joint angles.
  • the constraint conditions for redundant axes are also related to which of the multiple drive axes (multiple joints) of a robot arm is treated as a redundant axis.
  • the content of the constraint conditions for redundant axes can change depending on which of the multiple drive axes of a robot arm is selected as a redundant axis.
  • the constraint conditions for redundant axes can be determined from the perspective of avoiding interference between arms. For example, the constraint conditions for redundant axes can be set so that the robot arm operates within a range of motion where interference between arms is unlikely to occur.
  • the constraint conditions for redundant axes can be determined from the perspective of avoiding interference between arms, but the content of the constraint conditions once determined is not always optimal. For example, when performing a certain surgery, even if the arm interference avoidance effect can be properly achieved at one stage during the surgery, the arm interference avoidance effect originally intended may not necessarily be achieved at another stage during the surgery.
  • the constraint conditions for the redundant axes are not positioned as fixed conditions that are not changed once they are set, but can be dynamically changed according to the situation at hand, even during surgery.
  • the constraint conditions for the redundant axes that are set, for example, before the start of surgery (at the time of setup, etc.) can be dynamically changed according to the situation at hand after the start of surgery, for example, during the following motion of the operator (surgeon).
  • the initial constraint conditions set before the start of surgery it is possible to select the optimal constraint conditions for achieving the required motion required of the surgical robot to perform the required surgery.
  • the axis values of the multiple drive axes (joints) of the robot arm change accordingly.
  • the axis values of the multiple drive axes of the robot arm are determined by calculation based on command values for the position and orientation of the end effector generated based on operation input from the operating device, and this calculation includes content related to the constraint conditions of the redundant axes.
  • the content of the calculation process used to determine the axis values of the multiple drive axes (joints) of the robot arm from the command values for the position and orientation of the end effector changes, and the axis values of the multiple drive axes obtained as a result of the calculation also change.
  • the operation of the robot arm's drive axes related to the constraints of the redundant axes does not affect the movement of the end effector. Therefore, even if the axis values of the robot arm's multiple drive axes change due to a change in the constraints of the redundant axes, this does not affect the movement of the end effector.
  • the configuration of the robot arm changes accordingly.
  • the configuration of a robot arm can be defined as the spatial region occupied by the robot arm in the absolute coordinate system (or world coordinate system). Therefore, by changing the constraints of the redundant axes, it is possible to change the spatial region occupied by the robot arm in the absolute coordinate system.
  • the shape of the robot arm can be changed to change its occupied spatial area without affecting the movement of the end effector. Therefore, for example, if there is a possibility that the arms will come close to each other and interfere with each other while an operator (practitioner) is operating the control device to perform treatment (during a so-called following operation), the control device can dynamically change the constraint conditions of the redundant axis, preventing the arms from interfering with each other in advance, without interrupting the operator's treatment (i.e., without interrupting the following operation).
  • this embodiment can prevent interference between arms in advance, thereby reliably preventing the surgery from being interrupted by the surgical robot stopping and the subsequent recovery work. In this way, this embodiment can reliably ensure the continuity of the surgery by the operator in surgery using a surgical robot system.
  • the surgical robot system 10 comprises a surgical robot 1 constituting at least a part of the slave unit, and an operating device 2 constituting at least a part of the master unit.
  • the operating device 2 is placed beside the operating table 111 in the operating room.
  • the operating device 2 may be placed at a location further away from the operating table 111 in the operating room, or it may be placed outside the operating room.
  • the operator (surgeon) S who performs surgery using the surgical robot system 10 is located on the operating device 2 side, not the surgical robot 1 side, during the procedure in order to operate the operating device 2.
  • the patient P on whom the surgery is to be performed is placed on the operating table 111 placed beside the surgical robot 1.
  • the operator S inputs operation inputs to the operation device 2 to control the position and posture of the surgical instrument 40.
  • the operation inputs input to the operation device 2 are transmitted to the arm control unit 28 of the surgical robot 1 via a wired or wireless connection.
  • the arm control unit 28 generates operation commands for the surgical robot 1 based on the operation inputs input to the operation device 2.
  • the surgical robot 1 is operated based on these operation commands.
  • the operation device 2 forms an interface between the surgical robot system 10 and the operator S, and is a device (master unit) for remotely operating the surgical robot 1 (slave unit).
  • the surgical robot 1 is equipped with a control device 4, and the arm control unit 28 is included in the control device 4.
  • the control device 4 is configured to be included in the surgical robot 1, but the control device 4 does not necessarily have to be included in the surgical robot 1, and can be provided outside the surgical robot 1 as a component of the surgical robot system 10.
  • the arm control unit 28 is configured to be included in the control device 4, but the arm control unit 28 does not necessarily have to be included in the control device 4, and can be provided outside the control device 4 as a component of the surgical robot system 10.
  • the operating device 2 includes left and right operating manipulators 20A, 20B, multiple operating pedals 22, a touch panel 23, and a monitor 24.
  • the monitor 24 is supported by a support arm 25.
  • the touch panel 23 is mounted on a support bar 26.
  • the operating manipulators 20A, 20B are equipped with left and right hand controls 21A, 21B that the operator operates with their left and right hands to input operating commands.
  • the operating manipulators 20A, 20B are operating tools that accept operating inputs to generate movement commands for the position and posture of the surgical instrument 40.
  • the operating pedal 22 is an operating tool that accepts commands such as zooming the endoscopic camera, switching control modes, and switching the robot arms 3 (3A, 3B, 3C, 3D) associated with the left and right operating manipulators 20A, 20B.
  • the monitor 24 is a scope-type display device that displays images captured by an endoscope inserted into the body of the patient P.
  • the monitor 24 may also be a 3D viewer that displays 3D images.
  • the support arm 25 can support the monitor 24 so that its height is aligned with the face of the operator S.
  • a sensor 27 that detects the head of the operator S is provided near the monitor 24.
  • the arm control unit 28 is configured so that remote operation of the surgical robot 1 by the operating device 2 is possible only when the head of the operator S is detected by the sensor 27, but that remote operation of the surgical robot 1 by the operating device 2 is not possible when the head of the operator S is not detected by the sensor 27.
  • the operator S operates the hand controls 21A, 21B and operating pedals 22 of the operating manipulators 20A, 20B while visually checking the affected area of the patient P on the monitor 24.
  • the surgical robot 1 forms the interface between the surgical robot system 10 and the patient P.
  • the surgical robot 1 is placed in the operating room beside the operating table 111 on which the patient P lies.
  • the operating table 111 and its surrounding area in the operating room are sterilized to form a sterile field.
  • the surgical robot 1 comprises a positioner 7, an arm base 5 attached to the tip of the positioner 7, and multiple robot arms 3 (3A, 3B, 3C, 3D) detachably attached to the arm base 5.
  • each of the multiple robot arms 3 includes an instrument holder 36 to which a surgical instrument 40 is detachably attached (see also Figure 11).
  • the instrument holder 36 constitutes at least a part of the tip 32 of the robot arm 3.
  • the positioner 7 of the surgical robot 1 comprises an articulated robot.
  • the positioner 7 is controlled by a positioner control unit 75 included in the control device 4.
  • the positioner control unit 75 does not necessarily have to be included in the control device 4, and may be provided outside the control device 4.
  • a vertical articulated robot can be used as the articulated robot constituting the positioner 7, for example, a seven-axis vertical articulated robot.
  • the positioner 7 includes a base 90 and a series of link units 91 whose base ends are connected to the base 90.
  • the multiple link units 91 are connected to each other by joint units 92.
  • the base 90 of the positioner 7 is attached to the top surface of the casing 71 of the movable carriage 70.
  • An arm base 5 is provided at the tip of the positioner 7.
  • the positioner 7 By configuring the positioner 7 as a vertical articulated robot, for example a seven-axis vertical articulated robot, the position and orientation of the arm base 5 attached to the tip of the positioner 7 can be freely controlled in three-dimensional space.
  • the position of the arm base 5 may be defined as the position of a reference point set on the arm base 5.
  • the reference point may be set at (the rotation axis of) the base end of the arm base 5 attached to the tip of the positioner 7.
  • first joint portion 92A first link portion 91A, second joint portion 92B, second link portion 91B, third joint portion 92C, third link portion 91C, fourth joint portion 92D, fourth link portion 91D, fifth joint portion 92E, fifth link portion 91E, sixth joint portion 92F, sixth link portion 91F, seventh joint portion 92G, seventh link portion 91G.
  • the first joint portion 92A, fourth joint portion 92D, sixth joint portion 92F, and seventh joint portion 92G are configured as torsion joints.
  • the second joint portion 92B, third joint portion 92C, and fifth joint portion 92E are configured as bending joints.
  • the positioner 7 can move the position of the arm base 5 three-dimensionally relative to the movable carriage 70 along the mutually perpendicular X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and can rotate the posture of the arm base 5 around the roll axis, pitch axis, and yaw axis.
  • the arm base 5 comprises an arm base main body 50, a positioner mounting section 51 provided on the back of the arm base main body 50 and to which the tip of the positioner 7 is attached, and a plurality of arm mounting sections 52 provided on the lower part of the arm base main body 50 and to which the base ends 80 of a plurality of robot arms 3 are attached.
  • the arm base 5 is configured to be rotatable relative to the tip of the positioner 7.
  • the arm base 5 is provided with an imaging section 53.
  • the imaging section 53 is capable of capturing images of at least one of the operating table 111 and the patient P placed on the operating table 111.
  • the arm base 5 functions as a "hub" that serves as a base for multiple robot arms 3.
  • the positioner 7 in this embodiment is composed of a vertical articulated robot
  • the positioner 7 can also be composed of a manipulator other than a vertical articulated robot.
  • the positioner 7 may be a linear rail for supporting the arm base 5, an elevator device, or a bracket attached to the ceiling or wall.
  • the base 90 of the positioner 7 is attached to a movable cart 70, but instead, the base of the positioner 7 can be attached to a fixed object such as the wall or floor of the operating room, or a member fixed to these.
  • the cart 70 is provided with an operation unit 72 for setting and inputting the positions and postures (preparatory postures) of the positioner 7, arm base 5, and multiple robot arms 3 before surgery, etc.
  • the operation unit 72 has a display unit 72a including, for example, a touch panel.
  • the operation unit 72 has a joystick 72b for controlling the movement of the positioner 7.
  • An enable switch 72c is provided near the joystick 72b to permit or prohibit manual movement of the positioner 7. When the enable switch 72c is pressed and movement of the positioner 7 is permitted, an operator such as a nurse or technician can operate the joystick 72b to move the positioner 7. In this way, the surgical robot system 10 has a manual mode in which the positioner 7 can be moved manually by the operator.
  • a handle 73 for controlling the movement of the cart 70 is provided near the operating unit 72 of the cart 70.
  • the handle 73 has a throttle unit 73a that an operator such as a nurse or technician can grasp and rotate to control the movement of the cart 70.
  • the handle 73 is also configured to be rotatable left and right (LR direction), and the direction of movement of the cart 70 changes as the handle 73 is rotated.
  • an enable switch 73b is provided near the handle 73 of the carriage 70 to permit or prohibit movement of the carriage 70.
  • the enable switch 73b is pressed down to permit movement of the carriage 70, the throttle section 73a of the handle 73 is operated, causing the carriage 70 to move forward, backward, left, and right by a traveling power section 74, which includes power from an electric motor or the like provided inside the carriage 70.
  • the positioner 7, arm base 5, and components from the base end 80 of the robot arm 3 to the instrument holder 36 of the robot arm 3 are covered with a sterile drape (not shown). These components, including the positioner 7, arm base 5, and components from the base end 80 of the robot arm 3 to the instrument holder 36, are shielded from the sterile field in the operating room.
  • FIG. 7 shows a forceps assembly 40A as an example of a surgical instrument 40.
  • the forceps assembly 40A includes a shaft portion 43, an end effector 44 including a pair of jaws provided at the tip of the shaft portion 43, and an instrument base 45 that holds the base end of the shaft portion 43 rotatably around the longitudinal axis of the shaft portion 43.
  • FIG 8 shows an endoscope assembly 40B, another example of a surgical instrument 40, which is an imaging device that is inserted into a patient's body to capture images of the condition of the surgical site.
  • the endoscope assembly 40B includes an endoscope 12 and an endoscope holder 13.
  • the endoscope holder 13 holds the endoscope 12 so that it can rotate around its longitudinal axis.
  • a drive unit (not shown) is provided inside the endoscope holder 13 for rotating the endoscope 12 around its longitudinal axis.
  • the front portion (camera side) of the endoscope 12 is formed as a shaft portion 43.
  • the shaft portion 43 of the surgical instrument 40 may refer to an elongated member with the end effector 44 attached to its tip, or it may refer to the front portion (camera side portion) of the endoscope 12 formed as an elongated member.
  • the instrument base 45 of the forceps assembly 40A is provided with a locking portion (not shown) that releasably locks to the instrument holder 36 of the robot arm 3, and the instrument holder 36 is provided with a receiving portion (not shown) to which the locking portion locks.
  • the locking portion and receiving portion have complementary shapes, and a retractable portion that resiliently protrudes and retracts on one of the locking portion and receiving portion is releasably locked in a recessed portion on the other of the locking portion and receiving portion.
  • a surgical assistant can manually release the resiliently locked recessed portion, thereby removing the forceps assembly 40A from the instrument holder 36.
  • the endoscope holder 13 also has a similar attachment/detachment mechanism, and can be attached to and detached from the instrument holder 36 by manual operation by a surgical assistant.
  • an endoscope assembly 40B is removably held as a surgical instrument 40 in the instrument holder 36 of one of the multiple (four in this example) robot arms 3.
  • a surgical instrument other than the endoscope assembly 40B such as a forceps assembly 40A, is removably held as a surgical instrument 40 in the instrument holders 36 of the remaining (three in this example) robot arms 3.
  • the endoscope assembly 40B is attached to the second robot arm 3B, and surgical instruments other than the endoscope assembly 40B, such as a forceps assembly 40A, are attached to the first, third, and fourth robot arms 3A, 3C, and 3D.
  • the arm control unit 28 which controls the operation of the surgical robot 1 based on operation input from the operation device 2, may be composed of a single controller for centralized control, or multiple controllers that cooperate with each other for distributed control.
  • the arm control unit 28 is composed of a computer 300 such as a microcontroller.
  • the computer 300 has a processor 301 such as a CPU, memory 302 such as ROM and RAM, an I/O unit (input/output unit) 303, and an interface 304.
  • the memory 302 stores control programs and various data used to control the operation of the surgical robot 1.
  • the interface 304 is used for communication with the operation device 2 and various sensors (such as an encoder that detects the rotation angle of a servo motor, described below).
  • an instrument base 45 of a surgical instrument 40 is detachably attached to the instrument holder 36 by an attachment/detachment mechanism (not shown).
  • the tip 32 of the robot arm 3 is movable three-dimensionally relative to the base end 80 of the robot arm 3.
  • the instrument holder 36 of the translational movement mechanism 35 is equipped with an arm manual operation mechanism 39.
  • the arm manual operation mechanism 39 has a command input unit 39A including buttons, joysticks, etc., and a manual controller 39B that drives the translational movement mechanism 35 in response to commands input from the command input unit 39A.
  • Commands input from the command input unit 39A include, for example, commands related to a retraction operation to retract the surgical instrument 40 inserted into the port member 112 to a retracted position.
  • a surgical assistant standing next to the surgical robot 1 may operate the command input unit 39A to control the retraction operation of the surgical instrument 40 using the manual controller 39B.
  • first link 81 is connected to the tip side of the base end 80 of the robot arm 3 via a first joint J31 (base-end torsion joint), which is a torsion (roll) joint.
  • the base end of a second link 82 is connected to the tip of the first link 81 via a second joint J32, which is a bending (pitch) joint.
  • the base end of a third link 83 is connected to the tip of the second link 82 via a third joint J33, which is a torsion joint.
  • the base end of a fourth link 84 is connected to the tip of the third link 83 via a fourth joint J34, which is a bending joint.
  • the base end of a fifth link 85 is connected to the tip of the fourth link 84 via a fifth joint J35, which is a torsion joint.
  • the base end of a sixth link 86 is connected to the tip of the fifth link 85 via a sixth joint J36, which is a bending joint.
  • the base end of the translational movement mechanism 35 is connected to the tip of the sixth link 86 via the seventh joint J37 (tip side bending joint), which is a bending joint.
  • the second portion 81b extends from the tip of the first portion 81a in a second direction intersecting the extension direction of the first portion 81a (and perpendicular to the rotation axis of the second joint J32) and is connected to the second joint J32 on the tip side.
  • the angle between the first direction and the second direction in the first link 81 is, for example, 120 degrees or more and 160 degrees or less (e.g., 140 degrees).
  • the first portion 81a and the second portion 81b are smoothly connected. This makes it easier to pass wires such as electrical wiring through multiple arm link portions, even if some of the arm link portions have a bent shape.
  • the fourth link 84 has a bent shape between the adjacent joints J34 and J35, and this portion forms the elbow 11 of the arm main body 30.
  • the fourth link 84 is configured so that the rotation axis of the fourth joint J34 and the rotation axis of the fifth joint J35 do not intersect.
  • the rotation axis of the fifth joint J35 is offset from the rotation axis of the fourth joint J34 in a direction perpendicular to the rotation axis of the fourth joint J34 and the rotation axis of the fifth joint J35. That is, the fourth link 84 has a first portion 84a and a second portion 84b.
  • the first portion 84a extends from the fourth joint J34 on the base end side in a predetermined first direction (a direction perpendicular to both the rotation axis of the fourth joint J34 and the rotation axis of the fifth joint J35).
  • the second portion 84b extends from the tip of the first portion 84a in a second direction (the direction of the rotation axis of the fifth joint J35) that intersects with the extension direction of the first portion 84a and is connected to the fifth joint J35 on the tip side.
  • the angle between the first direction and the second direction of the fourth link 84 is, for example, greater than or equal to 70 degrees and less than or equal to 110 degrees (e.g., 90 degrees).
  • the first portion 84a and the second portion 84b are smoothly connected.
  • the other links 82, 83, 85, and 86 are formed in a straight line between adjacent joints.
  • the other links 82, 83, 85, and 86 are configured so that the rotation axes of adjacent joints intersect.
  • Each arm link section is configured so that its cross-sectional area perpendicular to the longitudinal direction is smaller than that of the arm link section (or base end 80) connected to it closer to the base end. This causes the arm main body 30 to become gradually thinner from the base end 80 toward the tip end.
  • each of the bending joints J32, J34, and J36 is configured so that the tip end of the base end side arm link section 81, 83, and 85 is located on one side of the rotational axis direction relative to the center of the joint section in the rotational axis direction.
  • the base end of the tip end side arm link section 82, 84, and 86 is configured to face the tip end of the base end side arm link section 81, 83, and 85 on the other side of the rotational axis direction relative to the center of the joint section in the rotational axis direction.
  • the width in the rotational axis direction of the joint i.e., the distance between the outer ends in the rotational axis direction of the tip ends of the base-end-side arm link sections 81, 83, 85 and the outer ends in the rotational axis direction of the base ends of the tip-end-side arm link sections 82, 84, 86, is shorter than the diameter (maximum dimension) of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the portion located closer to the base end than the tip ends of the base-end-side arm link sections 81, 83, 85.
  • each joint and the arm link portion at its tip end are configured to be narrower than the arm link portion at its base end. This increases the range of movement of each arm body 30 (the range without interference with other arm bodies 30) in a workspace that becomes narrower the closer it is to the treatment area 110 of the patient P.
  • the outer shell of the arm body 30 is made of a material that is painted to be chemical-resistant.
  • openings such as inspection holes on the arm body 30 are covered with resin covers.
  • the outer shell of the arm body 30 itself may include parts made of resin materials.
  • the translational movement mechanism 35 is a mechanism that translates the instrument holder 36, which is movably mounted on the main body of the translational movement mechanism 35, in the longitudinal axis direction Dt ( Figure 10), thereby enabling the surgical instrument 40 attached to the instrument holder 36 to translate in the extension direction of the shaft portion 43.
  • the translational movement mechanism 35 is connected to the tip of the sixth link 86 of the arm main body 30 via a seventh joint J37, which is a bending joint.
  • the seventh joint J37 extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis direction Dt.
  • a drive mechanism including a drive source for translationally moving the instrument holder 36 is provided inside the translational movement mechanism 35.
  • the translational movement mechanism 35 can advance the surgical instrument 40 in the insertion direction and retract it in the withdrawal direction.
  • the drive mechanism provided inside the translational movement mechanism 35 may be configured, for example, using a pulley and timing belt, or may be a mechanism including a gear train, or may be configured as a double-speed mechanism.
  • the translational movement mechanism 35 forms an eighth joint J38, which is a linear joint that moves the instrument holder 36 linearly in the longitudinal axis direction Dt.
  • the instrument holder 36 removably holds the instrument base 45 of the surgical instrument 40.
  • the instrument holder 36 includes an instrument driver 38 having multiple (four in this example) drive shafts 37 that are rotationally driven to apply a driving force to the surgical instrument 40.
  • One of the multiple drive shafts 37 of the instrument driver 38 generates a driving force that rotates the shaft portion 43 of the surgical instrument 40 about its longitudinal axis.
  • a forceps assembly 40A which is one of the surgical instruments 40, has an instrument base 45 provided at its proximal end, a shaft portion 43 whose proximal end is connected to the instrument base 45, and an end effector (treatment tool) 44 connected to the distal end of the shaft portion 43. Furthermore, the forceps assembly 40A is equipped with a drive force transmission portion (not shown) that is connected to the drive shaft 37 of the instrument drive unit 38 included in the instrument holder 36 by attaching the forceps assembly 40A to the instrument holder 36 and transmits the drive force of the drive shaft 37.
  • the instrument drive unit 38 of the instrument holder 36 may have, for example, four drive shafts 37, and these drive shafts 37 are used, for example, to open and close the pair of jaws that form the end effector 44 of the forceps assembly 40A (FIG. 7), to pitch or yaw the end effector 44, and to roll the shaft portion 43 of the forceps assembly 40A around its longitudinal axis relative to the instrument base 45.
  • the drive shaft 37 of the instrument drive unit 38 of the instrument holder 36 drives a drive unit (not shown) provided inside the endoscope holder 13, thereby rotating the endoscope 12 around the longitudinal axis of its shaft portion 43.
  • the end effector of the surgical instrument 40 can be selected from a group including, for example, instruments with movable joints (e.g., forceps, scissors, graspers, needle holders, microdissectors, staple appliers, tackers, suction and irrigation tools, snare wires, clip appliers, etc.) and instruments without joints (e.g., cutting blades, cauterizing probes, irrigators, catheters, suction orifices, etc.).
