JP6109001B2 - 医療用システムおよびその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療用システムおよびその作動方法に関するものである。

従来、関節を有するスレーブアームを遠隔操作する操作入力装置として、スレーブアームの関節構成と相似構造の関節構成を有するマスタアームを備える医療用システムが知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。このようなシステムによれば、マスタアームの動作に対応する動作をスレーブアームに再現させることができるので、操作者は、マスタアームの形状や動作からスレーブアームの形状や動作を直接的に認識しながら、スレーブアームを直感的に操作することができる。

一方、単一のスレーブアームと、該アームに取り付けられる複数種類の先端処置部とを備え、使用する先端処置部の種類に応じて操作部を交換可能な医療用システムが知られている。（例えば、特許文献３参照。）。

特許第３５８３７７７号公報 特許第４６０８６０１号公報 特開２００１−８７２８１号公報

スレーブアームの先端には、鉗子、剪刀、フック型電極等の先端処置部が設けられており、実際の手術においては、用途の異なる先端処置部を備える複数種類のスレーブアームを交換しながら使用することが多い。また、先端処置部の種類に限らず、関節構成の異なる、つまり動作範囲や動作自由度の異なる複数種類のスレーブアームを使用することも望まれる。しかしながら、特許文献１および２は、スレーブアームを交換することを想定しておらず、マスタアームの関節構成とスレーブアームの関節構成とが１対１の対応関係を有している。したがって、複数種類のスレーブアームを必要とする用途には対応することができないという問題がある。

特許文献３は、複数種類の先端処置部を交換しながら使用可能ではあるが、先端処置部の種類の数だけ操作部を準備する必要があるために装置が高価になる、また、先端処置部の交換の都度操作部も交換しなければならないため、手間と時間を要するという問題がある。さらに、特許文献３は、先端処置部の形状とマスタ側のグリップ部の形状とを合わせているにすぎず、関節構成の異なるスレーブアームを使用することは想定していない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、スレーブアーム毎の専用のマスタアームを必要とせずに、どのような関節構成を有するスレーブアームも直感的に操作することができる医療用システムおよびその作動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、関節を有する第１のスレーブアームと、該第１のスレーブアームと相似構造の関節構成を有し、操作者によって操作されるマスタアームと、前記第１のスレーブアームおよび前記マスタアームと非相似構造の関節構成を有する第２のスレーブアームと、前記マスタアームの操作対象を前記第１のスレーブアームと前記第２のスレーブアームとの間で切り替える操作対象切替手段と、前記マスタアームになされた操作に基づいて前記第１のスレーブアームおよび前記第２のスレーブアームを制御する制御部とを備え、該制御部は、前記操作対象切替手段によって選択されている前記スレーブアームの関節構成が前記マスタアームの関節構成と相似構造および非相似構造のいずれであるかに応じて、前記マスタアームに対して前記第１のスレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記第１のスレーブアームの各関節の回転動作を制御する第１の制御モードと、前記マスタアームの所定の部位の動作に前記第２のスレーブアームの所定の部位を追従させるように前記マスタアームの前記所定の部位の動作に基づいて前記第２のスレーブアームの各関節の回転動作を制御する第２の制御モードとを切り替える医療用システムを提供する。

本発明によれば、第１の制御モードにおいて制御部は、マスタアームと対応する動作を第１のスレーブアームに再現させるので、操作者は、マスタアームを用いて第１のスレーブアームを直感的に操作することができる。一方、第２の制御モードにおいて制御部は、マスタアームの所定の部位の動作を第２のスレーブアームの所定の部位に再現させるので、操作者は、マスタアームを用いて、任意の関節構成の第２のスレーブアームを直感的に操作することができる。

このように、マスタアームの操作対象となっているスレーブアームの関節構成に応じて第１の制御モードと第２の制御モードとを切り替えることによって、同一のマスタアームで相似構造および非相似構造のいずれのスレーブアームにも対応することができ、スレーブアーム毎の専用のマスタアームを不要とすることができる。