  • instruments with movable joints e.g., forceps, scissors, graspers, needle holders, microdissectors, staple appliers, tackers, suction and irrigation tools, snare wires, clip appliers, etc.
  • instruments without joints e.g., cutting blades, cauterizing probes, irrigators, catheters, suction orifices, etc.
  • a plurality of (four in this example) arm attachment portions 52 are provided on the arm base 5 in accordance with a plurality of (four in this example) robot arms 3.
  • the arm base 5 has an elongated shape with a longitudinal axis, and the plurality of arm attachment portions 52 are arranged side by side in the longitudinal direction of the arm base 5 (the direction indicated by D1 in Figure 13).
  • the first link 81 which is the link on the side of the base ends 80 of the plurality of robot arms 3, is configured to be relatively rotatable around the rotation axis of the first joint J31.
  • the translational movement mechanism 35 is provided with a servo motor M38 (a servo motor that drives the interlocking mechanism) for translational movement of the eighth joint J38, a servo motor M39 for rotational movement of the ninth joint J39, encoders E38 and E39 that detect the rotation angles of the servo motors M38 and M39, and reducers (not shown) that reduce the speed of the output of the servo motors M38 and M39 to increase the torque.
  • a servo motor M38 a servo motor that drives the interlocking mechanism
  • a servo motor M39 for rotational movement of the ninth joint J39
  • encoders E38 and E39 that detect the rotation angles of the servo motors M38 and M39
  • reducers (not shown) that reduce the speed of the output of the servo motors M38 and M39 to increase the torque.
  • Encoders E31 to E39 are provided as an example of a rotational position detection means for detecting the rotational position (rotation angle) of servo motors M31 to M39, and a rotational position detection means such as a resolver may be used instead of encoders E31 to E39.
  • the arm control unit 28 includes a control unit main body 29 that controls the movement of multiple robot arms 3 based on operation commands.
  • Servo control units C31 to C39 are electrically connected to the control unit main body 29, and multiple actuators related to servo motors M31 to M39 are electrically connected via amplifier circuits, etc.
  • a position and orientation command for the tip 32 of the robot arm 3 is input to the control unit main body 29 based on operation input input to the operating device 2 during treatment.
  • the control unit main body 29 generates and outputs a position command value based on the position and orientation command and the rotation angle detected by the encoders E31 to E39.
  • the servo control units C31 to C39 which have acquired this position command value, generate and output a drive command value (torque command value) based on the rotation angle detected by the encoders E31 to E39 and the position command value.
  • the amplifier circuit that has acquired this drive command value supplies a drive current corresponding to the drive command value to the servo motors M31 to M39. In this way, each servo motor M31 to M39 is servo-controlled so that the tip 32 of the robot arm 3 reaches a position and orientation corresponding to the position and orientation command.
  • the arm control unit 28 also has a memory unit 31 in the control unit main body 29 that can read data, and pre-stores surgical information input via the operation device 2.
  • This surgical information includes the combination of multiple robot arms 3 used in the surgery.
  • the memory unit 31 stores information such as the length along the longitudinal axis direction Dt of the surgical instrument 40 held at the tip 32 of the robot arm 3. This enables the control unit main body 29 to grasp the position of the tip (end effector 44) of the surgical instrument 40 held at the tip 32 of the robot arm 3 based on the position and orientation command for the tip 32 of the robot arm 3.
  • the position of the tip of the surgical instrument 40 is sometimes called the tool center point (TCP).
  • the memory unit 31 pre-stores predetermined preparation positions (for example, the respective positions and postures of the positioner 7, arm base 5, and robot arm 3 shown in FIG. 3) that are established before treatment for the arm base 5 and multiple robot arms 3.
  • the memory unit 31 can store multiple preparation positions according to the type of treatment, the area to be treated, etc.
  • the above-mentioned predetermined preparation positions are sometimes called setup positions.
  • FIGS. 15 to 23 are figures for explaining an example of the operation of the surgical robot system 10, mainly in relation to the constraint conditions.
  • Constraint conditions are conditions for limiting the range of motion of the robot arm 3.
  • three constraint conditions are applied.
  • FIG. 15 to FIG. 17 correspond to the first constraint condition
  • FIG. 18 to FIG. 20 correspond to the second constraint condition
  • FIG. 21 to FIG. 23 correspond to the third constraint condition.
  • the first constraint condition in the examples shown in Figures 15, 16, and 17 relates to restrictions on the movement of the robot arm 3 around the ninth joint (ninth drive axis) J39.
  • the surgical assistant (or the operator S himself/herself) first uses the cart 70 to move the surgical robot 1 near the operating table 111.
  • the positioner 7, arm base 5, and multiple robot arms 3 are located in predetermined storage positions set for the cart 70.
  • Port members 112 consisting of trocars or cannulas, are placed on the body surface of patient P, who is lying on the operating table 111, for example, lined up side by side in a straight line.
  • the port members 112 are arranged in a line in the depth direction of the page.
  • the arrangement of multiple port members 112 is not limited to this arrangement.
  • the positioner 7 is controlled to position the arm base main body 50 so that it is positioned above the patient P and the rotation axis R1 of the first joint J31 of the robot arm 3 attached to the arm attachment part 52 is oriented generally horizontally.
  • the angle between the rotation axis R1 of the first joint J31 and the horizontal plane is, for example, within the range of -30 degrees to +30 degrees.
  • the positioner 7 is also controlled to position the arm base main body 50 so that the second direction D2, which is the direction in which the arm attachment part 52 is oriented, is generally perpendicular to the direction in which the multiple port members 112 are arranged.
  • the surgical assistant then sets in the arm control unit 28 a remote center RC (predetermined center point) that is associated with each robot arm 3 in a one-to-one correspondence.
  • the surgical assistant attaches, for example, a teaching surgical instrument 40 to the instrument holder 36 and moves the teaching surgical instrument 40 so that its tip is positioned in the center of the hole in the port member 112.
  • the surgical assistant then inputs an instruction to set the remote center RC into the operation unit 72.
  • the arm control unit 28 performs a forward transformation and calculates the position of the remote center RC based on the posture of the robot arm 3 at that time, the positional relationship of the tip of the shaft portion 43 of the teaching surgical instrument 40 relative to the instrument base 45, the position and posture of the base end portion 80, and information related to the parameters of each arm link portion.
  • the arm control unit 28 controls the robot arm 3 by restricting the posture of the surgical instrument 40 so that the shaft portion 43 of the surgical instrument 40 inserted into the port member 112 passes through the remote center RC. This makes it possible to restrict in-plane movement of the port member 112 in the direction of the patient P's body surface.
  • the operation of moving the surgical instrument 40 to a target position and assume a target posture is achieved, for example, by an operation including the operation of joints including nine axes, joints J31 to J39.
  • the robot arm 3 has more degrees of freedom than are necessary to control the position and posture of the surgical instrument 40.
  • the robot arm 3 has redundancy. Therefore, the set of rotational positions (joint positions) of the multiple joints of the robot arm 3 corresponding to a certain target position and target posture of the shaft portion 43 of the surgical instrument 40 (or the configuration of the robot arm 3 determined by the set of these angular positions) is not uniquely determined.
  • the operation of rotating the shaft portion 43 in a circumferential direction about its central axis C can be achieved not only by rotating the ninth joint J39, which is arranged coaxially with the central axis C, but also by rotating the tip portion 32 of the arm main body 30 in a circumferential direction about the central axis C. Therefore, the arm control unit 28 combines the movement of the arm main body 30 and the movement of the ninth joint J39 to control the circumferential rotation of the shaft portion 43 around the central axis C. The arm control unit 28 then operates the arm main body 30 and the ninth joint J39 to satisfy the following constraints among the movements that can be achieved to rotate the shaft portion 43 around the central axis C or to maintain the shaft portion 43 in the same circumferential position without rotating it.
  • the arm control unit 28 determines whether the length L of the perpendicular line vh from the reference point RD to the central axis C of the shaft unit 43, which assumes the target posture at the target position, is shorter than a predetermined lower limit length Lmin. If the arm control unit 28 determines that the length of the perpendicular line vh is shorter than the lower limit length Lmin, it moves the position of the reference point RD on the reference line RL in a direction away from the central axis C of the shaft unit 43 so that the length of the perpendicular line vh becomes longer than the predetermined length Lmin.
  • the second constraint condition is a condition for limiting the range of motion of each robot arm 3.
  • the second constraint condition includes content that associates the position of the constraint section set on each robot arm 3 with the constraint range, which is the range within which the constraint section can be located when the robot arm 3 operates.
  • the second constraint condition is a condition regarding the relative movement of each robot arm 3 with respect to the arm base 5, and uses the arm base 5 as the reference point.
  • the first plane may be plane YZ8 perpendicular to the XA axis
  • the second plane may be plane YZ7 perpendicular to the XA axis.
  • Plane YZ7 passes through point J37a and is parallel to the YAZA plane.
  • Plane YZ8 passes through point 80a and is parallel to the YAZA plane. Therefore, the constraint range may be a three-dimensional region between the first plane that passes through point 80a and extends in a direction perpendicular to the XA axis, and the second plane that passes through point J37a and extends in a direction perpendicular to the XA axis.
  • vertical may each include cases where the plane is completely vertical, plumb, horizontal, or parallel, as well as cases where the plane can be considered to be substantially vertical, plumb, horizontal, or parallel, including close to completely vertical, plumb, horizontal, or parallel.
  • the constraint range may be an intermediate position between the first plane and the second plane, for example, an intermediate position between plane YZ7 and plane YZ8.
  • the constraint range may also be a three-dimensional region between point 80a and a first curved surface having point 80a as its reference point.
  • the first curved surface include spherical surfaces such as spheres and ellipsoids centered on the reference point, and axisymmetric surfaces such as surfaces of revolution centered on an axis passing through the reference point.
  • the reference point include the center and focus.
  • the first curved surface may be a spherical surface S1.
  • the spherical surface S1 is centered on point 80a and passes through point J37a.
  • the constraint range may be an intermediate position between point 80a and the first curved surface, for example, an intermediate position between point 80a and the spherical surface S1.
  • Figure 20 is a side view similar to Figure 18, showing another example of a constraint range.
  • the constraint range may be a region on a second curved surface between point 80a and the first curved surface.
  • the shape of the second curved surface may be similar to or dissimilar to the first curved surface.
  • the second curved surface may be located midway between point 80a and the first curved surface.
  • the second curved surface may be a spherical surface S2 between point 80a and spherical surface S1.
  • Spherical surface S2 is centered on point 80a, but may also be centered at a point different from point 80a.
  • the position of spherical surface S2 may be between point 80a and spherical surface S1, and may be, for example, midway between point 80a and spherical surface S1.
  • the areas on the plane and the areas on the line segment shown above may each include areas near the plane and the line segment, such as areas within a predetermined distance from the plane and the line segment.
  • the constraint range of the bending point 11a is a range determined in accordance with the position of the base end (base link) 80 and the position of the translational movement mechanism (tip link) 35, and is a range that fluctuates in accordance with the position of the translational movement mechanism (tip link) 35.
  • the third constraint condition relates to the eighth joint J38, which is a prismatic joint.
  • FIG. 21 is a diagram showing the surgical instrument 40 in a retracted position from the body cavity BC of patient P.
  • the entire end effector 44 is located inside the port member 112, or partly or entirely protrudes from the port member 112 to the outside of the body, and the end effector 44 is not present in the body cavity BC of patient P.
  • the retraction point EP is set inside the port member 112 placed in the body wall BW of patient P.
  • the retraction point EP may be set at the entrance 112in or exit 112out of the port member 112, but is preferably set between the entrance 112in and exit 112out.
  • the retraction point EP may be set at the same position as the remote center RC.
  • the arm control unit 28 may set and store the retraction point EP based on the position of the remote center RC.
  • Figure 22 shows the surgical instrument 40 in the insertion position.
  • the surgical instrument 40 shown in Figure 22 has its shaft portion 43 passed through the port member 112, and its end effector 44 located within the body cavity BC of the patient P.
  • the distance from the remote center RC to the inlet 112in of the port member 112 is defined as distance ⁇ .
  • ⁇ can be a constant.
  • the value of ⁇ varies depending on the type of port member 112.
  • the distance from the remote center RC to the outlet 112out of the port member 112 is defined as distance ⁇ . Note that if the port member 112 is placed on the patient in alignment with a reference line (not shown) of the port member 112, ⁇ can be a constant.
  • the length from the remote center RC to the distal end of the surgical instrument 40 is referred to as the "intra-body cavity length L" of the surgical instrument 40.
  • the intra-body cavity length L of the surgical instrument 40 is determined based on the operation input entered by the operator (surgeon) S using the hand controls 21A and 21B of the operating device 2.
  • the shaft 43, wrist 47, and end effector 44 of the surgical instrument 40 are positioned in a straight line (hereinafter referred to as the reference position).
  • the wrist 47 has at least one wrist joint.
  • the length of the wrist 47 included in the intracoelom length L is the length in the longitudinal direction Dt of the wrist 47 when the surgical instrument 40 is in the reference position. This length is approximately equal to the length passing through the central axis of the wrist 47.
  • the length of the end effector 44 included in the intracoelom length L is the length in the longitudinal direction Dt of the end effector 44 when the surgical instrument 40 is in the reference position. In other words, regardless of the current positions of the wrist 47 and end effector 44, the intracoelom length L of the surgical instrument 40 is calculated assuming that the surgical instrument 40 is virtually in the reference position.
  • the length L of the surgical instrument 40 inside the body cavity can be calculated based on the position and orientation of the instrument holder 36, the position of the remote center RC, and the external shape information of the surgical instrument 40.
  • the external shape information of the surgical instrument 40 includes, for example, the size of the instrument base 45, the length of the shaft portion 43, the link length of the wrist portion 47, and the length of the jaw member of the end effector 44.
  • the position and orientation of the instrument holder 36 can be calculated based on the rotation angle detected by the encoders E31 to E37 and the external shape information of the robot arm 3.
  • the method of calculating the length L of the surgical instrument 40 inside the body cavity is not limited to the above.
  • the arm control unit 28 operates the joints J31 to J37 of the robot arm 3 excluding the eighth joint J38 and the joints (e.g., three joints) of the surgical instrument 40 so that the position and posture of the end effector 44 correspond to the command.
  • the hand controls 21A and 21B issue a command to move the distal end of the surgical instrument 40 in the longitudinal direction Dt, and the distal end of the surgical instrument 40 can be moved to the commanded position using only the linear displacement of the eighth joint J38
  • the arm control unit 28 moves the surgical instrument 40 in the longitudinal direction Dt using only the eighth joint J38, without using the multiple rotary joints J31 to J37 of the robot arm 3.
  • Aspect 1 of this disclosure is a plurality of robotic arms, each of the plurality of robotic arms having a surgical instrument attached thereto; an operating device that receives an operation input from an operator to control the position and posture of the surgical instrument; an arm control unit that controls the plurality of robot arms based on the operation input; a positioner having an arm base on which the plurality of robot arms are mounted; a positioner control unit that controls the positioner to adjust the position and attitude of the arm base, the positioner control unit adjusts at least one of the position and the attitude of the arm base during surgery;
  • the arm control unit is a surgical robot system that controls the multiple robot arms without the movement of the surgical instrument being affected by adjustment of at least one of the position and the attitude of the arm base by the positioner control unit.
  • Aspect 3 of this disclosure is a surgical robot system as described in Aspect 2, wherein the positioner control unit adjusts at least one of the position and the attitude of the arm base to adjust an instrument operating range, which is defined as the area in which the surgical instrument can operate within the surgical field, for a target robot arm that is at least one of the plurality of robot arms.
  • Aspect 6 of the present disclosure is the surgical robot system according to aspect 4, further comprising a surgical field designation means for designating the surgical field during surgery based on a command from the operator.
  • Aspect 8 of the present disclosure is a surgical robot system according to Aspect 3 or 4, which has a manual arm selection means for selecting the target robot arm based on a command from the operator.
  • Aspect 9 of this disclosure is a surgical robot system according to aspect 3 or 4, having an automatic arm selection means for selecting the robot arm being operated by the operation input from the operator as the target robot arm.
  • Aspect 10 of this disclosure is a surgical robot system described in any one of aspects 1 to 9, in which the positioner control unit maintains a distance between the arm base and a virtual space preset around the arm base at a constant value or greater.
  • Aspect 11 of this disclosure is a surgical robot system described in any one of Aspects 1 to 10, wherein the positioner control unit adjusts at least one of the position and the attitude of the arm base during surgery to avoid interference between one robot arm of the plurality of robot arms and another robot arm of the plurality of robot arms.
  • Aspect 12 of this disclosure is each of the plurality of robot arms has a plurality of drive axes, the number of the plurality of drive axes being greater than a minimum number of degrees of freedom required to control the position and orientation of the surgical instrument; the arm control unit defines at least one of the plurality of drive shafts as a redundant drive shaft and controls the redundant drive shaft based on the operation input and constraint conditions; A surgical robot system according to any one of aspects 1 to 11, wherein the constraint conditions are adjusted to maintain a proximity distance between the robot arm and an object present around the robot arm at or above an allowable minimum distance.
  • Aspect 13 of this disclosure is the surgical instrument has a longitudinal axis; 13.
  • Aspect 14 of this disclosure is a surgical robot system described in Aspect 13, wherein the arm control unit rotates at least a portion of the surgical instrument around the longitudinal axis in a direction that increases the proximity distance when the difference between the proximity distance and the minimum allowable distance becomes smaller than a predetermined threshold.
  • Aspect 15 of the present disclosure is a surgical robot system according to any one of aspects 1 to 11, wherein the positioner includes a vertical articulated robot.

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Abstract

本システムは、各々に手術器具(40)が装着される複数のロボットアーム(3)であって、複数のロボットアーム(3)のそれぞれは複数の駆動軸を有し、複数の駆動軸の数が、手術器具(40)の位置および姿勢を制御するために必要な最小の自由度よりも大きい、複数のロボットアーム(3)と、手術器具(40)の位置および姿勢を制御するための操作者(S)の操作入力を受け付ける操作装置(2)と、操作入力に基づいて複数のロボットアーム(3)を制御する制御装置(28)と、を備える。制御装置(28)は、複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、冗長な駆動軸を、操作入力および冗長な駆動軸に関する拘束条件に基づいて制御し、操作者(S)が操作装置(2)を操作して手術器具(40)を用いて所要の手術を行うときにロボットアーム(3)に要求される所要の動作に関連して拘束条件を決定する。所要の手術を、手術の継続性を十分に担保して支障なく行える手術ロボットシステムを提供することができる。

Description

手術ロボットシステムおよびその制御方法
　この開示は、手術ロボットシステムおよびその制御方法に関する。
　従来、手術器具を外科医が直接手に取って操作する手術方式に代えて、ロボットを利用して手術器具を操作して外科手術を行うための手術ロボットシステムが開示されている。手術ロボットシステムは、例えば、外科手術を受ける患者への負担を軽減することができる低侵襲外科手術(minimally invasive surgery)において使用される。
　手術ロボットシステムは、一般に、患者の傍に配置された手術ロボットと、外科医がリモートで手術ロボットを操作するための操作装置とを備えている。外科医が操作する操作装置は、例えば、患者が載置された手術ベッドが配置されている手術室の内部に配置される。手術ロボットは、ロボットアームを有し、ロボットアームには、手術器具が着脱可能に装着される。ロボットアームに装着される手術器具は、例えば、患者に設けられたポート部材に挿通可能な構成を備えている。ポート部材は、例えばトロカーまたはカニューレである。手術器具の種類は、鉗子、電気メス、ステープラー、内視鏡等であり、それらの中から手術の術式等に応じて適宜選択される。手術ロボットが複数のロボットアームを備えている場合には、ロボットアーム毎に異なる種類の手術器具を装着する場合もあるし、同じ種類の手術器具を２本またはより多くのロボットアームに装着する場合もある。例えば、１本のロボットアームに内視鏡を装着し、他の２本またはより多くのロボットアームに鉗子を装着する。
　外科医（操作者）は、操作装置を操作して手術ロボットを操作することによって、ロボットアームに装着された手術器具の位置および姿勢を制御することができる。鉗子のように手術器具自身が関節等の可動部を有している場合には、手術器具の可動部の操作も操作装置によって行うことができる。これにより、手術器具の位置および姿勢（可動部を有する場合は可動部についても）を、外科医は、操作装置によって制御することができる。例えば、手術器具が、シャフト部の先端に一対のジョーを設けた構成を備える場合、外科医は、操作装置を操作することによって、手術器具全体の位置および姿勢を制御すると共に、一対のジョーの開閉操作、あるいはピッチ軸および／またはヨー軸回りの回転操作を制御することができる。また、シャフト部自身がその長手軸線周りに回転可能に構成されている場合には、外科医は、操作装置を操作することによって、手術器具のシャフト部の回転操作（ロール軸回りの操作）を行うことができる。
　従来の手術ロボットシステムにおける手術ロボットは、一般に、そのロボットアームが複数の駆動軸（関節）を備えている。手術ロボットのロボットアームの複数の駆動軸（関節）は、一般に、回転関節を含んでおり、また直動関節を設ける場合もある。ロボットアームが備える駆動軸（関節）の数、すなわちロボットアームの自由度は、少なくとも、手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な自由度と同じ自由度が必要となる。
　従来の手術ロボットシステムの中には、手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な自由度よりも大きな自由度を持つロボットアームを有する手術ロボットを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０２１／１１２１９３号
　特許文献１には、外科手術システムおよび外科手術マニピュレータアームの制御方法が記載されており、マニピュレータアームを動作させる際の、隣のマニピュレータアーム等の外科手術システムの他の機器や周囲の環境等との干渉の問題を解決するための発明が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の発明は、さらに改善する余地がある。
　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、ロボットアームに装着した手術器具によって、所要の手術を、手術の継続性を十分に担保して支障なく行うことができる手術ロボットシステムおよびその制御方法を提供することである。
（態様１）
　この開示の態様１は、
　各々に手術器具が装着される複数のロボットアームであって、前記複数のロボットアームのそれぞれは複数の駆動軸を有し、前記複数の駆動軸の数が、前記手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な最小の自由度よりも大きい、複数のロボットアームと、
　前記手術器具の位置および姿勢を制御するための操作者の操作入力を受け付ける操作装置と、
　前記操作入力に基づいて前記複数のロボットアームを制御する制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、
　　前記複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、前記冗長な駆動軸を、前記操作入力および前記冗長な駆動軸に関する拘束条件に基づいて制御し、
　　前記操作者が前記操作装置を操作して前記手術器具を用いて所要の手術を行うときに前記ロボットアームに要求される所要の動作に関連して前記拘束条件を決定する、手術ロボットシステムである。
（態様２）
　この開示の態様２は、前記制御装置は、前記ロボットアームの仮想モデルに前記所要の動作を行わせることによって実行されたシミュレーションの結果に基づいて前記拘束条件を決定する、態様１記載の手術ロボットシステムである。
（態様３）
　この開示の態様３は、前記制御装置は、前記シミュレーションの結果に基づいて予め作成された複数の拘束条件セットの中から、前記所要の手術の内容に応じて適切な拘束条件セットを選択し、前記複数の拘束条件セットは、手術の内容に関する設定条件を変えながら実行した前記シミュレーションの結果に基づいて作成される、態様２記載の手術ロボットシステムである。
（態様４）
　この開示の態様４は、前記制御装置は、前記シミュレーションによって得られた結果を訓練データとして利用して学習させた機械学習モデルを用いて前記拘束条件を決定する、態様２記載の手術ロボットシステムである。
（態様５）
　この開示の態様５は、前記制御装置は、前記所要の手術の最中に変化する状況に応じて前記拘束条件を変更する、態様４記載の手術ロボットシステムである。
（態様６）
　この開示の態様６は、前記所要の動作は、前記手術器具が挿入される患者の体内に設定された施術領域内における前記手術器具の動作可能範囲を最大化する前記ロボットアームの動作を含む、態様１乃至５のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。
（態様７）
　この開示の態様７は、
　前記施術領域は、前記所要の手術における手術部位に関する術野を含み、
　前記術野は、前記手術部位を撮像する撮像装置の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて規定される、態様６記載の手術ロボットシステムである。
（態様８）
　この開示の態様８は、前記所要の動作は、前記ロボットアーム同士の干渉を回避する動作を含む、態様１乃至６のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。
（態様９）
　この開示の態様９は、
　前記手術器具は、長手軸線を有し、

　前記冗長な駆動軸は、前記手術器具の少なくとも一部を前記長手軸線周りに回転させる、態様１乃至８のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。 
　この開示の態様１０は、
（態様１０）
　前記ロボットアームは、基端部と、前記基端部に配置されたねじり関節と、前記先端部と前記基端部との間に配置された曲げ関節と、を有し、
　前記制御装置は、前記冗長な駆動軸に関する前記拘束条件について、
　　前記ロボットアームを制御して、前記曲げ関節の回転軸線を、前記長手軸線を含む参照平面と交差させ、且つ前記参照平面に対する前記曲げ関節の回転軸線の向きを固定し、
　　所定の中心点を設定し、前記ねじり関節の回転軸線の延長線または前記延長線の直交方向にオフセットして配置される線である参照線上に参照点を設定し、前記ロボットアームを制御して、前記長手軸線を前記中心点に位置付け且つ前記参照平面を前記参照点に位置付け、
　　前記延長線の直交方向における前記参照点のオフセット量を変更して前記冗長な駆動軸の動作方向および動作量を制御する、態様９記載の手術ロボットシステムである。
（態様１１）
　この開示の態様１１は、
　前記複数のロボットアームが装着されたアームベースをさらに備え、
　前記複数のロボットアームはそれぞれ、前記アームベースに装着された基端部と、前記手術器具が装着される先端部と、前記基端部と前記先端部とを連結し且つ互いに連結される複数のリンクとを含み、前記基端部に隣接する前記リンクは前記基端部とねじり関節を介して接続されており、
　前記制御装置は、前記冗長な駆動軸に関する前記拘束条件について、前記ねじり関節の回転軸の軸方向と平行な方向から見たときに、前記複数のリンクのうちの、前記基端部に連結された前記リンクと前記先端部に連結された前記リンクとの間にある前記リンクの第１部分が、前記基端部の第２部分と前記先端部の第３部分との間に位置するように、前記ロボットアームを動作させる、態様１乃至１０のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。
（態様１２）
　この開示の態様１２は、
　前記手術器具は、器具ベースと、前記器具ベースから延在するシャフト部と、前記シャフト部の先端に設けられたエンドエフェクタと、を有し、
　前記ロボットアームは、前記器具ベースが装着される直動関節を有し、前記直動関節は、前記手術器具を前記シャフト部の軸方向に移動させ、
　前記制御装置は、前記冗長な駆動軸に関する前記拘束条件について、
　　前記手術器具の運動の中心である遠隔中心を記憶し、
　　前記遠隔中心に基づいて前記ロボットアームの動作を制御し、前記ロボットアームの動作において、前記シャフト部が、患者の体壁に挿通されたポート部材に挿通され且つ前記エンドエフェクタが前記患者の体腔内に在るときに、前記遠隔中心から前記手術器具の遠位端部までの前記手術器具の体腔内長さをＬとし、前記直動関節の原点位置から前記軸方向と平行な直動変位可能量をＴ０とし、前記直動関節の原点位置から現在位置までの前記軸方向と平行な直動変位量をＴ１とし、Ｌ≦Ｔ０の場合に、Ｌ及びＴ１の関係がＴ１≧Ｌである、態様１乃至１１のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。
（態様１３）
　この開示の態様１３は、
　前記複数のロボットアームが装着されたアームベースを有するポジショナと、
　前記ポジショナを制御して前記アームベースの位置および姿勢を調整するポジショナ制御部と、をさらに備え、
　前記ポジショナ制御部は、手術中に前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方を調整し、
　前記制御装置は、前記ポジショナ制御部による前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方の調整によって前記手術器具の運動が影響を受けることなく、前記複数のロボットアームを制御する、態様１乃至１２のいずれか１つに手術ロボットシステムである。
（態様１４）
　この開示の態様１４は、
　手術ロボットシステムの制御方法であって、前記手術ロボットシステムは、各々に手術器具が装着される複数のロボットアームであって、前記複数のロボットアームのそれぞれは複数の駆動軸を有し、前記複数の駆動軸の数が、前記手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な最小の自由度よりも大きい、複数のロボットアームと、前記手術器具の位置および姿勢を制御するための操作者の操作入力を受け付ける操作装置と、前記操作入力に基づいて前記複数のロボットアームを制御する制御装置と、を備える、手術ロボットシステムの制御方法において、
　　前記複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、前記冗長な駆動軸を、前記操作入力および前記冗長な駆動軸に関する拘束条件に基づいて制御し、
　　前記操作者が前記操作装置を操作して前記手術器具を用いて所要の手術を行うときに前記ロボットアームに要求される所要の動作に関連して前記拘束条件を決定する、手術ロボットシステムの制御方法である。
（態様１５）
　この開示の態様１５は、
　コンピュータ可読命令を記憶しているコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータ可読命令が手術ロボットシステムのプロセッサによって実行されると、前記プロセッサに前記手術ロボットシステムの制御方法を実行させ、前記手術ロボットシステムは、各々に手術器具が装着される複数のロボットアームであって、前記複数のロボットアームのそれぞれは複数の駆動軸を有し、前記複数の駆動軸の数が、前記手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な最小の自由度よりも大きい、複数のロボットアームと、前記手術器具の位置および姿勢を制御するための操作者の操作入力を受け付ける操作装置と、前記操作入力に基づいて前記複数のロボットアームを制御する制御装置と、を備え、前記制御方法は、
　　前記複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、前記冗長な駆動軸を、前記操作入力および前記冗長な駆動軸に関する拘束条件に基づいて制御し、
　　前記操作者が前記操作装置を操作して前記手術器具を用いて所要の手術を行うときに前記ロボットアームに要求される所要の動作に関連して前記拘束条件を決定する、コンピュータ可読媒体である。
　この開示の手術ロボットシステムおよびその制御方法によれば、ロボットアームに装着した手術器具によって、所要の手術を、手術の継続性を十分に担保して支障なく行うことができる。
一実施形態による手術ロボットシステムの概略構成を示す斜視図。 一実施形態による手術ロボットシステムの概略構成を示す平面図。 一実施形態による手術ロボットシステムの概略構成を示す側面図。 一実施形態による手術ロボットシステムの概略構成を示す他の側面図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットを示した側面図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの一部を示した斜視図。 一実施形態による手術ロボットシステムのロボットアームに装着される手術器具の概略構成を示した斜視図。 一実施形態による手術ロボットシステムのロボットアームに装着される他の手術器具の概略構成を示した斜視図。 一実施形態による手術ロボットシステムの制御装置のシステム構成を模式的に示したブロック図。 一実施形態による手術ロボットシステムのロボットアームおよび手術器具の概略構成を示した斜視図。 一実施形態による手術ロボットシステムのロボットアームの先端部および同先端部に装着された手術器具の概略構成を示した斜視図。 一実施形態による手術ロボットシステムのロボットアームの先端部の概略構成を示した斜視図。 一実施形態による手術ロボットシステムのアームベースおよび同アームベースに装着されたロボットアームの概略構成を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの駆動制御系の構成を模式的に示したブロック図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの制御方法において使用されるロボットアームの仮想モデルおよび参照部位を示した模式図。 一実施形態による手術ロボットシステムの制御方法を説明するための模式図。 一実施形態による手術ロボットシステムの制御方法を説明するための他の模式図。 一実施形態による手術ロボットシステムの制御方法を説明するためのさらに他の模式図。 一実施形態による手術ロボットシステムの制御方法を説明するためのさらに他の模式図。 一実施形態による手術ロボットシステムの概略系統を示したブロック図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作例を示した図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作例を示した他の図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作例を示したさらに他の図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作を説明するための図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作を説明するための他の図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作を説明するためのさらに他の図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作を説明するためのさらに他の図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作を説明するための図。 一実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットの動作を説明するための他の図。
　以下、本開示を具体化した実施形態について説明する。
　本実施形態による手術ロボットシステムは、全体として、マスタースレーブ型のマニピュレータで構成されたロボットシステムである。マスター側ユニットを構成する操作装置には、操作者（施術者である外科医）が手でその位置および姿勢を操作することができるハンドコントロールが設けられている。マスター側に設定された座標系におけるハンドコントロールの位置および姿勢の座標（マスター側座標）は、スレーブ側に設定された座標系における位置および姿勢の座標（スレーブ側座標）に写像（マッピング）される。マスター側座標とスレーブ側座標との間の写像においては、スケーリングを導入することもできる。例えば、マスター側座標の変化量よりも、スレーブ側座標の変化量が小さくなるようにスケーリング係数を設定しても良い。
　操作者が手でハンドコントロールを操作することにより、マスター側座標が変化し、これに応じてスレーブ側座標が変化する。手術ロボットシステムの制御装置は、スレーブ側座標（位置および姿勢）から、スレーブ側ユニットを構成する手術ロボットのロボットアームの複数の駆動軸の各々の軸値を計算によって解いて求める。制御装置は、計算によって求めた軸値に基づいて、スレーブ側ユニットの駆動軸の動作を制御する。
　なお、本明細書においてロボットアームの駆動軸は、ロボットアームの関節である場合もあるし、あるいは、手術器具に含まれる関節（被駆動軸）を駆動するためにロボットアーム側に設けられた駆動軸の場合もある。
　本実施形態による手術ロボットシステムの手術ロボットのロボットアームは、冗長性を有している。すなわち、ロボットアームによって達成すべきタスクにおいて要求される自由度は、ロボットアームが備えている自由度（すなわち、駆動軸の数）よりも小さい。逆に言えば、ロボットアームの自由度は、タスクのために必要な自由度よりも大きい。ロボットアームによって達成すべきタスクにおいて要求される自由度とは、典型的には、ロボットアームの先端部に着脱可能に装着された手術器具の位置および姿勢の制御（というタスク）のために必要な自由度である。ここで、ロボットアームの自由度を決定する駆動軸の数には、ロボットアームの先端部に装着された手術器具自身が備えている関節（手術器具の可動部の関節）を制御するための駆動軸の数、および／または手術器具全体をロボットアームの先端部に対して相対的に回転させるための駆動軸の数が含まれる。
　このようにスレーブ側ユニットを構成する手術ロボットのロボットアームが冗長性を有している場合、スレーブ側座標からロボットアームの各軸値を逆運動学計算によって求める際の解（複数の軸値の組合せ）が一意には決まらず、解が無限に存在する。このため、ロボットアームの各軸値を決定することができず、このままではロボットアームの動作を制御することができない。
　ロボットアームが冗長性を有する場合、タスクを達成するという観点からは必ずしも動作させる必要がない余分な軸が存在することになる。このような余分な軸を冗長軸と呼ぶことができる。ロボットアーム全体として軸数が余分にある状態なので、ロボットアームを構成する複数の軸のうちの特定の軸が、必然的に冗長軸として決まるわけではない。すなわち、冗長性を有するロボットアームについての逆運動学計算において、どの軸を冗長軸として扱うかは、ロボットアームの構成によって必然的に決まる所与の条件ではなく、事後的に決定すべき事項である。
　本実施形態による手術ロボットシステムの制御方法においては、ロボットアームにおける１つの冗長自由度に対して１つの駆動軸を割り当てて、このように冗長自由度が割り当てられた駆動軸を冗長軸として位置付けている。例えば、手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な自由度がｎであり、ロボットアームの自由度（駆動軸の数）がｎ＋３の場合、ロボットアームには３つの冗長自由度が存在することになる。この場合、ロボットアームのｎ＋３個の駆動軸の中から３つの駆動軸を冗長軸として選定すると共に、選定された３つの駆動軸のそれぞれを、３つの冗長自由度のそれぞれに割り当てる。なお、手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な自由度は、例えば、手術器具のシャフト部の先端部に設けられたエンドエフェクタの３次元空間（例えば患者の体内）における運動に関する６つの自由度である。
　また、患者の体表面に設けられたポート部材（トロカーまたはカニューレ）に手術器具のシャフト部が挿入されている場合、ポート部材と共に傾動動作する手術器具のシャフト部の傾動動作の回転中心（ピボット点）を設定しても良い。この場合、手術器具のシャフト部の長手軸線が常に回転中心（ピボット点）またはその近傍を通るように手術器具の運動を制御する必要がある。このため、手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な自由度ｎは、さらに２つ増えて合計８個になる。
　なお、本明細書において手術器具のシャフト部は、手術器具の全体または一部を構成する部材または部分であって、長手軸線を有する細長状の部分または部材である。手術器具のシャフト部には、関節を含むもの、可撓性を有するものが含まれる。