上記発明においては、前記制御部は、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに移行するときに、該第２の制御モードに先立ち、前記マスタアームおよび前記第２のスレーブアームの前記所定の部位同士の位置および姿勢を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行してもよい。
このようにすることで、第２のスレーブアームおよびマスタアームの所定の部位同士の位置および姿勢が一致した状態で第２の制御モードが開始されるので、第２のスレーブアームの操作を円滑に開始することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードから前記第１の制御モードに移行するときに、該第１の制御モードに先立ち、前記マスタアームおよび前記第１のスレーブアームのマスタアームとスレーブアームの各関節の変位量を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行してもよい。
このようにすることで、第１のスレーブアームおよびマスタアームの全体の位置および姿勢が一致した状態で第１の制御モードが開始されるので、第１のスレーブアームの操作を円滑に開始することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端の移動に前記第２のスレーブアームの先端を追従させるように、前記マスタアームの先端の移動量に基づいて前記第２のスレーブアームの各関節の回転動作を制御してもよい。
このようにすることで、マスタアームを用いて第２のスレーブアームの先端を精度良く操作することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端の移動量に基づいて前記第２のスレーブアームの逆運動学を計算し、得られた複数の解のうち、前記第２のスレーブアームの形状が前記マスタアームの形状と最も近似する解を選択してもよい。
このようにすることで、マスタアームに基づいて第２のスレーブアームの大まかな形状を認識することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の変位量と前記第２のスレーブアームの各関節の変位量との差異の総和が最小となる解を選択してもよい。
また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２のスレーブアームおよび前記マスタアームの各々の根元部分の中心軸を通り該中心軸上で互いに直交する２つの平面によって分割してなる４つの空間を仮定した場合に、前記マスタアームが位置する空間と対応する空間に前記第２のスレーブアームが位置する解を選択してもよい。
このようにすることで、簡単な計算によって、マスタアームの形状および姿勢に、第２のスレーブアームの形状および姿勢が近似する解を選定することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記第２のスレーブアームの関節のうち、対応する関節が前記マスタアームに存在する関節について、前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて回転動作を制御してもよい。
このようにすることで、マスタアームと第２のスレーブアームとの関節の数が異なる場合に、対応する関節同士を第１の制御モードと同様にして動作させることができる。

また、上記発明においては、前記第２のスレーブアームおよび前記マスタアームが有する関節のうち対応する関節が存在しない関節について、動作を制限してもよい。
このようにすることで、制御の対象となっていない関節が不要に動くことを防止することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端部分の位置および姿勢と対応する位置および姿勢に前記第２のスレーブアームの先端部分を配置するように当該第２のスレーブアームを進退させてもよい。
このようにすることで、マスタアームと第２のスレーブアームとの関節間距離が異なる場合であっても、第２のスレーブアームの先端をマスタアームの先端の動作に精度良く追従させることができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの最も先端側の関節の位置および姿勢に対応する位置および姿勢に前記第２のスレーブアームの最も先端側の関節を配置するように前記第２のスレーブアームを制御してもよい。
このようにすることで、マスタアームと第２のスレーブアームとの関節間距離が異なる場合であっても、第２のスレーブアームの先端をマスタアームの先端の動作に精度良く追従させることができる。

また、本発明は、関節を各々有する複数のスレーブアームと、該複数のスレーブアームのいずれかを操作するためのマスタアームとを備える医療用システムの作動方法であって、前記複数のスレーブアームの内、前記マスタアームの操作対象として選択された前記スレーブアームを示す信号を受信する工程と、前記マスタアームの各関節の回転量を受信する工程と、選択された前記スレーブアームと前記マスタアームとが各々有する関節構成が互いに相似構造であるか否かに応じて、前記マスタアームに対して前記スレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第１の制御モードと、前記マスタアームの所定の部位の動作に前記スレーブアームの所定の部位を追従させるように前記マスタアームの前記所定の部位の動作に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第２の制御モードとを切り替える工程とを含む医療用システムの作動方法を提供する。

上記発明においては、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに移行するときに、該第２の制御モードに先立ち、前記第２のスレーブアームおよび前記マスタアームの前記所定の部位同士の位置および姿勢を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行してもよい。
また、上記発明においては、前記第２の制御モードから前記第１の制御モードに移行するときに、該第１の制御モードに先立ち、前記第１のスレーブアームおよび前記マスタアームの各関節の変位量を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行してもよい。

本発明によれば、スレーブアーム毎の専用のマスタアームを必要とせずに、どのような関節構成を有するスレーブアームも直感的に操作することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る医療用システムの全体構成を示す外観図である。 図１の医療用システムが備えるマニピュレータの全体構成図である。 図２のマニピュレータの先端部分を示す外観図である 図１の操作入力部が備えるマスタアームを示す外観図である 左右のスレーブアームおよび左右のマスタアームの関節構成を模式的に示す図である。 図５のスレーブアームの、第１の制御モードにおける動作を説明する図である。 図５のスレーブアームの、第２の制御モードにおける動作を説明する図である。 図１の医療用システムの制御部によるマニピュレータの制御方法を示すフローチャートである。 図８の第１の制御モードルーチンを示すフローチャートである。 図８の第２の制御モードルーチンを示すフローチャートである。 第２の制御モードの第１の変形例におけるスレーブアームの動作を説明する図である。 第２の制御モードの第２の変形例におけるスレーブアームの動作を説明する図である。 中央スレーブアームの変形例の関節構成を模式的に示す図である。 （ａ），（ｂ）第２の制御モードの第３の変形例におけるスレーブアームの動作を説明する図である。 第２の制御モードの第３の変形例におけるスレーブアームのもう１つの動作を説明する図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る医療用システム１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る医療用システム１００は、図１に示されるように、患者Ｐの体内に挿入されるスレーブマニピュレータ１と、患者Ｐが横たわる手術台の周辺に配置される操作入力部２および制御部３とを備えている。

まず、医療用システム１００の概要について説明する。スレーブマニピュレータ１の先端には、後述するように、内視鏡５およびスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃが設けられている。術者Ｏｐが、肛門から患者Ｐの体内にスレーブマニピュレータ１を挿入し、内視鏡５によって撮影された体内の画像を操作入力部２に設けられた表示部１２で観察しながら操作入力部２を操作すると、操作入力部２になされた操作に基づいて制御部３がスレーブマニピュレータ１を制御する。これにより、術者Ｏｐは、体内に位置するスレーブマニピュレータ１を遠隔操作し、スレーブマニピュレータ１が有するスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃによって体内を処置することができる。

次に、医療用システム１００の各構成について詳細に説明する。
スレーブマニピュレータ１は、図２に示されるように、体内に挿入される細長い軟性部４と、該軟性部４の先端に設けられた内視鏡５および３つのスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃとを備えている。
なお、本実施形態においては、軟性のスレーブマニピュレータ１について説明するが、スレーブマニピュレータ１は、軟性部４に代えて硬性の挿入部を備えていてもよい。

図３は、スレーブマニピュレータ１の先端部分を示す外観図である。
内視鏡５は、図３に示されるように、先端部分を略Ｓ字形状に湾曲させることによって、軟性部４の径方向に並ぶ３つのスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃを俯瞰撮影することができる。

３つのスレーブアームのうち２つは、軟性部４の先端に備え付けられた左スレーブアーム（第１のスレーブアーム）６Ｌおよび右スレーブアーム（第１のスレーブアーム）６Ｒである。これらのスレーブアーム６Ｌ，６Ｒの先端には、先端処置部８Ｌ，８Ｒ（例えば、生体組織を把持する鉗子）がそれぞれ設けられている。