　本実施形態による手術ロボットシステムの制御方法では、ロボットアームが有する冗長な自由度の数だけ拘束条件を追加している。本実施形態におけるロボットアームは複数の冗長な自由度を有しており、それに合わせて複数の拘束条件が設定されている。また、本実施形態においては、ロボットアームの複数の駆動軸の中から、冗長な自由度の数と同じ数の駆動軸を冗長軸として選定すると共に、１つの冗長軸に対して１つの拘束条件を設定している。なお、実際の駆動軸と冗長軸とを、１対１で対応させても良いが、必ずしも１対１で対応させる方式に限定されない。例えば、２つの駆動軸の軸値の関係を冗長軸として扱うこともできる。具体例としては、ある１つの駆動軸の軸値をθ１、他の１つの駆動軸の軸値をθ２とした場合、θ１＋θ２＝θという拘束式で規定されるθを、新しい（仮想的な）冗長軸の軸値とみなすことができる。拘束条件は、例えば、その拘束条件に対応する冗長軸の動作を、ロボットアームの複数の駆動軸の軸値の組み合わせによって決まるロボットアームの形体(configuration)との関係で拘束するものである。すなわち、拘束条件によってロボットアームの形体について制約が加えられ、その拘束条件に対応する冗長軸の動作は、ロボットアームの形体の変化が、拘束条件によって制約された範囲内に収まるように制御される。この点については、図１５等を参照して後ほど詳述する。
　このようにロボットアームの制御において複数の拘束条件を設けることにより、複数の冗長軸を有するロボットアームを備えた本実施形態において、手術器具のエンドエフェクタの位置および姿勢からロボットアームの駆動軸の軸値（関節変数の値）を算出するに際して、定まった解を算出することができる。すなわち、本実施形態においては、手術器具のエンドエフェクタの位置および姿勢が決まれば、拘束条件によって冗長軸の軸値（関節変数の値）が一意に決まる。例えば、拘束条件は、エンドエフェクタの位置および姿勢に基づいて冗長軸の軸値を一意に決めるための数式で構成することができる。このように冗長軸の軸値を拘束条件によって決定することができるので、冗長軸以外の複数の駆動軸については、冗長軸が存在しない場合と同様の逆運動学計算を適用することができる。なお、冗長軸の軸値は、関節位置(joint position)、あるいは関節角度(joint angle)と呼ぶこともできる。
　冗長軸の拘束条件は、ロボットアームが有する複数の駆動軸（複数の関節）のうち、どの軸を冗長軸として扱うかということにも関連する。すなわち、ロボットアームが有する複数の駆動軸のうち、どの軸を冗長軸として選定するかによって、冗長軸の拘束条件の内容が変わり得る。また、冗長軸の拘束条件は、アーム同士の干渉回避等の観点から決定することができる。例えば、アーム同士の干渉が起こりにくいであろうと想定される動作範囲内でロボットアームが動作するように、冗長軸の拘束条件を設定することができる。
　上記の通り、アーム同士の干渉回避等の観点から冗長軸の拘束条件を決定することができるが、いったん決定した拘束条件の内容が、常に最適なものであるとは限らない。例えば、ある手術を行うにあたって、手術中の、ある局面においては適切にアーム干渉回避効果を発揮できたとしても、手術中の別の局面においては、当初予定した通りのアーム干渉回避効果が必ずしも得られないということもあり得る。
　また、手術の内容（術式等）等によって、手術ロボットに対して要求される動作が変化し得るので、所要の手術を行うために手術ロボットが所要の動作を実現できるように、手術の内容等に応じて拘束条件を変更することが望ましい。
　そこで、本実施形態においては、冗長軸の拘束条件を、いったん設定したら変更しない固定的なものとして位置付けるのではなく、例えば手術中においても、その時々の状況に応じて動的に変更できるものとした。すなわち、本実施形態においては、例えば手術を開始する前の時点（セットアップの時点等）で設定した冗長軸の拘束条件を、手術を開始した後、例えば操作者（外科医）によるフォローイング動作の最中において、その時々の状況に応じて動的に変更することができる。また、手術の開始前に設定する初期の拘束条件についても、所要の手術を行うために手術ロボットに要求される所要の動作を実現する上で最適な拘束条件を選択できるようにした。
　冗長軸の拘束条件が変更されると、それに起因してロボットアームの複数の駆動軸（関節）の軸値が変わる。すなわち、ロボットアームの複数の駆動軸の軸値は、操作装置からの操作入力に基づいて生成されたエンドエフェクタの位置および姿勢の指令値に基づく演算処理によって求められるが、この演算処理は、冗長軸の拘束条件に関連する内容を含んでいる。そのため、冗長軸の拘束条件が変更されると、エンドエフェクタの位置および姿勢の指令値からロボットアームの複数の駆動軸（関節）の軸値を求める際の演算処理の内容が変わり、演算処理の結果として得られる複数の駆動軸の軸値も変わる。
　ここで、冗長軸の拘束条件に関連するロボットアームの駆動軸の動作は、エンドエフェクタの運動に影響を与えない。したがって、冗長軸の拘束条件を変更したことに起因してロボットアームの複数の駆動軸の軸値が変わっても、それによってエンドエフェクタの運動が影響を受けることはない。冗長軸の拘束条件を変更することに起因してロボットアームの複数の駆動軸の軸値が変わると、それに応じてロボットアームの形体(configuration)が変わる。ロボットアームの形体は、絶対座標系（あるいは世界座標系）においてロボットアームが占有する空間領域として定義することができる。したがって、冗長軸の拘束条件を変更することによって、ロボットアームが占有する、絶対座標系での空間領域を変更することができる。冗長軸の拘束条件の変更によるロボットアームの占有空間領域の変更は、エンドエフェクタの運動に影響を与えることなく実現することができる。すなわち、冗長軸の拘束条件を変更することによって、エンドエフェクタの運動に影響を与えることなく、ロボットアームの占有空間領域を変更することができる。
　上記の通り、エンドエフェクタの運動に影響を与えることなくロボットアームの形体を変更してその占有空間領域を変更することができるので、例えば、操作者（施術者）が操作装置を操作して施術を行っている最中（いわゆるフォローイング動作の最中）に、アーム同士が接近して干渉する可能性がある場合には、操作者による施術を中断させることなく（すなわちフォローイング動作を中断させることなく）、制御装置が冗長軸の拘束条件を動的に変更することによって、アーム同士の干渉を事前に回避することができる。
　もし仮にアーム同士の干渉が生じて手術ロボットが停止した場合には、患者の安全を考慮しつつ、手術ロボットの停止状態（ロック状態）を解除する必要がある。例えば、手術器具をいったんポート部材から引き抜いて、ロボットアームを適切な形体に変更し、改めて手術器具をロボットアームに装着してから、手術ロボットの停止状態を解除する必要があるかも知れない。このようにアーム同士の干渉によって手術ロボットがいったん停止すると、これを解除するために手間と時間がかかり、その間は手術が中断されてしまう。これに対して、本実施形態によれば、アーム同士の干渉を事前に回避することができるので、手術ロボットの停止とその後の復旧作業によって手術が中断されることを確実に防止することができる。このように本実施形態によれば、手術ロボットシステムを用いた手術において、操作者による手術の継続性を確実に担保することができる。
　以下では、本実施形態による手術ロボットシステムおよびその制御方法について、図面を参照して説明する。
　図１乃至図３に示したように、本実施形態による手術ロボットシステム１０は、スレーブ側のユニットの少なくとも一部を構成する手術ロボット１と、マスター側のユニットの少なくとも一部を構成する操作装置２とを備えている。操作装置２は、手術室内において手術台１１１の傍らに配置されている。なお、操作装置２は、手術室内において手術台１１１の傍ではなく、もっと離れた位置に配置しても良いし、あるいは、手術室の外部に配置しても良い。手術ロボットシステム１０を使用して手術を行う操作者（外科医）Ｓは、施術中においては、操作装置２を操作するために、手術ロボット１側ではなく操作装置２側に位置している。手術が行われる患者Ｐは、手術ロボット１の傍らに配置された手術台１１１の上に載置されている。
　操作者Ｓは、手術器具４０の位置および姿勢を制御するための操作入力を操作装置２に入力する。操作装置２に入力された操作入力は、有線または無線により手術ロボット１のアーム制御部２８に伝達される。アーム制御部２８は、操作装置２に入力された操作入力に基づいて、手術ロボット１における動作指令を生成する。手術ロボット１は、この動作指令に基づいて操作される。このように操作装置２は、手術ロボットシステム１０と操作者Ｓとの間のインターフェースを構成し、手術ロボット１（スレーブ側ユニット）をリモートで操作するための装置（マスター側ユニット）である。
　手術ロボット１は制御装置４を備えており、アーム制御部２８は制御装置４に含まれている。本実施形態においては、制御装置４が手術ロボット１に含まれる構成としているが、制御装置４は必ずしも手術ロボット１に含ませる必要はなく、手術ロボットシステム１０の構成要素として手術ロボット１の外側に設けることもできる。また、本実施形態においては、アーム制御部２８が制御装置４に含まれる構成としているが、アーム制御部２８は必ずしも制御装置４に含ませる必要はなく、手術ロボットシステム１０の構成要素として制御装置４の外側に設けることもできる。
　操作装置２は、左右の操作マニピュレータ２０Ａ、２０Ｂと、複数の操作ペダル２２と、タッチパネル２３と、モニタ２４と、を含む。モニタ２４は、支持アーム２５によって支持されている。タッチパネル２３は支持バー２６に配置されている。操作マニピュレータ２０Ａ、２０Ｂは、操作者が左右の手で操作して操作指令を入力するための左右のハンドコントロール２１Ａ、２１Ｂを備えている。操作マニピュレータ２０Ａ、２０Ｂは、手術器具４０の位置および姿勢の動作指令を生成するための操作入力を受け付ける操作具である。操作ペダル２２は、例えば、内視鏡カメラのズーム、制御モードの切り替え、左右の操作マニピュレータ２０Ａ、２０Ｂと対応付けられるロボットアーム３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）の切り替え等の指令を受け付ける操作具である。
　モニタ２４は、患者Ｐの体内に挿入される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。モニタ２４は、３Ｄ画像を表示する３Ｄビューアであっても良い。支持アーム２５は、モニタ２４の高さを操作者Ｓの顔の高さに合わせるようにモニタ２４を支持することができる。モニタ２４近傍に、操作者Ｓの頭部を検知するセンサ２７が設けられている。例えば、センサ２７により操作者Ｓの頭部が検知されていることを条件として、操作装置２による手術ロボット１の遠隔操作が可能になり、センサ２７により操作者Ｓの頭部が検知されていない場合には、操作装置２による手術ロボット１の遠隔操作を行うことができないようにアーム制御部２８が構成されている。操作者Ｓは、モニタ２４により患者Ｐの患部を視認しながら、操作マニピュレータ２０Ａ、２０Ｂのハンドコントロール２１Ａ、２１Ｂおよび操作ペダル２２を操作する。
　手術ロボット１は、手術ロボットシステム１０と患者Ｐとのインターフェースを構成する。手術ロボット１は、手術室内において患者Ｐが横たわる手術台１１１の傍らに配置されている。手術室内の手術台１１１およびその周辺は滅菌されて滅菌野が形成されている。
　手術ロボット１は、ポジショナ７と、ポジショナ７の先端部に取り付けられたアームベース５と、アームベース５に着脱可能に取り付けられた複数のロボットアーム３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）とを備えている。
　図４に示したように、本実施形態においては、４本のロボットアーム３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄがアームベース５に取り付けられている。なお、ロボットアーム３の設置数は、４本よりも少なくても良いし、４本よりも多くても良い。複数のロボットアーム３のそれぞれの先端部３２（図１０参照）は、手術器具４０が着脱可能に取り付けられる器具ホルダ３６を含んでいる（図１１も参照）。すなわち、器具ホルダ３６は、ロボットアーム３の先端部３２の少なくとも一部を構成している。
　本実施形態による手術ロボット１のポジショナ７は、多関節型ロボットを備えている。ポジショナ７は、制御装置４に含まれるポジショナ制御部７５によって制御される。なお、ポジショナ制御部７５は、必ずしも制御装置４に含ませる必要はなく、制御装置４の外側に設けても良い。ポジショナ７を構成する多関節型ロボットとしては、垂直多関節型ロボットを用いることができ、例えば７軸の垂直多関節型ロボットを用いることができる。ポジショナ７は、基部９０と、その基端側が基部９０に連結された一連のリンク部９１とを含む。複数のリンク部９１同士は、関節部９２によって互いに連結されている。ポジショナ７の基部９０は、移動可能な台車７０のケーシング７１の上面に取り付けられている。ポジショナ７の先端部には、アームベース５が設けられている。ポジショナ７を垂直多関節型ロボット、例えば７軸の垂直多関節型ロボットで構成することにより、ポジショナ７の先端に装着されたアームベース５の位置および姿勢を３次元空間内で自由に制御することができる。アームベース５の位置は、アームベース５上に設定した参照点の位置として規定しても良い。例えば、ポジショナ７の先端に取り付けられたアームベース５の基端部（の回転軸線上）に参照点を設定しても良い。
　図５に示したように、ポジショナ７の複数のリンク部９１および複数の関節部９２は、基端側から先端側に向けて、第１の関節部９２Ａ、第１のリンク部９１Ａ、第２の関節部９２Ｂ、第２のリンク部９１Ｂ、第３の関節部９２Ｃ、第３のリンク部９１Ｃ、第４の関節部９２Ｄ、第４のリンク部９１Ｄ、第５の関節部９２Ｅ、第５のリンク部９１Ｅ、第６の関節部９２Ｆ、第６のリンク部９１Ｆ、第７の関節部９２Ｇ、第７のリンク部９１Ｇの順で接続されている。第１の関節部９２Ａ、第４の関節部９２Ｄ、第６の関節部９２Ｆ、第７の関節部９２Ｇは、ねじり関節で構成されている。第２の関節部９２Ｂ、第３の関節部９２Ｃ、第５の関節部９２Ｅは、曲げ関節で構成されている。上記の構成を備えることにより、ポジショナ７は、移動可能な台車７０に対して、アームベース５の位置を、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に沿って、３次元的に移動させることができ、アームベース５の姿勢を、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸回りに回転させることができる。
　アームベース５は、アームベース本体５０と、アームベース本体５０の背面に設けられ、ポジショナ７の先端部が取り付けられるポジショナ取り付け部５１と、アームベース本体５０の下部に設けられ、複数のロボットアーム３の基端部８０が取り付けられる複数のアーム取り付け部５２と、を備えている。アームベース５は、ポジショナ７の先端部に対して相対回転可能に構成される。アームベース５には、撮像部５３が設けられている。撮像部５３は、手術台１１１と手術台１１１に載置された患者Ｐとのうちの少なくとも一方を撮影することができる。
　手術ロボット１において、アームベース５は、複数のロボットアーム３の拠点となる「ハブ」としての機能を有している。なお、本実施形態におけるポジショナ７は垂直多関節ロボットで構成されているが、ポジショナ７を垂直多関節ロボット以外のマニピュレータで構成することもできる。例えば、ポジショナ７は、アームベース５を支持するための直動レール、昇降装置、あるいは、天井または壁に取り付けられたブラケットであってもよい。本実施形態においてはポジショナ７の基部９０が、移動可能な台車７０に取り付けられているが、これに代えて、ポジショナ７の基部を、手術室の壁、床またはこれらに固定された部材など、固定物に取り付けることもできる。
　図６に示したように、台車７０には、施術前などにおけるポジショナ７、アームベース５および複数のロボットアーム３の位置および姿勢（準備姿勢）を設定入力するための操作部７２が設けられている。操作部７２は、例えばタッチパネルを含む表示部７２ａを有する。操作部７２は、ポジショナ７の移動を制御するためのジョイスティック７２ｂを有する。ジョイスティック７２ｂの近傍には、手動操作によるポジショナ７の移動を許可または不許可とするイネーブルスイッチ７２ｃが設けられている。そして、イネーブルスイッチ７２ｃが押下され、ポジショナ７の移動が許可された状態で、看護師、技師などの操作者がジョイスティック７２ｂを操作することにより、ポジショナ７が移動される。このように手術ロボットシステム１０は、操作者による手動操作によってポジショナ７を移動させることができる手動モードを有する。
　また、台車７０の操作部７２の近傍には、台車７０の移動を操作するハンドル７３が設けられている。そして、ハンドル７３は、看護師、技師などの操作者が把持して回転操作することにより台車７０の移動を操作するスロットル部７３ａを有する。また、ハンドル７３は、左右（ＬＲ方向）に回転可能に構成されており、ハンドル７３の回転と共に台車７０の移動方向が変更される。
　また、台車７０のハンドル７３の近傍には、台車７０の移動を許可または不許可とするイネーブルスイッチ７３ｂが設けられている。そして、イネーブルスイッチ７３ｂが押下され台車７０の移動が許可された状態でハンドル７３のスロットル部７３ａが操作されることにより、台車７０の内部に設けられた電動モータなどの動力を含む走行動力部７４によって、台車７０が前後左右に移動される。
　ポジショナ７、アームベース５、およびロボットアーム３の基端部８０からロボットアーム３の器具ホルダ３６までの部材は、図示しない滅菌ドレープで覆われる。これらポジショナ７、アームベース５、およびロボットアーム３の基端部８０から器具ホルダ３６までの部材が、手術室内の滅菌野から遮蔽される。
　図７は、手術器具４０の一例として、鉗子アセンブリ４０Ａを示している。鉗子アセンブリ４０Ａは、シャフト部４３と、その先端に設けられた一対のジョーを含むエンドエフェクタ４４と、シャフト部４３の基端をシャフト部４３の長手軸線周りに回転可能に保持する器具ベース４５と、を備える。
　図８は、手術器具４０の他の例として、患者の体内に挿入されて術部の状況を撮像するための撮像装置である、内視鏡アセンブリ４０Ｂを示している。内視鏡アセンブリ４０Ｂは、内視鏡１２および内視鏡ホルダ１３を含む。内視鏡ホルダ１３は、内視鏡１２をその長手軸線周りに回転可能に保持している。内視鏡ホルダ１３の内部には、内視鏡１２をその長手軸線周りに回転させるための駆動部（図示せず）が設けられている。内視鏡１２は、その前方部分（カメラ側の部分）がシャフト部４３として形成されている。
　上記の通り、手術器具４０のシャフト部４３は、エンドエフェクタ４４がその先端に設けられた細長部材を示す場合もあるし、細長部材として形成された、内視鏡１２の前方部分（カメラ側の部分）を示す場合もある。
　鉗子アセンブリ４０Ａの器具ベース４５には、ロボットアーム３の器具ホルダ３６に対して解放可能に係止される係止部（図示せず）が設けられており、器具ホルダ３６には当該係止部が係止される受け部（図示せず）が設けられている。例えば、係止部と受け部とは互いに相補的な形状を有しており、係止部および受け部の一方の設けられた弾発的に出没する出没部が、係止部および受け部の他方に設けられた凹部に解放可能に係止される。例えば、凹部に対して弾発的に係止された出没部を施術補助者が手動操作で解放して鉗子アセンブリ４０Ａを器具ホルダ３６から取り外すことができる。内視鏡ホルダ１３も上記と同様の着脱機構を備えており、施術補助者による手動操作によって器具ホルダ３６に対して着脱することができる。
　本実施形態における手術ロボット１では、複数（本例では４本）のロボットアーム３のうちの１本のロボットアーム３の器具ホルダ３６に、手術器具４０として、内視鏡アセンブリ４０Ｂが着脱可能に保持されている。複数のロボットアーム３のうち残余（本例では３本）のロボットアーム３の器具ホルダ３６に、手術器具４０として、内視鏡アセンブリ４０Ｂ以外の手術器具、例えば鉗子アセンブリ４０Ａが着脱可能に保持される。なお、図４に示した手術ロボット１においては、第２のロボットアーム３Ｂに内視鏡アセンブリ４０Ｂが装着されており、第１、第３、および第４のロボットアーム３Ａ、３Ｃ、３Ｄに、内視鏡アセンブリ４０Ｂ以外の手術器具、例えば鉗子アセンブリ４０Ａが装着されている。
　上記の手術ロボット１では、ポジショナ７から手術器具４０まで、複数の構成要素が一連に繋がっている。本明細書では、上記一連の構成要素において、ポジショナ７（より詳細には、ポジショナ７の基部９０）へ向かう側の端部を「（一連の構成要素の）基端部」ということがあり、その反対側の端部を「（一連の構成要素の）先端部」ということがある。
　操作装置２からの操作入力に基づいて手術ロボット１の動作を制御するアーム制御部２８は、集中制御する単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。図９に示したように、アーム制御部２８は、例えば、マイクロコントローラ等のコンピュータ３００により構成される。コンピュータ３００は、ＣＰＵ等のプロセッサ３０１、ＲＯＭおよびＲＡＭ等のメモリ３０２、Ｉ／Ｏ部（入出力部）３０３、およびインターフェース３０４を有する。メモリ３０２には、手術ロボット１の動作制御に用いられる制御プログラムおよび各種データが記憶される。インターフェース３０４は、操作装置２、各種センサ（後述するサーボモータの回転角を検出するエンコーダ等）等との通信に使用される。
　図１０には、手術ロボット１が備える複数のロボットアーム３のうちの１本のロボットアーム３の概略構成が示されている。ロボットアーム３の先端部３２には手術器具４０が着脱可能に装着されている。なお、本実施形態では、手術ロボット１が具備する複数のロボットアーム３はいずれも同様または類似の構成を有するが、複数のロボットアーム３のうち少なくとも１本が他のロボットアーム３と異なる構成（例えば異なる自由度を有する等）を有してもよい。図１０に示すように、ロボットアーム３は、アーム本体３０と、アーム本体３０に設けられた並進移動機構３５とを備えている。並進移動機構３５は、その本体部に移動可能に設けられた器具ホルダ３６を有する。並進移動機構３５（器具ホルダ３６を含む）は、ロボットアーム３の先端部３２の少なくとも一部を構成している。図１０および図１１に示すように、器具ホルダ３６には、手術器具４０の器具ベース４５が着脱機構（図示せず）によって着脱可能に装着されている。ロボットアーム３の先端部３２は、ロボットアーム３の基端部８０に対して３次元的に移動可能である。
　図１１および図１２に示すように、並進移動機構３５の器具ホルダ３６は、アーム手動操作機構３９を備えている。アーム手動操作機構３９は、ボタン、ジョイスティック等を含む指令入力部３９Ａと、指令入力部３９Ａから入力された指令に応じて並進移動機構３５を駆動する手動コントローラ３９Ｂとを有する。指令入力部３９Ａから入力される指令には、例えば、ポート部材１１２に挿入されている手術器具４０を退避位置まで退避させる退避動作に関する指令が含まれる。手術ロボット１の傍にいる施術補助者が指令入力部３９Ａを操作して、手動コントローラ３９Ｂによって手術器具４０の退避動作を制御することができるようにしても良い。
　アーム本体３０は、アームベース５に着脱可能に取り付けられる基端部８０と、基端部８０から先端部に向けて順次連結された複数のアームリンク部を備えている。アーム本体３０は、一つのアームリンク部が他の一つのアームリンク部に対して回転するように順に連結されることにより複数の関節部（複数の駆動軸）を構成する。複数のアームリンク部は、第１リンク８１～第６リンク８６を含む。複数の関節部は、第１関節Ｊ３１～第７関節Ｊ３７を含む。なお、本実施形態におけるアーム本体３０の複数の関節部（第１関節Ｊ３１～第７関節Ｊ３７）は、回転軸を備えた回転関節により構成されているが、少なくとも一部の関節部が直動関節により構成されてもよい。
　より詳細には、ロボットアーム３の基端部８０の先端側に、ねじり（ロール）関節である第１関節Ｊ３１（基端側ねじり関節）を介して第１リンク８１の基端部が連結されている。第１リンク８１の先端部に、曲げ（ピッチ）関節である第２関節Ｊ３２を介して第２リンク８２の基端部が連結されている。第２リンク８２の先端部に、ねじり関節である第３関節Ｊ３３を介して第３リンク８３の基端部が連結されている。第３リンク８３の先端部に、曲げ関節である第４関節Ｊ３４を介して第４リンク８４の基端部が連結されている。第４リンク８４の先端部に、ねじり関節である第５関節Ｊ３５を介して第５リンク８５の基端部が連結されている。第５リンク８５の先端部に、曲げ関節である第６関節Ｊ３６を介して第６リンク８６の基端部が連結されている。第６リンク８６の先端部に、曲げ関節である第７関節Ｊ３７（先端側曲げ関節）を介して並進移動機構３５の基端部が連結されている。