残りの１つのスレーブアームは、軟性部４内に形成されたチャネル（図示略）を介して軟性部４の先端側に配置される任意のスレーブアーム（第２のスレーブアーム）６Ｃである。チャネルは、軟性部４の先端から、軟性部４の基端部分に設けられたポート９まで貫通している。ポート９からチャネル内に挿入された中央スレーブアーム６Ｃは、左スレーブアーム６Ｌと右スレーブアーム６Ｒとの間に開口したチャネルの開口部から突出し、右スレーブアーム６Ｒと左スレーブアーム６Ｌとの間に配置されるようになっている。中央スレーブアーム６Ｃの先端にも、左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒと同様に、先端処置部８Ｃ（例えば、電気メス）が設けられている。
３つのスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃは、上述したポート９が設けられた分岐部１０において分岐し、図１に示されるように、各々制御部３に接続されている。

なお、本例においては、左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒが、軟性部４の先端に備え付けられたアームであることして説明しているが、これに代えて、上記で説明した中央スレーブアーム６Ｃと同様に、チャネルの開口部から突出して配置され、チャネルを通して複数のスレーブアームを抜き差し交換可能な構成であってもよい。

操作入力部２は、２本のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒと、表示部１２とを備えている。
マスタアームは、図４に示されるように、左スレーブアーム６Ｌに対応する左マスタアーム１１Ｌと、右スレーブアーム６Ｒに対応する右マスタアーム１１Ｒとである。
図５は、左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒおよび左右のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの関節構成を模式的に示したものである。図５に示されるように、各マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒは、対応するスレーブアーム６Ｌ，６Ｒが有する関節構成と相似構造の関節構成を有している。

本例において、各スレーブアーム６Ｌ，６Ｒは、根元側から順に、ロール関節Ｊ１’と、ヨー関節Ｊ２’と、ロール関節Ｊ３’と、ヨー関節Ｊ４’とを有している。同様に、各マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒも、根元側から順に、ロール関節Ｊ１と、ヨー関節Ｊ２と、ロール関節Ｊ３と、ヨー関節Ｊ４とを有している。ロール関節Ｊ１’，Ｊ３’，Ｊ１，Ｊ３は、各アーム６Ｌ，６Ｒ，１１Ｌ，１１Ｒの根本から先端までアーム６Ｌ，６Ｒ，１１Ｌ，１１Ｒの長手方向に伸びるロール軸周りに回転し、ヨー関節Ｊ２’，Ｊ４’，Ｊ２，Ｊ４は、ロール軸に直交する（図５において、紙面に直交する）ヨー軸周りに回転する。また、左スレーブアーム６Ｌと左マスタアーム１１Ｌとの、隣接する関節間の距離の比は同一であり、右スレーブアーム６Ｒと右マスタアーム１１Ｒとの、隣接する関節間の距離の比は同一である。

マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの各関節Ｊｉ（ｉ＝１，２，３，４）には、エンコーダのような角度検出器が設けられている。操作入力部２は、各関節Ｊｉの角度の変化量θｉ（ｉ＝１，２，３，４）を角度検出器によって検出し、検出された４つの変化量θｉを、操作信号として制御部３に出力する。

制御部３は、操作入力部２から受信した各マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの操作信号に基づいて、各スレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃの各関節Ｊｉ’を駆動させるための駆動信号を生成し、生成した駆動信号をスレーブマニピュレータ１に送信する。スレーブマニピュレータ１は、制御信号に従って各関節Ｊｉ’を回転させることによって、各スレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃが動作するようになっている。

さらに、本実施形態に係る医療用システム１００は、各マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの操作対象を切り替える操作対象切替手段１３を備えている。操作対象切替手段１３は、例えば、操作入力部２に設けられ術者Ｏｐによって操作されるスイッチである。操作対象切替手段１３は、左マスタアーム１１Ｌの操作対象を、左スレーブアーム６Ｌと中央スレーブアーム６Ｃとの間で切り替え、右マスタアーム１１Ｒの操作対象を、右スレーブアーム６Ｒと中央スレーブアーム６Ｃとの間で切り替える。

なお、この操作対象の切替は、術者Ｏｐが、事前に切替対象を設定しておき、術者Ｏｐがスイッチを押下したときに、その初期設定された切替対象に切り替わるようになっていてもよい。あるいは、操作中に術者Ｏｐが、切替対象とする、現在使用しているスレーブアームと、新たに使用するスレーブアームとを、操作パネル等で設定して切り替えてもよい。

操作対象切替手段１３によって選択されているスレーブアームを示す信号は制御部３に送信され、制御部３は、各マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの操作対象を、受信した信号が指定するスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃに設定する。すなわち、操作者は、中央スレーブアーム６Ｃを操作したいときには、左右のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒのうち一方の操作対象を操作対象切替手段１３によって中央スレーブアーム６Ｃに切り替えることによって、左マスタアーム１１Ｌまたは右マスタアーム１１Ｒを用いて中央スレーブアーム６Ｃを操作することができる。

ここで、制御部３は、操作対象切替手段１３によって選択されているスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃの関節構成が、対応するマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの関節構成に対して略相似構造であるか否かに応じて、「第１の制御モード」または「第２の制御モード」を選択し、選択したモードでスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃを制御する。次に、この制御部３によるスレーブマニピュレータ１の制御方法について詳細に説明する。

「第１の制御モード」は、左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒの全体を、左右のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの全体の動作に追従させるモードである。具体的には、制御部３は、図６に示されるように、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの各関節Ｊｉの変化量θｉと同じ量だけ、スレーブアーム６Ｌ，６Ｒの各関節Ｊｉ’を回転させる。

制御部３は、操作対象切替手段１３によって、左マスタアーム１１Ｌの操作対象として左スレーブアーム６Ｌが選択されている場合には、左スレーブアーム６Ｌを「第１の制御モード」で制御する。同様に、制御部３は、操作対象切替手段１３によって、右マスタアーム１１Ｒの操作対象として右スレーブアーム６Ｒが選択されている場合には、右スレーブアーム６Ｒを「第１の制御モード」で制御する。

「第２の制御モード」は、中央スレーブアーム６Ｃの先端を、左右のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの先端の動作に追従させるモードである。具体的には、制御部３は、操作入力部２から受信した各関節Ｊｉの変化量θｉを用い、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの順運動学を計算することによって、図７に示されるように、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの動作座標系におけるマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの先端の、各方向の移動量ｄｘ，ｄｙを算出する。次に、制御部３は、得られた移動量ｄｘ，ｄｙを、スレーブアーム６Ｃの作動座標系における各方向の移動量ｄｘ’，ｄｙ’に変換する。このときの座標変換は、術者Ｏｐが観察している表示部１２に表示されるスレーブアーム６Ｃの動作方向と、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの動作方向とが一致するように行われることが望ましい。次に、制御部３は、得られた移動量ｄｘ’，ｄｙ’に基づき、スレーブアーム６Ｃの逆運動学を計算することによって各関節Ｊｉ’の回転量θｉ’を算出し、得られた回転量θｉ’だけスレーブアーム６Ｃの各関節Ｊｉ’を回転させる。

ここで、逆運動学において、図７に示されるように、スレーブアーム６Ｃの先端を移動量ｄｘ’，ｄｙ’だけ移動させる回転量θｉ’の組み合わせは複数存在し得るため、逆運動学の解が複数得られる可能性がある。図７には、一例として、２つの解（解１，解２）が示されている。制御部３は、複数の解が得られた場合には、スレーブアーム６Ｃがマスタアーム１１Ｌまたは１１Ｒと相似形状となる解を採用し、相似形状となる解が存在しない場合には、スレーブアーム６Ｃの全体の形状が、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの全体の形状に最も近似する解（図７の例においては、解２）、例えば、対応する関節Ｊｉ，Ｊｉ’同士の回転角度の差異の総和が最小である解を採用する。