　本実施形態において、第１リンク８１は、隣接する関節Ｊ３１、Ｊ３２間において折り曲げられた形状を有している。言い換えると、第１リンク８１は、第１関節Ｊ３１の回転軸と第２関節Ｊ３２の回転軸とが交差しないように構成されている。すなわち、第１リンク８１は、第１部分８１ａと、第２部分８１ｂとを有する。このうち、第１部分８１ａは、基端側の第１関節Ｊ３１から所定の第１方向（第１関節Ｊ３１の回転軸方向）に延びる。また、第２部分８１ｂは、第１部分８１ａの先端部から第１部分８１ａの延出方向に交差する第２方向（かつ第２関節Ｊ３２の回転軸に垂直な方向）に延びて先端側の第２関節Ｊ３２に接続される。第１リンク８１における第１方向と第２方向とのなす角は、例えば１２０度以上かつ１６０度以下（例えば１４０度）である。なお、第１部分８１ａと第２部分８１ｂとは滑らかに繋がっている。これにより、一部のアームリンク部が折り曲げられた形状を有していても、複数のアームリンク部内に電気配線等のワイヤを通し易くすることができる。
　さらに、第４リンク８４は、隣接する関節Ｊ３４、Ｊ３５間において折り曲げられた形状を有し、当該部分がアーム本体３０の肘１１である。言い換えると、第４リンク８４は、第４関節Ｊ３４の回転軸と第５関節Ｊ３５の回転軸とが交差しないように構成されている。そして、第４関節Ｊ３４の回転軸および第５関節Ｊ３５の回転軸に垂直な方向において、第４関節Ｊ３４の回転軸に対して第５関節Ｊ３５の回転軸はオフセットされている。すなわち、第４リンク８４は、第１部分８４ａと、第２部分８４ｂとを有する。このうち、第１部分８４ａは、基端側の第４関節Ｊ３４から所定の第１方向（第４関節Ｊ３４の回転軸および第５関節Ｊ３５の回転軸の双方に垂直な方向）に延びる。また、第２部分８４ｂは、第１部分８４ａの先端部から第１部分８４ａの延出方向に交差する第２方向（第５関節Ｊ３５の回転軸方向）に延びて先端側の第５関節Ｊ３５に接続される。第４リンク８４における第１方向と第２方向とのなす角は、例えば７０度以上かつ１１０度以下（例えば９０度）である。なお、第１部分８４ａと第２部分８４ｂとは滑らかに繋がっている。
　その他のリンク８２，８３，８５，８６は、隣接する関節部間において直線状に形成されている。言い換えると、その他のリンク８２，８３，８５，８６は、隣接する関節部の回転軸同士が交差するように構成されている。
　各アームリンク部は、そのアームリンク部より基端部側に接続されるアームリンク部（または基端部８０）より長手方向に直交する断面の面積が小さくなるように構成される。これにより、アーム本体３０は、基端部８０から先端側に向かうにしたがって段々細くなるように構成される。さらに、曲げ関節である各関節Ｊ３２，Ｊ３４，Ｊ３６は、基端部側のアームリンク部８１，８３，８５の先端部が関節部における回転軸方向中央部を基準として回転軸方向一方側に位置するように構成される。また、先端部側のアームリンク部８２，８４，８６の基端部が関節部における回転軸方向中央部を基準として回転軸方向他方側において基端部側のアームリンク部８１，８３，８５の先端部に対面するように位置するように構成される。
　その上で、当該関節部における回転軸方向の幅、すなわち、基端部側のアームリンク部８１，８３，８５の先端部の回転軸方向外端部と、先端部側のアームリンク部８２，８４，８６の基端部の回転軸方向外端部との間の距離が、基端部側のアームリンク部８１，８３，８５の先端部より基端部側に位置する部分の長手方向に直交する断面の直径（最大寸法）より短い。
　このように、各関節部およびそれの先端部側のアームリンク部が基端部側のアームリンク部に比べて幅狭に構成される。これによって、患者Ｐの施術部位１１０に近接するほど狭くなるワークスペースにおいて、各アーム本体３０の移動範囲（他のアーム本体３０と干渉しない範囲）を増大させることができる。
　アーム本体３０の外殻は、塗装により耐薬品性を有する部材で形成されている。また、アーム本体３０の点検穴等の開口部は、樹脂製のカバーで覆われている。当該カバーを樹脂等の部材で形成することにより、アーム本体３０の強度に寄与しない部分の軽量化を図ることができる。これにより、カバーが万が一にも落下したり、アーム本体３０が他のアーム本体３０または施術補助者等にぶつかっても、その衝撃を軽減することができる。なお、アーム本体３０の外殻自体が樹脂部材で構成される部分を含んでもよい。
　並進移動機構３５は、並進移動機構３５の本体部に移動可能に設けられた器具ホルダ３６を長軸方向Ｄｔ（図１０）に並進移動させることにより、器具ホルダ３６に装着された手術器具４０をシャフト部４３の延在方向に並進移動させることができる機構である。
　並進移動機構３５は、アーム本体３０の第６リンク８６の先端部に、曲げ関節である第７関節Ｊ３７を介して連結されている。第７関節Ｊ３７は、長軸方向Ｄｔに垂直な方向に延びている。並進移動機構３５の内部には、器具ホルダ３６を並進移動させるための駆動源を含む駆動機構が設けられている。並進移動機構３５は、手術器具４０を挿入方向に進出させたり、引抜方向に後退させたりできる。並進移動機構３５の内部に設ける駆動機構は、例えばプーリおよびタイミングベルトを用いた構成でもよいし、ギアトレインを含む機構でもよく、倍速機構として構成することもできる。このように、並進移動機構３５は、器具ホルダ３６を長軸方向Ｄｔに直進動作させる直動関節である第８関節Ｊ３８を構成している。
　器具ホルダ３６は、手術器具４０の器具ベース４５を着脱可能に保持する。図１２に示すように、器具ホルダ３６は、手術器具４０に駆動力を付与するために回転駆動する複数（本例では４つ）の駆動軸３７を有する器具駆動部３８を含んでいる。器具駆動部３８の複数の駆動軸３７のうちの１つは、手術器具４０のシャフト部４３をその長手軸線周りに回転させる駆動力を生成する。
　図７に示したように、手術器具４０の１つである鉗子アセンブリ４０Ａは、その基端部に設けられた器具ベース４５と、基端部が器具ベース４５に連結されたシャフト部４３と、シャフト部４３の先端部に連結されたエンドエフェクタ（処置具）４４とを有している。さらに、鉗子アセンブリ４０Ａは、鉗子アセンブリ４０Ａを器具ホルダ３６に装着することによって、器具ホルダ３６に含まれる器具駆動部３８の駆動軸３７と接続され、駆動軸３７の駆動力を伝達する駆動力伝達部（図視せず）を備えている。器具ホルダ３６の器具駆動部３８の駆動軸３７は、例えば４つ設けられており、これらの駆動軸３７は、例えば、鉗子アセンブリ４０Ａ（図７）のエンドエフェクタ４４である一対のジョーの開閉動作、エンドエフェクタ４４のピッチ動作またはヨー動作、鉗子アセンブリ４０Ａのシャフト部４３をその長手軸線周りに器具ベース４５に対して回転させるロール動作のために用いられる。
　器具ホルダ３６に装着される手術器具４０が、図８に示した内視鏡アセンブリ４０Ｂの場合には、器具ホルダ３６の器具駆動部３８の駆動軸３７によって、内視鏡ホルダ１３の内部に設けられた駆動部（図示せず）が駆動され、これにより内視鏡１２がそのシャフト部４３の長手軸線周りに回転される。
　手術器具４０には長軸方向Ｄｔ（図１０参照）が規定されており、器具ベース４５、シャフト部４３、およびエンドエフェクタ４４はこの順に長軸方向Ｄｔに沿って配置される。手術器具４０のエンドエフェクタは、図７に示した一対のジョーからなるエンドエフェクタ４４に限られない。すなわち、手術器具４０のエンドエフェクタは、例えば、動作する関節を有する器具（例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、および、クリップアプライヤー等）、ならびに、関節を有しない器具（例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、および、吸引オリフィス等）を含む群より選択することができる。
　器具ベース４５に、ねじり（ロール）関節である第９関節（第９駆動軸）Ｊ３９（先端側ねじり関節）を介してシャフト部４３の基端部が連結されている。第９関節Ｊ３９の回転軸Ｒ９は、シャフト部４３の中心軸Ｃと同軸に配置された回転軸を有する。シャフト部４３の中心軸Ｃは、手術器具４０の長手軸線に対応する。なお、関節の回転軸とは、回転する軸（shaft）の幾何学的な（仮想の）軸線（geometric (imaginary)
axis）の意である。また、上述の通り、本実施形態において、これら器具ベース４５および第９関節Ｊ３９は、シャフト部４３の位置決めを行うためのロボットアーム３に含まれる要素としてもよい。
　なお、上述の通り、第７関節Ｊ３７と第９関節Ｊ３９との間に位置する第８関節Ｊ３８は直動関節であるので、第７関節Ｊ３７の回転軸Ｒ７に対する第９関節Ｊ３９の回転軸Ｒ９の向きは固定されている。そして、第７関節Ｊ３７の回転軸Ｒ７は、長軸方向Ｄｔに延びる第９関節Ｊ３９の回転軸Ｒ９を含む参照平面ＲＰ（図１０）と直交する。すなわち、本実施形態においては、第７関節Ｊ３７が参照平面ＲＰを規定する曲げ関節を構成する。なお、回転軸Ｒ７と参照平面ＲＰとが成す角は直角に限定されず、回転軸Ｒ７と参照平面ＲＰとは交差していればよい。第７関節Ｊ３７を回転させることによって、シャフト部４３を起倒する方向に揺動させることができる。
　図１３に示すように、本実施形態においては、複数（本例では４本）のロボットアーム３に応じて複数（本例では４つ）のアーム取り付け部５２がアームベース５に設けられている。アームベース５は長手軸線を有する長尺状の形状を備えており、複数のアーム取り付け部５２は、アームベース５の長手方向（図１３においてＤ１で示した方向）に並んで配置されている。複数のロボットアーム３の基端部８０が複数のアーム取り付け部５２にそれぞれ固定されることにより、複数のロボットアーム３の基端部８０側のリンクである第１リンク８１は、第１関節Ｊ３１の回転軸回りに相対回転可能に構成される。
　具体的には、複数のアーム取り付け部５２は、複数のロボットアーム３の基端部８０が所定の第１方向Ｄ１に一列に配列されている。第１方向Ｄ１は、所定の第１平面Ｐ１上に設定される（含まれる）方向である。本実施形態において、第１平面Ｐ１は、アームベース５が準備位置（図３参照）に位置した状態で床面（水平面）Ｇに平行な仮想の平面であり、第１方向Ｄ１は、例えば長尺状のアームベース５の長手軸線の方向であり水平方向であるがこれに限られるものではない。また、第１方向Ｄ１は、ロボットアーム３の後述する第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１に対して垂直な方向である。すなわち、複数のアーム取り付け部５２は、アームベース５が準備位置に位置した状態で上から見た場合に第１方向Ｄ１（図３における紙面奥行き方向）に一列に配列されて、第１方向Ｄ１と直交する第２方向Ｄ２に向いている。アーム取り付け部５２の並びは、一列に限定されるものではなく、２列に並んで配置されていてもよい。また、一部のアーム取り付け部５２が第２方向Ｄ２にオフセットされていてもよい。また、一部のアーム取り付け部５２が第３方向Ｄ３にオフセットされていてもよい。第３方向Ｄ３は、例えば鉛直方向である（図１３において、紙面と直交する方向）。
　なお、上記では、手術器具４０の器具ベース４５および第９関節Ｊ３９は、手術器具４０に含まれる構成要素として説明してきたが、これら器具ベース４５および第９関節Ｊ３９は、ロボットアーム３に含まれる構成要素とすることもできる。
　図１４は、手術ロボットシステム１０の制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。ロボットアーム３のアーム本体３０には、アーム本体３０の各関節Ｊ３１～Ｊ３７に対応して、駆動用のサーボモータ（図１４ではＳＭと表記）Ｍ３１～Ｍ３７、サーボモータＭ３１～Ｍ３７の回転角を検出するエンコーダ（図１４ではＥＮと表記）Ｅ３１～Ｅ３７、および、サーボモータＭ３１～Ｍ３７の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図示せず）が設けられる。
　なお、図１４では、関節Ｊ３１～Ｊ３７のうち、アーム本体３０の第１関節Ｊ３１および第７関節Ｊ３７が代表的に示され、その他の関節Ｊ３２～Ｊ３６の制御系統は省略されている。さらに、並進移動機構３５には、第８関節Ｊ３８の並進動作のためのサーボモータＭ３８（連動機構を駆動するサーボモータ）と、第９関節Ｊ３９の回転動作のためのサーボモータＭ３９と、サーボモータＭ３８，Ｍ３９の回転角を検出するエンコーダＥ３８，Ｅ３９と、サーボモータＭ３８，Ｍ３９の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図示せず）とが設けられる。
　なお、エンコーダＥ３１～Ｅ３９は、サーボモータＭ３１～Ｍ３９の回転位置（回転角）を検出する回転位置検出手段の一例として設けられており、エンコーダＥ３１～Ｅ３９に代えてレゾルバ等の回転位置検出手段が用いられてもよい。
　アーム制御部２８は、動作指令に基づいて複数のロボットアーム３の移動を制御する制御部本体２９を含む。制御部本体２９には、図中ＳＣで表示されたサーボ制御部Ｃ３１～Ｃ３９が電気的に接続され、増幅回路等を介してサーボモータＭ３１～Ｍ３９に係る複数のアクチュエータが電気的に接続されている。
　上記構成において、施術時に操作装置２に入力された操作入力に基づいて、制御部本体２９にロボットアーム３の先端部３２の位置姿勢指令が入力される。制御部本体２９は、位置姿勢指令とエンコーダＥ３１～Ｅ３９で検出された回転角とに基づいて、位置指令値を生成して出力する。この位置指令値を取得したサーボ制御部Ｃ３１～Ｃ３９は、エンコーダＥ３１～Ｅ３９で検出された回転角および位置指令値に基づいて駆動指令値（トルク指令値）を生成して出力する。この駆動指令値を取得した増幅回路は、駆動指令値に対応した駆動電流をサーボモータＭ３１～Ｍ３９へ供給する。このようにして、ロボットアーム３の先端部３２が、位置姿勢指令と対応する位置および姿勢に到達するように、各サーボモータＭ３１～Ｍ３９がサーボ制御される。
　また、アーム制御部２８には、制御部本体２９にデータを読み出し可能な記憶部３１が設けられ、操作装置２を介して入力された手術情報が予め記憶されている。この手術情報には、手術で使用される複数のロボットアーム３の組み合わせが含まれている。
　また、記憶部３１には、ロボットアーム３の先端部３２に保持される手術器具４０の長軸方向Ｄｔに沿った長さ等の情報が記憶される。これにより、制御部本体２９は、ロボットアーム３の先端部３２の位置姿勢指令に基づいて、当該ロボットアーム３の先端部３２に保持された手術器具４０の先端部（エンドエフェクタ４４）の位置を把握可能となっている。手術器具４０の先端部の位置は、ツールセンターポイント（ＴＣＰ）と呼ばれることがある。
　さらに、記憶部３１には、アームベース５および複数のロボットアーム３の施術前に確立される所定の準備位置（例えば図３に示すポジショナ７、アームベース５、ロボットアーム３のそれぞれの位置および姿勢）が予め記憶される。記憶部３１には、複数の準備位置が、施術の内容（種類）、施術部位等に応じて記憶され得る。上述の所定の準備位置は、セットアップポジションと呼ばれることがある。
　図１５乃至図２３は、手術ロボットシステム１０の動作例を、主として拘束条件との関係で説明するための図である。拘束条件は、ロボットアーム３の動作範囲を制限するための条件である。本実施形態においては、３つの拘束条件が適用されている。図１５乃至図１７が第１の拘束条件に対応し、図１８乃至図２０が第２の拘束条件に対応し、図２１乃至図２３が第３の拘束条件に対応している。
　図１５、図１６、および図１７に示した例における第１の拘束条件は、第９関節（第９駆動軸）J３９周りのロボットアーム３の動作についての制限に関するものである。
　図１５および図１６においては、４本のロボットアーム３のうち、ロボットアーム３Ｂおよびロボットアーム３Ｂに関連する要素を図示し、それ以外の要素については適宜省略して図示している。また、図１７においては、４本のロボットアーム３のうち、ロボットアーム３Ａおよびロボットアーム３Ａに関連する要素を図示し、それ以外の要素については適宜省略して図示している。
　図１乃至図３に示したように、手術ロボット１を用いた手術において、まず、施術補助者（あるいは操作者Ｓ自身）は、台車７０を用いて手術ロボット１を手術台１１１の近くに移動させる。このとき、ポジショナ７、アームベース５および複数のロボットアーム３は、台車７０に対して設定される所定の収納位置に位置している。
　手術台１１１に横たわる患者Ｐの体表には、トロカーやカニューレからなるポート部材１１２が例えば横並びに一直線に並ぶように位置して留置されている。図３において、ポート部材１１２は紙面奥行き方向に一列に配列されている。ただし、複数のポート部材１１２の配置は、この配置に限定されるものではない。
　そして、アームベース本体５０が患者Ｐの上方に位置し、アーム取り付け部５２に取り付けられたロボットアーム３の第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１が概ね水平方向に向くようにポジショナ７を制御してアームベース本体５０を配置する。第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１と水平面のなす角は、例えばマイナス３０度～プラス３０度の範囲内である。また、アーム取り付け部５２が向く方向である第２方向Ｄ２が、複数のポート部材１１２が並ぶ方向と概ね直交する姿勢をとるように、ポジショナ７を制御してアームベース本体５０を配置する。
　そして、施術補助者は、各ロボットアーム３と１対１の対応関係で関連付けられる遠隔中心ＲＣ（所定の中心点）をアーム制御部２８に設定する作業を行う。この作業において、施術補助者は、例えば器具ホルダ３６に教示用の手術器具４０を取り付け、教示用の手術器具４０の先端がポート部材１１２の孔の中央に位置するように移動させる。そして、施術補助者は、遠隔中心ＲＣを設定する指示を操作部７２に入力する。これによって、アーム制御部２８は、この時のロボットアーム３の姿勢および教示用の手術器具４０の器具ベース４５に対するシャフト部４３の先端の位置関係、基端部８０の位置および姿勢、各アームリンク部のパラメータに係る情報に基づき、順変換を行い、遠隔中心ＲＣの位置を算出する。
　なお、第１方向Ｄ１において、ロボットアーム３の順番通りに各ロボットアーム３に関連付けられる遠隔中心ＲＣが並ぶようにロボットアーム３とポート部材１１２とは１対１の対応関係で関連付けられる。すなわち、第１方向Ｄ１において右から１番目のロボットアーム３Ａには、第１方向Ｄ１において右から１番目のポート部材１１２が関連付けられている。そして、このポート部材１１２の遠隔中心ＲＣが算出されることによって、ロボットアーム３Ａと第１方向Ｄ１において右から１番目の遠隔中心ＲＣが関連付けられる。他のロボットアーム３Ｂ、３Ｃ、３Ｄについても同様である。
　そして、施術補助者または操作者Ｓは、教示用の手術器具４０を鉗子アセンブリ４０Ａまたは内視鏡アセンブリ４０Ｂ等の手術器具４０に付け替える。このような予備的動作を行うことにより、施術部位１１０となる患者Ｐの体表に留置されたポート部材１１２と各ロボットアーム３に取り付けられた手術器具４０とが所定の初期位置関係となるように、ポジショナ７、アームベース５および複数のロボットアーム３の位置決めが行われる。
　ロボットアーム３は、この初期姿勢において、その基端部８０が概ね水平方向に延びる。そして、折り曲げられた第１リンク８１に連なる第２リンク８２および第３リンク８３は、斜め下方向に延びる。より具体的には、第２リンク８２および第３リンク８３は、第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１が延びる方向（第２方向Ｄ２）のうち基端部８０の基端側から先端側に向かう方向（手術台１１１上の患者Ｐの足先側）且つ下方に延びる。そして、第４リンク８４、第５リンク８５および第６リンク８６は、肘１１を頂点として折り返して斜め下方向に延びる。より具体的には、第４リンク８４、第５リンク８５および第６リンク８６は、第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１が延びる方向のうち基端部８０の先端側から基端側に向かう方向（手術台１１１上の患者Ｐの頭側）且つ下方に延びる。
　本実施形態において、手術ロボット１（ポジショナ７、アームベース５および複数のロボットアーム３）が収納位置から準備位置となるまでの間、アーム制御部２８は、操作装置２による操作を受け付けない。そして、手術ロボット１が準備位置に位置した後、アーム制御部２８は、操作装置２による操作を受け付け可能となる。手術ロボット１が準備位置に位置した後の施術時において、アーム制御部２８は、操作者Ｓが操作装置２を操作して生成された操作入力に基づいて動作指令を生成する。そして、アーム制御部２８は、操作装置２からの操作入力に基づいて生成された動作指令に応じて、各ロボットアーム３を動作させて手術器具４０の位置および姿勢を適宜変化させるように動作制御する。このとき、アーム制御部２８は、ポート部材１１２に挿通した手術器具４０のシャフト部４３が遠隔中心ＲＣを通るように手術器具４０の姿勢に制限を加えてロボットアーム３を制御する。これによって、ポート部材１１２が患者Ｐの体表の面内方向に移動することを規制することができる。
　この施術時における手術器具４０を目標位置において目標姿勢をとるように移動させる動作は、例えば、関節Ｊ３１～Ｊ３９の９軸を含む関節の動作を含む動作により実現される。このように、ロボットアーム３は、手術器具４０の位置および姿勢を制御するために必要な自由度を超える自由度を有する。すなわち、ロボットアーム３は冗長性を有している。そのため、手術器具４０のシャフト部４３の、ある目標位置および目標姿勢に対応するロボットアーム３の複数の関節の回転位置（関節位置）の組（あるいはそれらの角度位置の組によって決まるロボットアーム３の形体(configuration)）は、一意には決まらない。例えば、シャフト部４３をその中心軸Ｃを中心とする周方向に回転させる動作は、中心軸Ｃと同軸に設けられている第９関節Ｊ３９を回転させて実現する他に、アーム本体３０の先端部３２を中心軸Ｃを中心とする周方向に回転させる動作によっても実現できる。したがって、アーム制御部２８は、アーム本体３０の動作および第９関節Ｊ３９の動作を組み合わせて、シャフト部４３の、中心軸Ｃを中心とする周方向の回転動作を制御する。そして、アーム制御部２８は、シャフト部４３をその中心軸Ｃを中心とする周方向に回転させる動作、あるいはシャフト部４３を回転させずに同じ周方向位置に維持する動作を実現しうる動作のうち、以下の拘束条件を満たすように、アーム本体３０および第９関節Ｊ３９を動作させる。
　拘束条件の設定において、図１５に示すように、まず、アーム制御部２８は、各ロボットアーム３のそれぞれについて参照点ＲＤを設定する。図１３に示すように、ロボットアーム３Ｂの参照点ＲＤＢは、ロボットアーム３Ｂの第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１の延長線である参照線ＲＬＢ上に配置される。ロボットアーム３Ａの参照点ＲＤＡは、ロボットアーム３Ａの第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１に対して第１方向Ｄ１（回転軸Ｒ１に垂直な方向）の一方側（＋方向）にオフセットして配置された参照線ＲＬＡ上に配置される（図１７も参照）。なお、本動作例においては、第１方向Ｄ１は水平方向でもある。なお、第１方向Ｄ１はアームベース５の長手方向に平行である。また、ロボットアーム３Ｃの参照点ＲＤＣは、ロボットアーム３Ｃの第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１に対して第１方向Ｄ１の他方側（－方向）にオフセットして配置された参照線ＲＬＣ上に配置される。さらに、ロボットアーム３Ｄの参照点ＲＤＤは、アーム３Ｄの第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１に対して第１方向Ｄ１の他方側（－方向）にオフセットして配置された参照線ＲＬＤ上に配置される。また、各ロボットアーム３の参照線ＲＬのオフセット距離は個別の値に設定される。これによって、隣のロボットアーム３等の手術ロボットシステム１０の他の機器や助手などの周囲の環境等との干渉を適切に予防することができる。
　次に、図１６に示すように、アーム制御部２８は、参照点ＲＤから目標位置において目標姿勢をとるシャフト部４３の中心軸Ｃまでの垂線ｖｈの長さＬが所定の下限長さＬｍｉｎよりも短いか否かを判定する。そして、アーム制御部２８は、垂線ｖｈの長さが下限長さＬｍｉｎよりも短いと判定すると、垂線ｖｈの長さが所定の長さＬｍｉｎよりも長くなるように、参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置をシャフト部４３の中心軸Ｃから遠ざける方向に移動させる。なお、アーム制御部２８は、垂線ｖｈの長さが下限長さＬｍｉｎよりも長いと判定すると、この処理を実行しない。なお、アーム制御部２８は、上記判定を行うことなく、垂線ｖｈの長さＬと参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置との関係を規定する連続関数に基づいて、参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置を決定してもよい。