制御部３は、中央スレーブアーム６Ｃとして使用される可能性がある各スレーブアームに関して、関節構成に関する情報と、その情報に基づいた、逆運動学に用いる計算式とをスレーブアーム６Ｃ毎に記憶しており、チャネルに挿入されているスレーブアームに対応する計算式を選択して用いる。チャネルに挿入されているスレーブアームの識別は、図示しない識別手段によって行われる。

なお、図７には、説明を容易にするために、中央スレーブアーム６Ｃとして、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの関節構成と略相似構造の関節構成を有するものが示されているが、中央スレーブアーム６Ｃの関節構成は任意であって、後で説明する図１１から図１４に示されるような、様々な種類の関節構成を有する中央スレーブアーム６Ｃを使用することができる。

また、本実施形態においては、説明のために、左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒと中央スレーブアーム６Ｃとの間で操作対象を切り替える構成を例示しているが、例えば、軟性部１４から右スレーブアーム６Ｒを抜き去って新しいスレーブアームに交換したときに、新しいスレーブアームの関節構成に基づいて制御モードを切り替えてもよい。左スレーブアーム６Ｌについても同様である。さらに、内視鏡が１８０度回転する等して表示部１２に表示されスレーブアーム６Ｌ，６Ｒの左右が入れ替わり、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの操作対象も左右を交換したいとき等にも、同様の方法が利用できる。

次に、このように構成された医療用システム１００の作用について図８から図１０を参照して説明する。
本実施形態に係る医療用システム１００を用いて患者Ｐの体内を処置するためには、スレーブマニピュレータ１の軟性部４を患者Ｐの体内に挿入し、内視鏡５によって取得される体内の映像を表示部１２において観察しながら、スレーブマニピュレータ１の先端を患部の近傍まで移動させる。次に、術者Ｏｐは、表示部１２に表示される映像を観察しながら、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒを操作してスレーブアーム６Ｌ，６Ｒを動作させ、例えば、患部を処置するために必要な前処置を患部やその周辺に対して施す。

このときの左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒは、図８に示されるように、「第１の制御モード」で制御される（ステップＳ１のＹＥＳ、ステップＳ２）。「第１の制御モード」において、図９に示されるように、スレーブアーム６Ｌ，６Ｒの各関節Ｊｉ’は、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの各関節Ｊｉと同じ量だけ回転させられることによって（ステップＳ２１，２２）、スレーブアーム６Ｌ，６Ｒ全体が、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒ全体の動作に追従する（ステップＳ２３）。すなわち、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの全体の形状および姿勢は、スレーブアーム６Ｌ，６Ｒの全体の形状および姿勢と対応しているので、術者Ｏｐは、スレーブアーム６Ｌ，６Ｒの現在の形状および姿勢をマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒから直接的に認識しながら、左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒを直感的に操作することができる。

次に、電気メスのような中央スレーブアーム６Ｃに切り替えて対象部位を処置したい場合に、術者Ｏｐは、例えば、右マスタアーム１１Ｒの操作対象を、操作対象切替手段１３によって中央スレーブアーム６Ｃに切り替える。これにより、中央スレーブアーム６Ｃを右マスタアーム１１Ｒを用いて動作させることができる状態となる。このときに、制御部３は、切替後のスレーブアーム６Ｃの関節構成情報に基づいて、「第１の制御モード」から「第２の制御モード」に切り替え（ステップＳ１のＮＯ）、中央スレーブアーム６Ｃを「第２の制御モード」で制御する（ステップＳ３）。

「第２の制御モード」において、図１０に示されるように、右マスタアーム１１Ｒの先端の移動に基づき（ステップＳ３１，Ｓ３２）、中央スレーブアーム６Ｃの先端が右マスタアーム１１Ｒの先端の動きに追従するように、スレーブアーム６Ｃが制御される（ステップＳ３３，Ｓ３４）。このときに、ステップＳ３３における逆運動学の計算において、複数の解が得られた場合には、右マスタアーム１１Ｒに近い形状の解が選択される。したがって、術者Ｏｐは、右マスタアーム１１Ｒの形状から中央スレーブアーム６Ｃの途中形状を大まかに把握しつつ、右マスタアーム１１Ｒを用いて中央スレーブアーム６Ｃの先端を直感的に操作することができる。

このように、本実施形態によれば、左右のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの操作対象を２つのスレーブアーム６Ｌ，６Ｒまたは６Ｒ，６Ｃの間で切り替え可能とし、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒに対して非相似構造を有する中央スレーブアーム６Ｃについては、先端の動作をマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの先端に追従させる「第２の制御モード」で制御する。これにより、どのような関節構成のスレーブアームであっても左右のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒを用いて直感的に操作することができる。また、スレーブアーム毎に専用のマスタアームを備える必要がないので装置構成が簡易になり、製造コストを低減することができると共に、汎用性の高い設計とすることができる。

特に、軟性部４の半径方向外側に位置する左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒは、周囲の組織と隣接しているため、特に狭い管腔内等においては、術者Ｏｐは、左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒが周囲の組織と強く接触したりしないように、スレーブアーム６Ｌ，６Ｒの屈曲形状を常に意識する必要がある。一方、中央スレーブアーム６Ｃの作業空間は限られており、通常、中央スレーブアーム６Ｃの関節を大きく動作させる必要が無い。

本実施形態によれば、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒが、左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒに対して略相似構造となっているので、術者Ｏｐが、スレーブアーム６Ｌ，６Ｒの途中形状を容易に把握してこれらスレーブアーム６Ｌ，６Ｒを適切に動作させることができる。また、比較的広い作業空間で動作する左右のスレーブアーム６Ｌ，６Ｒの使用頻度は、限られた作業空間で動作する中央スレーブアーム６Ｃのそれと比べて高い。本実施形態によれば、使用頻度の高いスレーブアーム６Ｌ，６Ｒに対して略相似構造のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒを設けることによって、使い勝手を向上することができる。

なお、本実施形態においては、「第１の制御モード」から「第２の制御モード」へ切り替えるときに、制御部３が、「第２の制御モード」の開始に先立ち、復帰フローを実行することが好ましい。復帰フローにおいて、制御部３は、中央スレーブアーム６Ｃおよびマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒのうち少なくとも一方を動作させることによって、両アーム６Ｃ，１１Ｌまたは６Ｃ，１１Ｒの、マスタ空間とスレーブ空間における各々の先端の位置を互い対応させる。

上記の復帰フローは、制御部３による自動実行に代えて、術者Ｏｐがマスタアーム１１Ｌまたは１１Ｒを操作することによって手動で行ってもよい。この場合、両アーム６Ｃ，１１Ｌまたは６Ｃ，１１Ｒの先端の位置を完全に対応させることは難しいので、制御部３は、両アーム６Ｃ，１１Ｌまたは６Ｃ，１１Ｒの先端の位置のずれが所定の範囲内となったときに、復帰フローを終了してもよい。また、この場合、制御部３は、術者Ｏｐによるマスタアーム１１Ｌまたは１１Ｒの操作を誘導する表示を表示部１２に表示してもよい。

また、本実施形態においては、「第２の制御モード」から「第１の制御モード」へ切り替えるときにも、制御部３が、復帰フローを実行することが好ましい。このときの復帰フローにおいて、制御部３は、操作対象が変更されたマスタアーム１１Ｌまたは１１Ｒとその操作対象のスレーブアーム６Ｌまたは６Ｒとのうち少なくとも一方を動作させることによって、両者の各関節Ｊｉ，Ｊｉ’の回転角度を一致させ、相似形とする。

この復帰フローにおいても、制御部３による自動実行に代えて、術者Ｏｐが手動で行ってもよい。この場合、両方のアーム６Ｌ，１１Ｌまたは６Ｒ，１１Ｒの形状を完全に対応させることは難しいので、制御部３は、両アーム６Ｌ，１１Ｌまたは６Ｒ，１１Ｒの各関節Ｊｉ，Ｊｉ’の回転角度のずれが所定の範囲内となったときに、復帰フローを終了してもよい。また、制御部３は、術者Ｏｐによるマスタアーム１１Ｌまたは１１Ｒの操作を誘導する表示を表示部１２に表示してもよい。