　次に、図１５に示すように、アーム制御部２８は、参照平面ＲＰが参照点ＲＤを通るように、関節Ｊ３１～Ｊ３９の位置決めを行う。上述の通り、参照平面ＲＰとは、長軸方向Ｄｔに延びる第９関節Ｊ３９の回転軸Ｒ９を含み、第７関節Ｊ３７の回転軸Ｒ７と交差する平面である。
　これによって、並進移動機構３５および器具ベース４５は、参照点ＲＤと遠隔中心ＲＣとを結ぶ軸線Ｒｖ周りに揺動するように姿勢が拘束される。したがって、シャフト部４３をその中心軸Ｃを中心とする周方向に回転させる動作を実現するにあたり、ロボットアーム３の先端部３２を中心軸Ｃを中心とする周方向に回転させる動作の割合を少なくすることができる。また、第９関節Ｊ３９を回転させてシャフト部４３を回転させる動作の割合を大きくすることができる。よって、第７関節Ｊ３７に垂直な方向に連なる並進移動機構３５に参照点ＲＤから外側に向かう方向に向く姿勢をとらせることができる。これによって並進移動機構３５および器具ベース４５がロボットアーム３の側方（第１方向Ｄ１）に張り出す姿勢をとることを抑制することができる。その結果、隣のロボットアーム３等の手術ロボットシステム１０の他の機器や周囲の環境等との干渉を予防することができる。また、アーム本体３０の第６リンク８６が第７関節Ｊ３７からロボットアーム３の中心方向に向く姿勢をロボットアーム３にとらせることができるため、アーム本体３０のリンク長を有効に使用でき、動作範囲を広くすることができる。また、複数のロボットアーム３がアームベース本体５０から扇形状に広がる姿勢をとるので、隣接するロボットアーム間の干渉を低減させることができる。
　さらに、図１６に示すように、例えばシャフト部４３が遠隔中心ＲＣ周りに起きるように揺動し、シャフト部４３が参照点ＲＤに近づくと、シャフト部４３を中心軸Ｃ周りに回転させる動作において、ロボットアーム３の先端部３２を中心軸Ｃまわりに移動させる動作の回転半径が小さくなる。その結果、ロボットアーム３の動作が過敏になり、並進移動機構３５および器具ベース４５にロボットアーム３の急激な動作による大きな振動発生や追従性の低下が発生する可能性がある。この点について、アーム制御部２８は、垂線ｖｈの長さＬが下限長さＬｍｉｎよりも短いと判定すると、垂線ｖｈの長さが所定の長さＬｍｉｎよりも長くなるように、参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置を移動させる。したがって、シャフト部４３が参照点ＲＤに近づいた時にロボットアーム３の先端部３２を中心軸Ｃまわりに移動させる動作の回転半径が小さくなることを防止することができ、これによって、ロボットアーム３の過敏な動作を抑制することができる。また、アーム制御部２８が垂線ｖｈの長さＬと参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置との関係を規定する連続関数に基づいて参照線ＲＬ上における参照点ＲＤの位置を決定する場合は、過敏な動作の発生を避けることができる。
　このように、アーム制御部２８は、手術器具４０のシャフト部４３が目標位置において目標姿勢をとるようにロボットアーム３を制御する。新たな目標位置および目標姿勢が設定されると、アーム制御部２８は、再び垂線ｖｈの長さＬが所定の下限長さＬｍｉｎよりも短いか否かの判定処理し、それ以降の処理を実行する。
　そして、本実施形態における手術ロボット１のアーム制御部２８は、上述した第１の拘束条件を、シミュレーションの結果等に基づいて、操作者Ｓが操作装置２を操作して手術器具４０を用いて所要の手術を行うときにロボットアーム３に要求される所要の動作に関連して決定する。この点についての詳細は後述する。
　次に、図１８、図１９、および図２０を参照して、第２の拘束条件について説明する。第２の拘束条件は、第１関節（第１駆動軸）Ｊ３１に関するものであり、第４リンク８４の屈曲部（肘）１１（図１０参照）の動作範囲を制限するものである。
　第２の拘束条件は、各ロボットアーム３の動作範囲を制限するための条件である。具体的には、第２の拘束条件は、各ロボットアーム３に設定された拘束部の位置と、当該ロボットアーム３が動作するときに拘束部が位置することができる範囲である拘束範囲とを対応付ける内容を含んでいる。第２の拘束条件は、アームベース５に対する各ロボットアーム３の相対的な動作についての条件であり、アームベース５を基準とする。
　拘束部の位置は、ロボットアーム３のいかなる位置に設定されてもよいが、本例では、第４リンク８４の屈曲部（肘）１１に設定される。具体的には、拘束部の位置は、屈曲部（肘）１１における第４リンク８４の軸心の屈曲点１１ａ（図１８参照）に設定される。
　例えば、手術ロボット１は、手術台１１１上に横たわる患者Ｐの施術部位における各手術器具４０の姿勢回転の遠隔中心ＲＣに対して、各手術器具４０の姿勢および挿入深さを様々に変化させるために各ロボットアーム３を屈曲させつつ動作させる。このとき、並進移動機構（先端リンク）３５と基端部（基部リンク）８０との中間付近に位置する第４リンク８４において、ロボットアーム３が屈曲する。特に、第４リンク８４においてロボットアーム３が鋭角に屈曲する場合、第４リンク８４の屈曲部（肘）１１が上方および／または側方に大きく張り出し、隣のロボットアーム３と接触する可能性がある。そこで、本例では、第４リンク８４の屈曲部（肘）１１の屈曲点１１ａが拘束部に設定される。
　各ロボットアーム３における拘束範囲は、当該ロボットアーム３と他のロボットアーム３との位置関係に基づき決定される範囲ではなく、当該ロボットアーム３の状態に基づき決定される範囲である。拘束範囲は、当該ロボットアーム３に対して固定された範囲ではなく、当該ロボットアーム３の状態に対応して変動する範囲である。
　具体的には、拘束範囲は、基端部（基部リンク）８０における特定の位置の部分と並進移動機構（先端リンク）３５における特定の位置の部分との間の領域である。例えば、上記領域は、回転関節J３１の回転軸Ｒ１（図１３参照）の軸方向と平行な方向から見たときの領域であってもよい。
　図１８および図１９はそれぞれ、ロボットアーム３をＹＡ軸負方向およびＺＡ軸負方向で見た側面図および平面図である。図１８および図１９に示すように、基端部（基部リンク）８０における特定の位置の部分は、点８０ａに設定され、並進移動機構（先端リンク）３５における特定の位置の部分は、点J３７ａに設定される。点８０ａは、基端部（基部リンク）８０とアーム取り付け部５２との接続面と基端部（基部リンク）８０の軸心との交点である。点J３７ａは、並進移動機構（先端リンク）３５と第６リンク８６との接続部分に位置し、具体的には、当該接続部分と交差する第７関節J３７の回転軸の軸方向での当該接続部分の中心点である。なお、拘束範囲は、例えば、点８０ａと点J３７ａとの間の中間位置であってもよい。本明細書及び特許請求の範囲において、「中間位置」は、２つの要素の間の中央の位置と、当該中央の位置付近の位置とを含み得る。
　さらに、拘束範囲は、点８０ａを通り且つＸＡ軸と交差する方向に延びる第１平面と点J３７ａを通り且つＸＡ軸と交差する方向に延びる第２平面との間の３次元領域であってもよい。第１平面および第２平面は、互いに平行であってもよく、非平行であってもよい。ＸＡ軸の軸方向はアームベース５の長手方向の一例である。
　例えば、図１８および図１９に示すように、第１平面は、ＸＡ軸に垂直である平面ＹＺ８であり、第２平面は、ＸＡ軸に垂直である平面ＹＺ７であってもよい。平面ＹＺ７は、点J３７ａを通り且つＹＡＺＡ平面と平行である。平面ＹＺ８は、点８０ａを通り且つＹＡＺＡ平面と平行である。よって、拘束範囲は、点８０ａを通り且つＸＡ軸と垂直な方向に延びる第１平面と点J３７ａを通り且つＸＡ軸と垂直な方向に延びる第２平面との間の３次元領域であってもよい。本明細書および請求の範囲において、「垂直」、「鉛直」、「水平」および「平行」はそれぞれ、完全に垂直、鉛直、水平または平行である場合と、完全な垂直、鉛直、水平または平行の近傍を含む実質的に垂直、鉛直、水平または平行とみなすことができる場合とを含み得る。
　なお、拘束範囲は、第１平面と第２平面との中間位置であってもよく、例えば、平面ＹＺ７と平面ＹＺ８との間の中間位置であってもよい。
　さらに、拘束範囲は、第１平面と第２平面との間の第３平面上の２次元領域であってもよい。第３平面は、第１平面および第２平面の少なくとも１つと平行であってもよく、いずれとも非平行であってもよい。なお、第３平面は、第１平面と第２平面との間の中間に位置してもよい。例えば、図１８および図１９に示すように、第３平面は、平面ＹＺ７と平面ＹＺ８との間の平面ＹＺＥであってもよい。平面ＹＺＥは、平面ＹＺ７およびＹＺ８と平行であるが、非平行であってもよい。平面ＹＺＥの位置は、平面ＹＺ７と平面ＹＺ８との間であればよく、例えば、平面ＹＺ７と平面ＹＺ８との間の中間位置であってもよい。
　また、拘束範囲は、点８０ａと、点８０ａを基準点とする第１曲面との間の３次元領域であってもよい。第１曲面の例は、上記基準点を中心とする球面および楕円球面などの球状面、および、上記基準点を通る軸を中心とする回転曲面などの軸対称曲面等である。上記基準点の例は、中心および焦点等である。例えば、図２０に示すように、第１曲面は球面Ｓ１であってもよい。球面Ｓ１は、点８０ａを中心とし且つ点J３７ａを通る。なお、拘束範囲は、点８０ａと第１曲面との中間位置であってもよく、例えば、点８０ａと球面Ｓ１との間の中間位置であってもよい。図２０は、拘束範囲の別の一例を図１８と同様に示す側面図である。
　さらに、拘束範囲は、点８０ａと第１曲面との間の第２曲面上の領域であってもよい。第２曲面の形状は、第１曲面と類似する形状であってもよく、非類似の形状であってもよい。なお、第２曲面は、点８０ａと第１曲面との間の中間に位置してもよい。例えば、図２０に示すように、第２曲面は、点８０ａと球面Ｓ１との間の球面Ｓ２であってもよい。球面Ｓ２は、点８０ａを中心とするが、点８０ａと異なる点を中心としてもよい。球面Ｓ２の位置は、点８０ａと球面Ｓ１との間であればよく、例えば、点８０ａと球面Ｓ１との間の中間位置であってもよい。
　また、拘束範囲は、点８０ａと点J３７ａとを結ぶ線分上の領域、または、上記線分とＹＡ軸若しくは関節J３１の回転軸とを通る平面上の領域であってもよい。
　また、上記で示された平面上の領域および線分上の領域はそれぞれ、当該平面および当該線分から所定の距離内の領域等の当該平面および当該線分の近傍の領域を含んでもよい。
　上述したように、屈曲点１１ａの拘束範囲は、基端部（基部リンク）８０の位置と並進移動機構（先端リンク）３５の位置とに対応して決定される範囲であり、並進移動機構（先端リンク）３５の位置に対応して変動する範囲である。
　そして、本実施形態における手術ロボット１のアーム制御部２８は、上述した第２の拘束条件を、シミュレーションの結果等に基づいて、操作者Ｓが操作装置２を操作して手術器具４０を用いて所要の手術を行うときにロボットアーム３に要求される所要の動作に関連して決定する。この点についての詳細は後述する。
　次に、図２１、図２２、図２３を参照して、第３の拘束条件について説明する。第３の拘束条件は、直動関節である第８関節Ｊ３８に関するものである。
　図２１は、患者Ｐの体腔ＢＣからの退避位置にある手術器具４０の様子を示す図である。図２１に示すように、手術器具４０の遠位端部が退避点ＥＰに位置するとき、エンドエフェクタ４４の全体がポート部材１１２の内部に位置するか、または、その一部分または全体がポート部材１１２から体外側へ抜け出しており、エンドエフェクタ４４が患者Ｐの体腔ＢＣに存在しない。上記のような退避点ＥＰは、患者Ｐの体壁ＢＷに留置されたポート部材１１２の内部に設定される。退避点ＥＰは、ポート部材１１２の入口１１２inまたは出口１１２outに設定されてもよいが、入口１１２inと出口１１２outとの間に設定されることが望ましい。退避点ＥＰは、遠隔中心ＲＣと同じ位置に設定されてもよい。アーム制御部２８は、遠隔中心ＲＣの位置に基づいて退避点ＥＰを設定し記憶してもよい。
　図２２は、挿入位置にある手術器具４０の様子を示す図である。図２２に示す手術器具４０は、シャフト部４３がポート部材１１２に通され、エンドエフェクタ４４は患者Ｐの体腔ＢＣ内に在る。遠隔中心ＲＣからポート部材１１２の入口１１２inまでの距離を距離αと規定する。なお、ポート部材１１２の図示しない基準線に合わせてポート部材１１２を患者に配置した場合は、αを定数とすることができる。また、ポート部材１１２の種類に応じてαの値は変化する。また、遠隔中心ＲＣからポート部材１１２の出口１１２outまでの距離を距離βと規定する。なお、ポート部材１１２の図示しない基準線に合わせてポート部材１１２を患者に配置した場合は、βを定数とすることができる。
　手術器具４０のエンドエフェクタ４４が患者Ｐの体腔ＢＣ内に在る状態において、遠隔中心ＲＣから手術器具４０の遠位端（即ち、エンドエフェクタ４４の遠位端）までの長さを、手術器具４０の「体腔内長さＬ」と称する。手術器具４０の体腔内長さＬは、操作者（外科医）Ｓが操作装置２のハンドコントロール２１Ａ、２１Ｂを用いて入力した操作入力に基づいて定まる。
　手術器具４０をポート部材１１２を通して体腔ＢＣへ挿脱する際には、手術器具４０のシャフト部４３、リスト部４７およびエンドエフェクタ４４が一直線状となる姿勢（以下、基準姿勢）とされる。リスト部４７は、少なくとも１つの手首関節を有する。体腔内長さＬに含まれるリスト部４７の長さは、手術器具４０が基準姿勢であるときのリスト部４７の長軸方向Ｄｔの長さとする。この長さは、リスト部４７の中心軸を通る長さとほぼ等しい。また、体腔内長さＬに含まれるエンドエフェクタ４４の長さは、手術器具４０が基準姿勢であるときのエンドエフェクタ４４の長軸方向Ｄｔの長さとする。つまり、リスト部４７およびエンドエフェクタ４４の現在の姿勢に関わらず、仮想的に手術器具４０が基準姿勢であるものとして手術器具４０の体腔内長さＬが演算される。
　本例では、器具ホルダ３６の位置および姿勢と、遠隔中心ＲＣの位置と、手術器具４０の外形情報とに基づいて、手術器具４０の体腔内長さＬを求め得る。手術器具４０の外形情報には、例えば、器具ベース４５の大きさ、シャフト部４３の長さ、リスト部４７のリンク長、および、エンドエフェクタ４４のジョー部材の長さが含まれる。器具ホルダ３６の位置および姿勢は、エンコーダＥ３１～Ｅ３７で検出される回転角とロボットアーム３の外形情報とに基づいて求め得る。但し、手術器具４０の体腔内長さＬの算出方法は上記に限定されない。
　ロボットアーム３の第８関節Ｊ３８には予め原点位置Ｓ０と終点位置Ｓｅとが規定されている。原点位置Ｓ０は並進移動機構３５のレール部６１の近位端またはその近傍に規定される。終点位置Ｓｅは、レール部６１の遠位端またはその近傍に規定される。レール部６１に案内されて走行する現在のスライダ部６２の走行位置を「現在位置Ｓｃ」と称する。第８関節Ｊ３８の原点位置Ｓ０から終点位置Ｓｅまでの長軸方向Ｄｔと平行な変位量を、第８関節Ｊ３８の「直動変位可能量Ｔ０」と称する。第８関節Ｊ３８の原点位置Ｓ０から現在位置Ｓｃまでの長軸方向Ｄｔと平行な変位量を、第８関節Ｊ３８の「第１直動変位量Ｔ１」と称する。
　手術中において、手術器具４０の体腔内長さＬが直動変位可能量Ｔ０以下の場合、第８関節Ｊ３８による第１直動変位量Ｔ１は、手術器具４０の体腔内長さＬと同一または所定の関係となるように維持される。アーム制御部２８は、手術器具４０の体腔内長さＬと第８関節Ｊ３８の第１直動変位量Ｔ１の関係が、Ｔ１＝Ｌとなるように、ロボットアーム３の動きを制御する。具体的には、アーム制御部２８は、体腔内長さＬと第１直動変位量Ｔ１とが等しくなるように、第８関節Ｊ３８を動作させる。同時に、アーム制御部２８は、エンドエフェクタ４４の位置および姿勢が指令と対応するように、ロボットアーム３の第８関節Ｊ３８を除く関節Ｊ３１～Ｊ３７および手術器具４０の関節（例えば３つの関節）を動作させる。即ち、ハンドコントロール２１Ａ、２１Ｂによる手術器具４０の遠位端の長軸方向Ｄｔの移動指令に対して、第８関節Ｊ３８の直動変位のみで指令された位置に手術器具４０の遠位端を移動可能な場合、アーム制御部２８は、ロボットアーム３の複数の回転関節Ｊ３１～Ｊ３７を使用せずに第８関節Ｊ３８のみを使用して手術器具４０を長軸方向Ｄｔに移動させる。
　上記の例では、退避制御において手術器具４０のエンドエフェクタ４４の遠位端部は退避点ＥＰまで移動するが、エンドエフェクタ４４の遠位端部は退避点ＥＰを超えて体外側へ移動してもよい。このような観点から、上記のアーム制御部２８は、シャフト部４３がポート部材１１２に通され且つエンドエフェクタ４４が患者Ｐの体腔ＢＣ内に在るときに、手術器具４０の体腔内長さＬと、直動関節（第８関節Ｊ３８）の第１直動変位量Ｔ１との関係がＴ１≧Ｌとなるように、ロボットアーム３の動きを制御してもよい。
　上記の手術ロボット１の制御方法において、エンドエフェクタ４４の遠位端部がポート部材１１２の入口１１２inを大きく超えて体外側へ移動してしまうと、エンドエフェクタ４４に付着した体液が飛散したり、次にエンドエフェクタ４４をポート部材１１２に挿入する作業が煩雑となったりするおそれがある。このような観点から、アーム制御部２８は、シャフト部４３がポート部材１１２に通され且つエンドエフェクタ４４が患者Ｐの体腔ＢＣ内に在るときに、手術器具４０の体腔内長さＬ、直動関節（第８関節Ｊ３８）の第１直動変位量Ｔ１、遠隔中心ＲＣからポート部材１１２の入口１１２inまでの距離α、および、遠隔中心ＲＣからポート部材１１２の出口１１２outまでの距離βの関係が、（Ｌ―β）≦Ｔ１≦（Ｌ＋α）となるように、ロボットアーム３の動きを制御してもよい。
　上記手術ロボットシステム１０およびその制御方法によれば、ロボットアーム３の直動関節（第８関節Ｊ３８）の直動変位可能量Ｔ０が手術器具４０の体腔内長さＬと等しいまたはそれ以上であるので、ロボットアーム３の直動関節（第８関節Ｊ３８）を原点位置Ｓ０へ復帰させる制御（退避制御）のみで、手術器具４０のエンドエフェクタ４４を患者Ｐの体腔ＢＣからポート部材１１２内へ退避させることができる。
　上記の退避制御では、手術器具４０のシャフト部４３は長軸方向Ｄｔと平行にしか移動しない。よって、シャフト部４３の振れが抑制され、ポート部材１１２とシャフト部４３との間にカジリが生じにくい。このように、シャフト部４３をポート部材１１２から滑らかに引き抜くことができるので、患者Ｐの体壁ＢＷにかかる負荷を低減することができる。
　上記の例では、手術器具４０の体腔内長さＬが直動変位可能量Ｔ０以下の場合（Ｌ≦Ｔ０）について、アーム制御部２８による直動関節である第８関節Ｊ３８の動作制御について説明した。このように単一の関節が動作することによれば、ポート部材１１２を通過するシャフト部４３の振れの抑制および速度の追求することができる点で優れている。一方、手術器具４０の体腔内長さＬが直動変位可能量Ｔ０よりも長い場合（Ｌ＞Ｔ０）のアーム制御部２８によるロボットアーム３の動作制御について以下に説明する。
　図２３に示すように、ロボットアーム３の第８関節Ｊ３８を除く回転関節Ｊ３１～Ｊ３７のうち少なくとも１つによって、手術器具４０の遠位端部が長軸方向Ｄｔと平行に直動変位可能な量を「第２直動変位量Ｔ２」と称する。但し、第２直動変位量Ｔ２は、厳密に直線運動の変位量に限定されない。回転関節Ｊ３１～Ｊ３７の各々は、回転中心の周りを回転移動するが、その回転量が僅かである場合には、遠隔中心ＲＣを通過する手術器具４０の部分は概ね直線状に移動し得る。第２直動変位量Ｔ２は、ロボットアーム３の第８関節Ｊ３８を除く回転関節Ｊ３１～Ｊ３７のうち６つの回転関節によって行われることが直動変位の直線性を高めるうえで好ましい。
　第２直動変位量Ｔ２は、手術器具４０の体腔内長さＬと直動変位可能量Ｔ０の差分の長さに応じて変動する値であってよい。第２直動変位量Ｔ２は、退避処理における迅速な退避動作を実現するという観点から、好ましくは第１直動変位量Ｔ１よりも小さな値とされる。
　上記のように、アーム制御部２８は、手術器具４０のシャフト部４３がポート部材１１２に通され且つエンドエフェクタ４４が患者Ｐの体腔内に在るときに、遠隔中心ＲＣから手術器具４０の遠位端部までの手術器具４０の体腔内長さを体腔内長さＬとし、ロボットアーム３の第８関節（直動関節）Ｊ３８の原点位置から現在位置までの長軸方向Ｄｔと平行な直動変位量を第１直動変位量Ｔ１とし、ロボットアーム３の複数の回転関節Ｊ３１～Ｊ３７のうち少なくとも１つの回転関節によるロボットアーム３の遠位端部の長軸方向Ｄｔと平行な所定の直動変位量を第２直動変位量Ｔ２と規定したときに、Ｌ、Ｔ１、およびＴ２の関係が（Ｔ１＋Ｔ２）≧Ｌとなるように、ロボットアーム３の動きを制御してもよい。即ち、ハンドコントロール２１Ａ、２１Ｂによる手術器具４０の遠位端の長軸方向Ｄｔの移動指令に対して、第８関節Ｊ３８の直動変位のみでは移動量が不足して指令された位置に手術器具４０の遠位端を移動できない場合には、アーム制御部２８は、第８関節Ｊ３８とロボットアーム３の複数の回転関節Ｊ３１～Ｊ３７の少なくとも１つを使用して手術器具４０を長軸方向Ｄｔに移動させることができる。
　そして、本実施形態における手術ロボット１のアーム制御部２８は、上述した第３の拘束条件を、シミュレーションの結果等に基づいて、操作者Ｓが操作装置２を操作して手術器具４０を用いて所要の手術を行うときにロボットアーム３に要求される所要の動作に関連して決定する。この点についての詳細は次述する。
　本実施形態による手術ロボットシステム１０およびその制御方法は、上述した拘束条件との関係で、アーム制御部２８によるロボットアーム３の制御に関し、以下に述べるような手法を適用するものである。
　手術ロボット１のアーム制御部２８は、各ロボットアーム３の複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、冗長な駆動軸を、操作装置２からの操作入力および冗長な駆動軸に関する拘束条件に基づいて制御する。アーム制御部２８は、操作者Ｓが操作装置２を操作して手術器具４０を用いて所要の手術を行うときにロボットアーム３に要求される所要の動作に関連して拘束条件を決定する。
　上述の「拘束条件」は、上述した第９関節（第９駆動軸）Ｊ３９に関連する第１の拘束条件、第１関節（第１駆動軸）Ｊ３１に関連する第２の拘束条件、および第８関節（第８駆動軸）Ｊ３８に関連する第３の拘束条件のうちの少なくとも１つを含んでいても良い。
　上述した第９関節（第９駆動軸）Ｊ３９に関連する第１の拘束条件についていえば、手術器具４０は、中心軸（長手軸線）Ｃを有し、冗長な駆動軸である第９駆動軸（第９関節）Ｊ３９は、手術器具４０の少なくとも一部（例えばシャフト部４３）を中心軸（長手軸線）Ｃ周りに回転させる。アーム制御部２８は、ロボットアーム３の先端部３２と基端部８０との間に配置された曲げ関節である第７関節Ｊ３７の回転軸Ｒ７を、中心軸（長手軸線）Ｃを含む参照平面ＲＰと交差させ、且つ参照平面ＲＰに対する第７関節Ｊ３７の回転軸Ｒ７の向きを固定するようにロボットアームを制御する。また、アーム制御部２８は、遠隔中心（所定の中心点）ＲＣを設定し、ねじり関節である第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１の延長線である参照線ＲＬＢ上に、または当該延長線の直交方向にオフセットして配置される線である参照線ＲＬＡ上に、参照点ＲＤを設定し、中心軸（長手軸線）Ｃを遠隔中心（所定の中心点）ＲＣに位置付け且つ参照平面ＲＰを参照点ＲＤに位置付けるように、ロボットアーム３を制御する。そして、アーム制御部２８は、参照線（延長線）ＲＬＢの直交方向における参照点ＲＤのオフセット量を変更して器具ホルダ３６の器具駆動部３８の動作方向および動作量を制御する。
　上述した第１関節（第９駆動軸）Ｊ３１に関連する第２の拘束条件についていえば、アーム制御部２８は、ねじり関節である第１関節Ｊ３１の回転軸Ｒ１の軸方向と平行な方向から見たときに、ロボットアーム３の複数のリンクのうちの、基端部８０に連結された第１リンク８１と先端部３２に連結された第６リンク８６との間にある第４リンク８４の肘（第１部分）１１ａが、基端部８０の点（第２部分）８０ａと先端部３２（３５）の点（第３部分）Ｊ３７ａとの間に位置するように、ロボットアーム３を動作させる。
　上述した第８関節（第８駆動軸）Ｊ３８に関連する第３の拘束条件についていえば、アーム制御部２８は、手術器具４０の運動の中心である遠隔中心ＲＣを記憶し、遠隔中心ＲＣに基づいてロボットアーム３の動作を制御し、ロボットアーム３の動作において、手術器具４０のシャフト部４３が、患者Ｐの体壁ＢＷに挿通されたポート部材１１２に挿通され且つエンドエフェクタ４４が患者Ｐの体腔ＢＣ内に在るときに、遠隔中心ＲＣから手術器具４０の遠位端部までの手術器具４０の体腔内長さをＬとし、並進移動機構（直動関節）３５の原点位置からシャフト部４３の軸方向と平行な直動変位可能量をＴ０とし、並進移動機構（直動関節）３５の原点位置から現在位置までのシャフト部４３の軸方向と平行な直動変位量をＴ１とし、Ｌ≦Ｔ０の場合に、Ｌ及びＴ１の関係がＴ１≧Ｌである。
　上述の「所要の手術」の内容は、例えば、実施される手術の術式（前立腺全摘除術、仙骨膣固定術、腎盂形成術、膀胱悪性腫瘍手術、胃部分切除術、胆嚢摘出術、自然気胸切除術、肺切除術など）、患者Ｐの体に設置されるポート部材１１２の配置（ポート配置）、所要の手術において必要とされる術野（必要な術野）、患者Ｐが載置される手術台の角度、患者Ｐの解剖学的構造（骨格、臓器、体形など）、患者Ｐの年齢・性別、手術中の患者Ｐの体位、手術器具４０の種類などによって規定される。「所要の手術」において「必要な術野」は、例えば、施術の対象が画面のほぼ中央に位置し、操作者Ｓによる施術の遂行にとって必要且つ十分な範囲を視認でき、結果的に操作者Ｓが最も容易に施術を遂行できるものである、と規定しても良い。「術野」は、術式等によって異なるものであっても良く、また、「必要な術野」は、手術中に変化するものであっても良い。「患者の解剖学的構造」は、例えば、術前ＭＲＩ画像等から作成した三次元モデルを用いても良い。
　そして、手術ロボット１のアーム制御部２８は、ロボットアーム３の仮想モデルに所要の動作を行わせることによって実行されたシミュレーションの結果に基づいて上述の拘束条件を決定する。シミュレーションを実行する際に設定すべき条件としては、例えば、上述した「所要の手術」の内容、ロボットアーム３同士の最小許容離間距離、手術中に他の物体（例えば、施術補助者）が存在すると予想される空間モデルの設定、などがあげられる。例えば、ロボットアーム３以外の干渉回避対象の物体について、当該物体が存在する空間領域、あるいは当該物体が存在する可能性がある空間領域を、侵入禁止領域として予めモデル化しておいても良い。侵入禁止領域は、例えば、手術ロボット１を構成するロボットアーム３以外の機器が存在する空間領域に設定しても良いし、あるいは、手術中に施術補助者の身体が存在する可能性がある空間領域に設定しても良い。侵入禁止領域のモデルは、アーム制御部２８が認識しているスレーブ側座標系において定義しても良い。これによりアーム制御部２８は、対象のロボットアーム３のモデルと侵入禁止領域のモデルとの近接距離を、近接センサなどを用いることなく演算によって決定することができる。
　また、シミュレーションにおいて実行する手術器具４０の仮想モデルの動作、ロボットアーム３の仮想モデルの動作については、実際の手術における手術器具４０および／またはロボットアーム３の運動履歴に関するデータを利用して決定しても良い。例えば、ある術式についてシミュレーションを行う場合、当該術式おいて頻繁に実行される手術器具４０の動作パターン（典型的な動作パターン）に限定してシミュレーションを行ってもい。典型的な動作パターンは、実際の手術に関する動作データから、機械学習等の人工知能技術を用いたパターン認識手法を用いて抽出しても良い。
　手術ロボット１のアーム制御部２８は、上述したシミュレーションの結果に基づいて予め作成された複数の拘束条件セットの中から、所要の手術の内容に応じて適切な拘束条件セットを選択するように構成しても良い。複数の拘束条件セットは、術式を含む手術の内容に関する設定条件を変えながら実行したシミュレーションの結果に基づいて作成されても良い。例えば、上述のシミュレーションによって、第１の術式についての第１の拘束条件セットと、第２の術式についての第２の拘束条件セットとを予め作成しておき、メモリ３０２に記憶させる。そして、第１の術式による手術を行う場合には、操作者Ｓがタッチパネル２３等を操作して、これから実施する手術が第１の術式によるものであることを示す情報を入力することで、アーム制御部２８が第１の拘束条件セットを選択するようにしても良い。
　また、アーム制御部２８は、シミュレーションによって得られた結果を訓練データとして利用して学習させた機械学習モデルを用いて拘束条件を決定するようにしても良い。例えば、訓練データは、術野の仮想モデル内に設定された離散的な格子点にアクセスするときの手術器具４０の仮想モデルの位置・姿勢と、ロボットアーム３の仮想モデル同士の間で干渉が生じないような拘束条件とを含むラベル付きデータ(labeled data)であり得る。当該ラベル付きデータ(labeled data)を用いた教師あり学習によって機械学習モデルを訓練して学習済みモデルを作成することができる。機械学習モデルは、例えばニューラルネットワークモデルであり得る。アーム制御部２８は、上記学習済みモデルを用いて、手術の最中に変化する状況に応じて拘束条件を変更する。このようにアーム制御部２８が学習済みモデルを用いてロボットアーム３を制御することで、手術中に変化する状況に対して適時に対応することができる。
　アーム制御部２８によって達成されるロボットアーム３の上述の「所要の動作」は、手術器具４０が挿入される患者Ｐの体内に設定された施術領域内における手術器具４０の動作可能範囲を最大化するロボットアーム３の動作を含むことができる。当該施術領域は、上述の所要の手術における手術部位に関する術野を含み得る。当該術野は、手術部位を撮像する撮像装置の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて規定されても良い。上述したシミュレーションを行うためのモデルにおける「術野」は、２次元的に定義しても良いし、３次元的に定義しても良い。術野を３次元的に定義する場合、例えば直径数センチの球体として定義しても良い。また、実際の手術における術野の画像データおよび／または実際の手術における術野に対応するロボットアーム３（内視鏡を保持するアーム）の関節の軸値データ等に基づいて、実際の手術で用いられた術野をモデル化しても良い。さらに、上述の「所要の動作」は、ロボットアーム３同士の干渉を回避するための動作を含んでも良い。一般的に「術野」は手術中に変化し得るが、本例によれば、その時々の「術野」に応じて最適なアーム動作を実現して、ロボットアーム３同士の干渉を回避して術野内の手術器具４０の所要の動作を確実に確保することができる。
　次に、上述した拘束条件を調整して手術器具４０の動作可能範囲を最大化することについて、仮想モデルを用いたシミュレーションによる評価方法について説明する。なお、本件の明細書および特許請求の範囲において「最大化」または「最大化する」とは、必ずしも理論上の最大レベル（最大値）を求めることまで要求されるものではなく、手術ロボット１がそのタスクを達成するために必要な実用上の最大レベル（最大値）を求めることを含むものである。
　本実施形態においては、手術の内容等に応じた最適な拘束条件を探索するためのシミュレーションを行うために、複数のロボットアーム３のそれぞれの少なくとも一部がモデル化されている。例えば、図２４に示したように、カプセル形状の仮想モデルによってロボットアーム３の少なくとも一部を包囲するようにモデル化され得る。ロボットアーム３のモデル化の対象部位は、並進移動機構３５の少なくとも一部を含んでいても良い。そして、ロボットアーム３の仮想モデルの少なくとも一部を参照部位として設定する。図２４では、参照部位を、実線で示したカプセルで表している。参照部位は、隣り合うロボットアーム３同士が、施術中に最も接近し易いと想定される部位を選択しても良い。例えば、並進移動機構３５の一部を参照部位として選択しても良い。また、上述した肘１１（図１０参照）の部分を含んでロボットアーム３をモデル化しても良い。
　図２５は、中央のロボットアーム３に装着された内視鏡アセンブリ４０Ｂおよび両側のロボットアーム３に装着された鉗子アセンブリ４０Ａのそれぞれのシャフト部４３が、ポート部材（図示せず）を介して患者Ｐの体壁(body wall)ＢＷを貫通している様子を模式的に示している。ロボットアーム３によって手術器具４０の位置および姿勢を制御する際には、３本のシャフト部４３は、いずれも、患者Ｐの体壁ＢＷ付近に設定されたピボット点ＰＰを中心に回転する。例えば、内視鏡アセンブリ４０Ｂの内視鏡１２の正面（シャフト部４３の軸線方向の前方）に術野(surgical field)ＳＦが形成される。
　図２６Ａおよび図２６Ｂは、球状の領域として規定された仮想の術野ＳＦに対して、仮想モデルとしてのアームベース５、ロボットアーム３、手術器具４０などを用いて、手術器具４０（より詳細にはエンドエフェクタ４４）の動作可能範囲（器具動作可能範囲）をシミュレーションにて評価するための方法を説明するための図である。
　図２６Ａおよび図２６Ｂに示したように、体内に定めた球状の術野ＳＦを評価領域として、評価領域内に多数の格子点を作成する。術野ＳＦの大きさは、対象の手術の内容（手術部位・術式等）に応じて決定しても良い。そして、術野ＳＦ内に作成した多数の格子点のそれぞれについて、手術器具４０の到達可能性をシミュレーションによって判定する。手術器具４０と各格子点との到達の可否は、例えば、手術器具４０のツールセンターポイント（ＴＣＰ）と各格子点との距離が所定の閾値以下の場合は到達可能と判断し、所定の閾値を超える場合は到達不可能と判断する。また、到達可能か否かの判定は、各格子点に対して、手術器具４０の位置および姿勢を様々に変えながら探索して行われる。到達可能な格子点の数が多いほど、手術器具４０の動作可能範囲（器具動作可能範囲）が大きいと判定される。図２６Ａに示した状態と図２６Ｂに示した状態とでは、術野ＳＦが同一であり且つ手術器具４０の位置および姿勢が同一であるが、仮想モデルとしてのロボットアーム３の形体が互いに異なっている。図２６Ａと図２６Ｂとでロボットアーム３の仮想モデルの位置および／または姿勢が異なっているのは、拘束条件が互いに異なっていることに起因する。すなわち、手術器具４０の位置および姿勢が同じ場合でも、拘束条件が異なることによってロボットアーム３の形体が変わるので、その結果としてアーム同士の干渉状態が変化し得る。
　図２６Ａに示した状態の場合、一方のロボットアーム３と他方のロボットアーム３とが干渉しているので、このときの評価対象の格子点は到達不可能な格子点として判定される。すなわち、図２６Ａに示した状態におけるロボットアーム３の形体に対応する拘束条件は、対象の術野ＳＦとの関係ではＮＧと判定される。一方、図２６Ｂに示した状態の場合、一方のロボットアーム３と他方のロボットアーム３とが干渉していないので、このときの評価対象の格子点は到達可能な格子点として判定される。すなわち、図２６Ｂに示した状態におけるロボットアーム３の形体に対応する拘束条件は、対象の術野ＳＦとの関係ではＯＫと判定される。このように、冗長軸に関する拘束条件を変えることによって、同じ格子点に対して、手術器具４０が到達不可能な場合（図２６Ａ）と到達可能な場合（図２６Ｂ）とが生じる。本例のシミュレーションにおいては、拘束条件の設定を様々に変化させながら、また、仮想モデルとしての球状の術野ＳＦの位置を様々に変化させながら、それぞれの格子点に対して手術器具４０の到達可能性を評価する。そして、対象の術野ＳＦに対する到達可能な格子点の数が、例えば、ある拘束条件では１００であり、他の拘束条件では１５０であったとすれば、対象の術野ＳＦについては他の拘束条件の方がより良いと評価する。
　そして、上述した評価シミュレーションを実際の手術に先立って予め実施しておいて、その結果を制御装置４のメモリ３０２に記憶させておく。アーム制御部２８は、実際の手術における術野ＳＦに応じて、メモリ３０２に記憶されているシミュレーション結果に基づいて冗長軸の拘束条件を変更する。これにより、手術中に術野ＳＦが変更された場合でも、変更後の術野ＳＦにおいて手術器具４０の動作可能範囲を十分に確保することができる。また、上述のシミュレーションにおいて、術野ＳＦ内での手術器具４０の動作可能範囲を最大化する拘束条件を探索することは、ロボットアーム３同士の干渉が生じない拘束条件を探索することでもある。よって、メモリ３０２に記憶されているシミュレーション結果に基づいて拘束条件を調整することによって、ロボットアーム３同士の干渉を回避することができる。このため、実際に干渉が生じた場合に必要となる復旧作業等の手間を回避して、手術の継続性を担保することができる。
　また、上述したシミュレーションにおいて、ロボットアーム３の周囲に予め設定された仮想空間とロボットアーム３との離間状態が維持されるという条件を追加することもできる。この仮想空間は、例えば手術中に他の物体（例えば施術補助者）が存在すると予想される空間として定義することができる。このように仮想空間との関係で追加の条件を設定してシミュレーションを行うことによって、手術中にロボットアーム３が他の物体（例えば施術補助者）と接触する可能性を低減することができる。
　図２７は、上述した本実施形態による制御方法によって、第３のロボットアーム３Ｃと第４のロボットアーム３Ｄとの干渉が回避される様子を示している。図２７に示した例においては、第４のロボットアーム３Ｄが静止している状態において、第３のロボットアーム３Ｃが第４のロボットアーム３Ｄに近づく方向に移動している。アーム制御部２８は、第３のロボットアーム３Ｃが第４のロボットアーム３Ｄに近づいて、両者の近接距離と許容最小距離との差が閾値以下になったら、シミュレーションの結果に基づいて、第３のロボットアーム３Ｃの参照点ＲＤのオフセット量を調整し、アーム同士の近接距離が許容最小距離以上になった時点で、第３のロボットアーム３Ｃのオフセット量の調整を終了する。
　以上の操作によって、第３のロボットアーム３Ｃと第４のロボットアーム３Ｄの近接距離が許容最小距離以上に維持される。これにより、第３のロボットアーム３Ｃと第４のロボットアーム３Ｄとの干渉を自動的に回避することができる。その結果、例えばロボットアーム同士の干渉により手術ロボット１が停止状態（ロック状態）になることを回避して、手術の継続性を担保することができる。
　また、隣接するロボットアーム３Ｃ、３Ｄ同士の近接距離がアーム制御部２８によって許容最小距離以上に自動的に維持されるので、動作中のロボットアーム３Ｃによるエンドエフェクタの位置および姿勢の制御（フォローイング動作）が中断されることを回避できる。これにより、操作者Ｓによる施術の継続性を担保することができる。
　上記の通り、本実施形態による手術ロボットシステムおよびその制御方法によれば、ロボットアームとロボットアームの周囲に存在する物体との干渉を確実に回避して、操作者（外科医）Ｓによる手術の継続性を確実に担保することができる。
　本実施形態による手術ロボットシステムは、手術中にアーム制御部２８が上述した拘束条件との関係でロボットアーム３を制御することに加えて、以下に述べるように手術中にポジショナ制御部７５がポジショナ７を制御するようにしても良い。
　本実施形態による手術ロボットシステム１０において、ポジショナ制御部７５は、手術中にポジショナ７を制御してアームベース５の位置および姿勢の少なくとも一方を調整する。アーム制御部２８は、手術器具４０の運動がポジショナ制御部７５によるアームベース５の調整によって影響を受けることなく、ロボットアーム３を制御する。すなわち、アーム制御部２８は、ポジショナ制御部７５によってアームベース５の位置および姿勢の少なくとも一方が調整される際においても、手術器具４０の位置および姿勢が、操作者Ｓによって操作装置２から入力された操作入力に基づいて決定された位置および姿勢になるように、ロボットアーム３を制御する。
　図２８に示したように、ポジショナ制御部７５は、術野指定手段７６、術野推定手段７７、手動アーム選択手段７８、自動アーム選択手段７９を備えている。ポジショナ制御部７５は、これらの手段によって、手術中に変化する術中状態に基づいてアームベース５の位置および姿勢の少なくとも一方を調整する。手術中に変化する術中状態は、例えば、手術中に内視鏡１２の位置および姿勢の少なくとも一方が変化することによって、内視鏡１２で撮像される術野が変化すること、操作者Ｓが手動にて術野を指定することによって、ロボットアーム３の制御との関係で仮想的に規定される術野が変化すること、操作者Ｓによる操作によって動作するロボットアーム３同士の離間距離が変化すること等に関連する。術野は、例えば、手術中に手術部位を撮像する内視鏡１２の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて、内視鏡１２の焦点距離および画角との関連で、スレーブ側の座標系において、球状の領域として規定することができる。
　ポジショナ制御部７５の術野指定手段７６は、例えば、操作装置２のタッチパネル２３等から入力された操作者Ｓからの指令に基づいて、手術中に術野を指定することができる。例えば、術野指定手段７６は、操作者Ｓが患者Ｐの手術部位を含む体内の３次元空間内の１つの点を指定すると、その指定された点を中心とした所定の範囲の空間領域（例えば、所定の直径を有する球状の空間領域）を仮想的な術野として指定する。このように操作者Ｓからの指示によって指定される術野は、内視鏡１２によって撮像される実際の術野とは必ずしも完全に一致している必要はなく、手術ロボット１の制御との関係で仮想的に規定される術野であっても良い。また、操作者Ｓが指定した術野と内視鏡１２によって撮像される術野とが一致するように、アーム制御部２８によって、内視鏡１２が装着されたロボットアーム３を制御するようにしても良い。
　図２９Ａ、図２９Ｂ、図２９Ｃに示したように、ポジショナ制御部７５は、アームベース５の位置および姿勢の少なくとも一方を調整することによって、複数のロボットアーム３のうちの少なくとも１つである対象のロボットアーム３について、操作者Ｓによって指定された術野内で手術器具４０（より具体的にはエンドエフェクタ４４）が動作できる領域として規定される器具動作可能範囲を調整する。この器具動作可能範囲の調整は、器具動作可能範囲を最大化するように行っても良い。この点については後ほど詳述する。
　ポジショナ制御部７５の術野推定手段７７は、手術台１１１の傾きに基づいて術野を自動的に推定する手段である。すなわち、術野推定手段７７は、患者Ｐが載置されている手術台１１１の傾きが手術中に変更された場合に、例えば手術台１１１の傾きと内視鏡１２の姿勢との相対的な関係に基づいて術野を推定する。ポジショナ制御部７５は、アームベース５の位置および姿勢の少なくとも一方を調整することによって、複数のロボットアーム３のうちの少なくとも１つである対象のロボットアーム３について、術野推定手段７７によって推定された術野内で手術器具４０（より具体的にはエンドエフェクタ４４）が動作できる範囲として規定される器具動作可能範囲を調整する。この器具動作可能範囲の調整は、器具動作可能範囲を最大化するように行っても良い。この点については後ほど詳述する。
　ポジショナ制御部７５の手動アーム選択手段７８は、操作者Ｓからの指令に基づいて、対象のロボットアーム３を選択する機能を有している。ここで、対象のロボットアーム３とは、例えば、ポジショナ制御部７５によってアームベース５の位置および姿勢の少なくとも一方を調整して手術器具４０の動作可能範囲を最大化させる際に、動作可能範囲の最大化を図るべき対象の手術器具４０が装着されたロボットアーム３のことである。また、対象のロボットアーム３は、ポジショナ制御部７５によってアームベース５の位置および姿勢の少なくとも一方を調整してアーム同士の干渉を回避する際に、干渉を回避すべき対象のロボットアーム３のことである。対象のロボットアーム３は、１つでも良いし、複数でも良い。また、対象のロボットアーム３は、自動アーム選択手段７９によって、例えば操作者Ｓからの操作入力によって操作されているロボットアーム３を自動的に選択するようにしても良い。
　ポジショナ制御部７５は、アームベース５の周囲に予め設定された仮想空間とアームベース５との距離を一定以上に維持する機能を有していても良い。例えば、手術中に手術台１１１の近くで作業を行う施術補助者について、手術中に施術補助者がそこに移動する可能性がある空間を仮想の作業空間として予め設定して制御装置４のメモリ３０２に記憶しておき、アーム制御部２８がアームベース５の位置および／または姿勢を調整する際には、設定した作業空間とアームベース５との距離を一定以上に維持するようにして調整する。これにより、手術中に動作するアームベース５が施術補助者と干渉する可能性を低減することができる。
　ポジショナ制御部７５は、手術中にアームベース５の位置および／または姿勢を調整することによって、複数のロボットアーム３のうちの１つのロボットアーム３と、複数のロボットアーム３のうちの他の１つのロボットアーム３との干渉を回避する機能を備えている。すなわち、操作者Ｓからの操作入力に基づいて動作するロボットアーム３の形体(configuration)は、手術器具４０の位置および姿勢が同じであっても、アームベース５の位置および／または姿勢が異なれば、違うものとなり得る。したがって、手術器具４０の位置および姿勢が同じであっても、アームベース５の位置および／または姿勢を変更することによって、ロボットアーム３の形体を変えることができる。そこで、ポジショナ制御部７５は、操作者Ｓからの操作入力によって操作されているロボットアーム３が、他のロボットアーム３と干渉することを回避するために、アームベース５の位置および／または姿勢を制御してロボットアーム３の形体を変更する。このようにロボットアーム３同士の干渉を回避することにより、手術器具４０の動作可能範囲を最大化することができる。
　本実施形態による手術ロボットシステム１０においては、上述したように、手術中に変化する術中状態（例えば、術野の変更）に基づいてポジショナ制御部７５がアームベース５の位置および／または姿勢を調整する。例えば、アームベース５の位置および姿勢が図３０Ａに示した状態にあるときに、操作者Ｓからの操作入力に基づいて、内視鏡アセンブリ４０Ｂが装着された第２のロボットアーム３Ｂが操作され、内視鏡アセンブリ４０Ｂの内視鏡１２の向き（姿勢）が、図３０Ｂに示したように変化すると、それに応じて術野ＳＦの位置も変化する。これに応じて、ポジショナ制御部７５は、図３０Ｃに示したようにアームベース５の位置および／または姿勢を変更する。この際、アーム制御部２８は、アームベース５の運動がいずれの手術器具４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄの運動にも影響を与えないようにしながら、ロボットアーム３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを制御する。変更後のアームベース５の位置および姿勢は、変更後の術野との関係で手術器具４０の動作可能範囲を最大化するものなので、操作者Ｓは、図３０Ｄに示したように支障なく手術を続行することができる。
　次に、ロボットアーム３同士の干渉を回避して手術器具４０の動作可能範囲を最大化し得るアームベース５の位置および姿勢を探索するためのシミュレーションについて、図３１Ａおよび図３１Ｂを参照して説明する。なお、図３１Ａおよび図３１Ｂに示したロボットアーム３、アームベース５、手術器具４０、および術野ＳＦは、それぞれ、シミュレーションのためにモデル化したものである。
　図３１Ａに示した状態の場合、一方のロボットアーム３と他方のロボットアーム３とが干渉しているので、このときの評価対象の格子点は到達不可能な格子点として判定される。すなわち、図３１Ａに示した状態におけるアームベース５の位置および姿勢は、対象の術野ＳＦとの関係ではＮＧと判定される。一方、図３１Ｂに示した状態の場合、一方のロボットアーム３と他方のロボットアーム３とが干渉していないので、このときの評価対象の格子点は到達可能な格子点として判定される。すなわち、図３１Ｂに示した状態におけるアームベース５の位置および姿勢は、対象の術野ＳＦとの関係ではＯＫと判定される。このように、アームベース５の位置および／または姿勢を変えることによって、同じ格子点に対して、手術器具４０が到達不可能な場合（図３１Ａ）と到達可能な場合（図３１Ｂ）とが生じる。本例のシミュレーションにおいては、仮想モデルとしてのアームベース５の位置および姿勢の設定を様々に変化させながら、また、仮想モデルとしての球状の術野ＳＦの位置を様々に変化させながら、それぞれの格子点に対して手術器具４０の到達可能性を評価する。そして、対象の術野ＳＦに対する到達可能な格子点の数が、例えば、アームベース５の第１の位置・姿勢では１００であり、アームベース５の第２の位置・姿勢では１５０であったとすれば、対象の術野ＳＦについては第２の位置・姿勢の方がより良いと評価する。
　そして、上述した評価シミュレーションを実際の手術に先立って予め実施しておいて、その結果を制御装置４のメモリ３０２に記憶させておく。ポジショナ制御部７５は、実際の手術における術野ＳＦに応じて、メモリ３０２に記憶されているシミュレーション結果に基づいてアームベース５の位置および／または姿勢を制御する。これにより、手術中に術野ＳＦが変更された場合でも、変更後の術野ＳＦにおいて手術器具４０の動作可能範囲を十分に確保することができる。また、上述のシミュレーションにおいて、術野ＳＦ内での手術器具４０の動作可能範囲を最大化するアームベース５の位置および姿勢を探索することは、ロボットアーム３同士の干渉が生じないアームベース５の位置および姿勢を探索することでもある。よって、メモリ３０２に記憶されているシミュレーション結果に基づいてアームベース５の位置および／または姿勢を制御することによって、ロボットアーム３同士の干渉を回避することができる。このため、実際に干渉が生じた場合に必要となる復旧作業等の手間を回避して、手術の継続性を担保することができる。
　また、上述したシミュレーションにおいて、アームベース５の周囲に予め設定された仮想空間とアームベース５との離間状態が維持されるという条件を追加することもできる。この仮想空間は、例えば手術中に他の物体（例えば施術補助者）が存在すると予想される空間として定義することができる。このように仮想空間との関係で追加の条件を設定してシミュレーションを行うことによって、手術中にアームベース５が他の物体（例えば施術補助者）と接触する可能性を低減することができる。
　また、上述したシミュレーションにおいて、例えば、複数のロボットアーム３から選択された２つ以上の対象のロボットアーム３の仮想モデルについて、それぞれの対象のロボットアーム３の最適な相対位置姿勢との差の合計が最小になるという条件を追加しても良い。すなわち、アームベース５の位置および／または姿勢が変化すると、アームベース５に装着されている複数のロボットアーム３の複数の基端部８０の位置および／または姿勢が同時に変化する。このため、手術器具４０の動作可能範囲の最大化という点において、ある１つのロボットアーム３にとって最適なアームベース５の位置および／または姿勢が、他の１つのロボットアーム３にとっては必ずしも最適であるとは限らない。そこで、複数の対象のロボットアーム３について、それぞれの対象のロボットアーム３の最適な相対位置姿勢との差の合計が最小になるという条件を追加してシミュレーションを行うことで、各ロボットアーム３の動作可能範囲（すなわち、手術器具４０の動作可能範囲）が平均的に広くなるようにする。
　同様に、複数のロボットアーム３から選択された２つ以上の対象のロボットアーム３の仮想モデルについて、それぞれの対象のロボットアーム３の最適な相対位置姿勢との差の最大値が最小になるという条件を追加してシミュレーションを行っても良い。これにより、極端に動作可能範囲が狭くなるロボットアーム３がでないようにすることができる。
　以上述べたように、本実施形態による手術ロボットシステム１０およびその制御方法によれば、ポジショナ制御部７５が手術中にアームベース５の位置および姿勢の少なくとも一方を調整することによって、手術器具４０の術野内の動作可能範囲を十分に確保することができ、また、ロボットアーム３と周囲の他の物体との干渉を確実に回避して、操作者（外科医）Ｓによる手術の継続性を確実に担保することができる。
　特に、本実施形態における手術ロボット１のポジショナ７は、垂直多関節型ロボット（本例では７軸ロボット）によって構成されているので、例えば水平多関節型ロボットでは達成できないような、アームベース５の位置および姿勢の細やかな制御を実現することができる。このため、ロボットアーム３同士の干渉を回避して手術器具４０の動作可能範囲を最大化するという目的を達成するために必要となる、アームベース５の位置および姿勢の細やかな制御を実現することができる。アームベース５には複数のロボットアーム３が装着されており、アームベース５を動かすと複数のロボットアーム３の基端部が同時に動くので、２つ以上のロボットアーム３について手術器具４０の動作可能範囲を最大化するためには、垂直多関節型ロボットで構成されたポジショナ７を用いたアームベース５の位置および姿勢の細やかな制御が好適である。
　なお、手術ロボットを用いない従来の手術方法、すなわち、外科医が手術器具を手で直接把持して行う内視鏡手術等の場合、手術の内容、或いは手術の状況等に応じて、患者Pの姿勢を、外科医が手術をし易い向きにするために手術台を傾斜させる場合がある。すなわち、手術台の傾きを調整することによって、例えば、鉗子等の手術器具を直接手で把持して操作している外科医は、自分の腕や手を動かし易くなり、また、施術支援者（アシスタント）が直接手で把持している内視鏡の操作も容易になる。
　一方、本実施形態による手術ロボットシステム１０においては、手術中に手術ロボット１のポジショナ７を制御してアームベース５の位置および姿勢を調整することができるので、手術台１１１の傾きを調整することと同様の効果、或いはそれ以上の効果を、アームベース５の位置および姿勢を調整することによって得ることができる。例えば、手術の状況に応じて術野を変更する場合、内視鏡アセンブリ４０Ｂを保持しているロボットアーム３（例えば第２のロボットアーム３Ｂ）を操作して内視鏡１２の位置および／または姿勢を変更する。手術ロボットではなく外科医や施術支援者が手術器具（鉗子、内視鏡等）を手で直接把持して操作する従来の手術方式の場合には、外科医や施術支援者の手や腕の動きの制約の下で適切な術野を確保するためには、手術台を傾斜させる必要があるかも知れない。手術ロボット１の場合でも、術野を変更するためには内視鏡アセンブリ４０Ｂを保持している第２のロボットアーム３Ｂの形体(configuration)を変更する必要があり、変更後の形体を有する第２のロボットアーム３Ｂと、その周囲のロボットアーム３（例えば第１のロボットアーム３Ａ）との干渉を回避しながら手術を続行する必要がある。この点、本実施形態による手術ロボットシステム１０おいては、術野が変更された場合でもロボットアーム３同士の干渉を回避できるようにアームベース５の位置および／または姿勢を制御するので、変更後の術野の下で手術を継続的に行うことができる。このため、外科医が手術器具を直接手で把持する従来の手術方式に比べて、手術台１１１を傾斜させる必要性を低減し、或いは手術台１１１を傾斜させる際の傾斜角度を小さくすることができる。特に、本実施形態においては、ポジショナ７に垂直多関節型ロボットを採用しているので、従来の手術方式において手術台を傾斜させる場合に比べて、最適な術野の確保という点において、より細やかな対応が可能となる。
　上述したように本実施形態による手術ロボットシステム１０およびその制御方法によれば、アーム制御部２８が手術中に冗長軸の拘束条件を変更することによっても、ロボットアーム３と周囲の他の物体との干渉を確実に回避して、操作者Ｓによる手術の継続性を確実に担保することができる。
　上述の冗長軸の拘束条件を調整する方式（拘束条件調整方式）と、アームベースの位置および／または位置を調整する方式（アームベース調整方式）とは、いずれか一方を単独で用いることもできるし、両方を同時に用いることもできる。例えば、拘束条件調整方式を適用してロボットアーム３と周囲の他の物体（他のロボットアーム３を含む）との干渉を回避しつつ、内視鏡１２の姿勢および／または手術台１１１の傾きが大幅に変更された場合等においては、アームベース調整方式を適用して手術器具４０の動作可能範囲を十分に担保するようにしても良い。或いは、拘束条件調整方式を基調としつつ、拘束条件調整方式では対応できない場合にアームベース調整方式を適用するようにしても良い。或いはその逆に、アームベース調整方式を基調としつつ、アームベース調整方式では対応できない場合に拘束条件調整方式を適用するようにしても良い。
　なお、上述した本実施形態による手術ロボットシステムの制御方法は、コンピュータプログラムによって実施することができる。コンピュータプログラムは、上述した制御方法の1つ以上の機能を実行するようにコンピュータに指示するように配置されたコンピュータコードを含むことができる。コンピュータプログラムおよび／またはそのような制御方法を実行するためのコードは、1つまたは複数のコンピュータ可読媒体に提供されてもよい。コンピュータ可読媒体は、一過性のものであっても非一過性のものであってもよい。コンピュータ可読媒体は、例えば、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、または半導体システム、あるいは、例えば、インターネットを介してコードをダウンロードするためのデータ伝送用の伝搬媒体であり得る。あるいは、コンピュータ可読媒体は、半導体またはソリッドステートメモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、硬質磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、ＤＶＤなどの光ディスクなどの１つまたは複数の物理的コンピュータ可読媒体の形態をとり得る。
　また、本明細書で開示する構成要素の機能は、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。
　この開示は、以下の態様も含んでいる。
（態様１）
　この開示の態様１は、
　複数のロボットアームであって、前記複数のロボットアームの各々に手術器具が装着される、複数のロボットアームと、
　前記手術器具の位置および姿勢を制御するための操作者の操作入力を受け付ける操作装置と、
　前記操作入力に基づいて前記複数のロボットアームを制御するアーム制御部と、
　前記複数のロボットアームが装着されたアームベースを有するポジショナと、
　前記ポジショナを制御して前記アームベースの位置および姿勢を調整するポジショナ制御部と、を備え、
　前記ポジショナ制御部は、手術中に前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方を調整し、
　前記アーム制御部は、前記ポジショナ制御部による前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方の調整によって前記手術器具の運動が影響を受けることなく、前記複数のロボットアームを制御する、手術ロボットシステムである。
（態様２）
　この開示の態様２は、前記ポジショナ制御部は、手術中に変化する術中状態に基づいて前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方を調整する、態様１記載の手術ロボットシステムである。
（態様３）
　この開示の態様３は、前記ポジショナ制御部は、前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方を調整することによって、前記複数のロボットアームのうちの少なくとも１つである対象のロボットアームについて、術野内で前記手術器具が動作できる領域として規定される器具動作可能範囲を調整する、態様２記載の手術ロボットシステムである。
　この開示の態様４は、前記ポジショナ制御部は、手術中に変化する前記術野に基づいて前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方を調整する、態様３記載の手術ロボットシステムである。
（態様５）
　この開示の態様５は、前記術野は、手術中に手術部位を撮像する撮像装置の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて規定される、態様４記載の手術ロボットシステムである。
（態様６）
　この開示の態様６は、前記操作者からの指令に基づいて手術中に前記術野を指定する術野指定手段を有する、態様４記載の手術ロボットシステムである。
（態様７）
　この開示の態様７は、手術台の傾きに基づいて前記術野を自動的に推定する術野推定手段を有する、態様４記載の手術ロボットシステムである。
（態様８）
　この開示の態様８は、前記操作者からの指令に基づいて前記対象のロボットアームを選択する手動アーム選択手段を有する、態様３または４に記載の手術ロボットシステムである。
（態様９）
　この開示の態様９は、前記操作者からの前記操作入力によって操作されているロボットアームを前記対象のロボットアームとして選択する自動アーム選択手段を有する、態様３または４に記載の手術ロボットシステムである。
（態様１０）
　この開示の態様１０は、前記ポジショナ制御部は、前記アームベースの周囲に予め設定された仮想空間と前記アームベースとの距離を一定以上に維持する、態様１乃至９のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。
（態様１１）
　この開示の態様１１は、前記ポジショナ制御部は、手術中に前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方を調整することによって、前記複数のロボットアームのうちの１つのロボットアームと、前記複数のロボットアームのうちの他の１つのロボットアームとの干渉を回避する、態様１乃至１０のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。
（態様１２）
　この開示の態様１２は、
　前記複数のロボットアームのそれぞれは複数の駆動軸を有し、前記複数の駆動軸の数が、前記手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な最小の自由度よりも大きく、
　前記アーム制御部は、前記複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、前記冗長な駆動軸を前記操作入力および拘束条件に基づいて制御し、 
　前記拘束条件を調整して前記ロボットアームと前記ロボットアームの周囲に存在する物体との間の近接距離を許容最小距離以上に維持する、態様１乃至１１のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。 
（態様１３）
　この開示の態様１３は、
　前記手術器具は、長手軸線を有し、

　前記冗長な駆動軸は、前記手術器具の少なくとも一部を前記長手軸線周りに回転させる、態様１２記載の手術ロボットシステムである。 
（態様１４）
　この開示の態様１４は、前記アーム制御部は、前記近接距離と前記許容最小距離との差が所定の閾値よりも小さくなったときに、前記近接距離が大きくなる方向に前記手術器具の前記少なくとも一部を前記長手軸線周りに回転させる、態様１３記載の手術ロボットシステムである。
（態様１５）
　この開示の態様１５は、前記ポジショナは、垂直多関節型ロボットを含む、態様１乃至１１のいずれか１つに記載の手術ロボットシステムである。
１　手術ロボット
２　操作装置
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ　ロボットアーム
４　制御装置
５　アームベース
７　ポジショナ
１０　手術ロボットシステム
２３　タッチパネル
２８　アーム制御部
３２　ロボットアームの先端部
３５　並進移動機構
３６　器具ホルダ
４０　手術器具
４０Ａ　内視鏡アセンブリ
４０Ｂ　鉗子アセンブリ
３８　器具駆動部
４３　手術器具のシャフト部
７５　ポジショナ制御部
７６　術野指定手段
７７　術野推定手段
７８　手動アーム選択手段
７９　自動アーム選択手段
ＢＷ　患者の腹壁
Ｃ　シャフト部の中心軸（手術器具の長手軸線）
Ｊ３１～Ｊ３９　関節部（駆動軸）
Ｐ　患者
ＰＰ　ピボット点
Ｒ１～Ｒ９　回転軸
ＲＣ　遠隔中心
ＲＤ　参照点
ＲＬ、ＲＬＡ、ＲＬＢ　参照線
ＲＰ　参照平面
Ｓ　操作者（施術者）
ＳＦ　術野
 

Claims (15)

  1. 　各々に手術器具が装着される複数のロボットアームであって、前記複数のロボットアームのそれぞれは複数の駆動軸を有し、前記複数の駆動軸の数が、前記手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な最小の自由度よりも大きい、複数のロボットアームと、
    　前記手術器具の位置および姿勢を制御するための操作者の操作入力を受け付ける操作装置と、
    　前記操作入力に基づいて前記複数のロボットアームを制御する制御装置と、を備え、
    　前記制御装置は、
    　　前記複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、前記冗長な駆動軸を、前記操作入力および前記冗長な駆動軸に関する拘束条件に基づいて制御し、
    　　前記操作者が前記操作装置を操作して前記手術器具を用いて所要の手術を行うときに前記ロボットアームに要求される所要の動作に関連して前記拘束条件を決定する、手術ロボットシステム。
  2. 　前記制御装置は、前記ロボットアームの仮想モデルに前記所要の動作を行わせることによって実行されたシミュレーションの結果に基づいて前記拘束条件を決定する、請求項１記載の手術ロボットシステム。
  3. 　前記制御装置は、前記シミュレーションの結果に基づいて予め作成された複数の拘束条件セットの中から、前記所要の手術の内容に応じて適切な拘束条件セットを選択し、前記複数の拘束条件セットは、手術の内容に関する設定条件を変えながら実行した前記シミュレーションの結果に基づいて作成される、請求項２記載の手術ロボットシステム。
  4. 　前記制御装置は、前記シミュレーションによって得られた結果を訓練データとして利用して学習させた機械学習モデルを用いて前記拘束条件を決定する、請求項２記載の手術ロボットシステム。
  5. 　前記制御装置は、前記所要の手術の最中に変化する状況に応じて前記拘束条件を変更する、請求項４記載の手術ロボットシステム。
  6. 　前記所要の動作は、前記手術器具が挿入される患者の体内に設定された施術領域内における前記手術器具の動作可能範囲を最大化する前記ロボットアームの動作を含む、請求項１または２に記載の手術ロボットシステム。
  7. 　前記施術領域は、前記所要の手術における手術部位に関する術野を含み、
    　前記術野は、前記手術部位を撮像する撮像装置の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて規定される、請求項６記載の手術ロボットシステム。
  8. 　前記所要の動作は、前記ロボットアーム同士の干渉を回避する動作を含む、請求項１または２に記載の手術ロボットシステム。
  9. 　前記手術器具は、長手軸線を有し、

    　前記冗長な駆動軸は、前記手術器具の少なくとも一部を前記長手軸線周りに回転させる、請求項１または２に記載の手術ロボットシステム。 
  10. 　前記ロボットアームは、基端部と、前記基端部に配置されたねじり関節と、前記先端部と前記基端部との間に配置された曲げ関節と、を有し、
    　前記制御装置は、前記冗長な駆動軸に関する前記拘束条件について、
    　　前記ロボットアームを制御して、前記曲げ関節の回転軸線を、前記長手軸線を含む参照平面と交差させ、且つ前記参照平面に対する前記曲げ関節の回転軸線の向きを固定し、
    　　所定の中心点を設定し、前記ねじり関節の回転軸線の延長線または前記延長線の直交方向にオフセットして配置される線である参照線上に参照点を設定し、前記ロボットアームを制御して、前記長手軸線を前記中心点に位置付け且つ前記参照平面を前記参照点に位置付け、
    　　前記延長線の直交方向における前記参照点のオフセット量を変更して前記冗長な駆動軸の動作方向および動作量を制御する、請求項９記載の手術ロボットシステム。
  11. 　前記複数のロボットアームが装着されたアームベースをさらに備え、
    　前記複数のロボットアームはそれぞれ、前記アームベースに装着された基端部と、前記手術器具が装着される先端部と、前記基端部と前記先端部とを連結し且つ互いに連結される複数のリンクとを含み、前記基端部に隣接する前記リンクは前記基端部とねじり関節を介して接続されており、
    　前記制御装置は、前記冗長な駆動軸に関する前記拘束条件について、前記ねじり関節の回転軸の軸方向と平行な方向から見たときに、前記複数のリンクのうちの、前記基端部に連結された前記リンクと前記先端部に連結された前記リンクとの間にある前記リンクの第１部分が、前記基端部の第２部分と前記先端部の第３部分との間に位置するように、前記ロボットアームを動作させる、請求項１または２に記載の手術ロボットシステム。
  12. 　前記手術器具は、器具ベースと、前記器具ベースから延在するシャフト部と、前記シャフト部の先端に設けられたエンドエフェクタと、を有し、
    　前記ロボットアームは、前記器具ベースが装着される直動関節を有し、前記直動関節は、前記手術器具を前記シャフト部の軸方向に移動させ、
    　前記制御装置は、前記冗長な駆動軸に関する前記拘束条件について、
    　　前記手術器具の運動の中心である遠隔中心を記憶し、
    　　前記遠隔中心に基づいて前記ロボットアームの動作を制御し、前記ロボットアームの動作において、前記シャフト部が、患者の体壁に挿通されたポート部材に挿通され且つ前記エンドエフェクタが前記患者の体腔内に在るときに、前記遠隔中心から前記手術器具の遠位端部までの前記手術器具の体腔内長さをＬとし、前記直動関節の原点位置から前記軸方向と平行な直動変位可能量をＴ０とし、前記直動関節の原点位置から現在位置までの前記軸方向と平行な直動変位量をＴ１とし、Ｌ≦Ｔ０の場合に、Ｌ及びＴ１の関係がＴ１≧Ｌである、請求項１または２に記載の手術ロボットシステム。
  13. 　前記複数のロボットアームが装着されたアームベースを有するポジショナと、
    　前記ポジショナを制御して前記アームベースの位置および姿勢を調整するポジショナ制御部と、をさらに備え、
    　前記ポジショナ制御部は、手術中に前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方を調整し、
    　前記制御装置は、前記ポジショナ制御部による前記アームベースの前記位置および前記姿勢の少なくとも一方の調整によって前記手術器具の運動が影響を受けることなく、前記複数のロボットアームを制御する、請求項１または２に記載の手術ロボットシステム。
  14. 　手術ロボットシステムの制御方法であって、前記手術ロボットシステムは、各々に手術器具が装着される複数のロボットアームであって、前記複数のロボットアームのそれぞれは複数の駆動軸を有し、前記複数の駆動軸の数が、前記手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な最小の自由度よりも大きい、複数のロボットアームと、前記手術器具の位置および姿勢を制御するための操作者の操作入力を受け付ける操作装置と、前記操作入力に基づいて前記複数のロボットアームを制御する制御装置と、を備える、手術ロボットシステムの制御方法において、
    　　前記複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、前記冗長な駆動軸を、前記操作入力および前記冗長な駆動軸に関する拘束条件に基づいて制御し、
    　　前記操作者が前記操作装置を操作して前記手術器具を用いて所要の手術を行うときに前記ロボットアームに要求される所要の動作に関連して前記拘束条件を決定する、手術ロボットシステムの制御方法。
  15. 　コンピュータ可読命令を記憶しているコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータ可読命令が手術ロボットシステムのプロセッサによって実行されると、前記プロセッサに前記手術ロボットシステムの制御方法を実行させ、前記手術ロボットシステムは、各々に手術器具が装着される複数のロボットアームであって、前記複数のロボットアームのそれぞれは複数の駆動軸を有し、前記複数の駆動軸の数が、前記手術器具の位置および姿勢を制御するために必要な最小の自由度よりも大きい、複数のロボットアームと、前記手術器具の位置および姿勢を制御するための操作者の操作入力を受け付ける操作装置と、前記操作入力に基づいて前記複数のロボットアームを制御する制御装置と、を備え、前記制御方法は、
    　　前記複数の駆動軸のうちの少なくとも１つを冗長な駆動軸として規定し、前記冗長な駆動軸を、前記操作入力および前記冗長な駆動軸に関する拘束条件に基づいて制御し、
    　　前記操作者が前記操作装置を操作して前記手術器具を用いて所要の手術を行うときに前記ロボットアームに要求される所要の動作に関連して前記拘束条件を決定する、コンピュータ可読媒体。
     
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