また、本実施形態においては、制御部３が、上述した「第２の制御モード」と、後述する第１から第３の変形例の「第２の制御モード」とのうち、少なくとも２つを有し、中央スレーブアーム６Ｃの関節構成に応じて適切な「第２の制御モード」を選択してもよい。
次に、「第２の制御モード」の第１から第３の変形例について説明する。

「第２の制御モード」の第１の変形例は、図１１に示されるように、中央スレーブアーム６Ｃの関節Ｊｉ’（ｉ＝１，２，３）の数が、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの関節Ｊｉ（ｉ＝１，２，３，４）の数よりも少なく、中央スレーブアーム６Ｃの関節構成が、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの一部分の関節構成と略相似構造である場合に用いられる。
本モードにおいて、制御部３は、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの関節Ｊｉのうち、中央スレーブアーム６Ｃの関節Ｊｉ’に対して余分な関節Ｊ４の動作は考慮せず、関節Ｊｉ’を、これに対応する関節Ｊｉの変化量θｉと同じ量だけ回転させる。

本モードによれば、術者Ｏｐは、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの余分な関節Ｊ４を、中央スレーブアーム６Ｃの先端と見なしてマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒを操作することができる。この場合、余分な関節Ｊ４は、不要に動かないように、図示しないアクチュエータやブレーキ、クラッチ等によって固定しておいてもよい。

「第２の制御モード」の第２の変形例は、図１２に示されるように、中央スレーブアーム６Ｃの関節Ｊｉ’（ｉ＝１，２，３，４，５）の数が、左右のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの関節Ｊｉ（ｉ＝１，２，３，４）の数よりも多く、中央スレーブアーム６Ｃの関節構成の一部分が、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの関節構成と略相似構造である場合に用いられる。
本モードにおいて、制御部３は、中央スレーブアーム６Ｃの関節Ｊｉ’のうち、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの関節Ｊｉに対応する関節を、関節Ｊｉの変化量θｉと同じ量だけ回転させ、関節Ｊｉに対して余分な関節Ｊ５’は制御しない。

本モードにおいても、余分な関節Ｊ５’は、不要に動かないように、図示しないアクチュエータやブレーキ、クラッチ等によって固定しておいてもよい。
また、本モードにおいては、余分な関節Ｊ５’と、これと冗長な関係にある関節Ｊ４’とのうち一方を選択的に駆動してもよい。または、関節Ｊ４’および関節Ｊ５’の両方を、合計の駆動量が関節Ｊ４の変化量θ４となるように、駆動してもよい。

「第２の制御モード」の第３の変形例は、図１３に示されるように、中央スレーブアーム６Ｃが、左右のマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒと共通の関節配列を有し、中央スレーブアーム６Ｃの隣接する関節間の距離の比が、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒのそれとは異なる場合に用いられる。

本モードにおいて、制御部３は、中央スレーブアーム６Ｃを、図６と同様に動作させる。ただし、中央スレーブアーム６Ｃとマスタアーム１１Ｌ，１１Ｒとの関節間距離が異なるために、中央スレーブアーム６Ｃの先端の位置が、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの先端の位置に対してずれてしまう。そこで、制御部３は、図１４（ａ）に示されるように、中央スレーブアーム６Ｃの先端が、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの先端部分と同一線上に位置するように、中央スレーブアーム６Ｃ全体を軟性部４に対して前進または後退させる。

本モードにおいては、図１４（ｂ）に示されるように、最も先端側に位置する関節Ｊ４’の位置および姿勢が、これと対応する関節Ｊ４のそれらと対応するように、制御部３が、中央スレーブアーム６Ｃを駆動してもよい。

また、本モードにおいては、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒの先端の移動量に基づいて中央スレーブアーム６Ｃの逆運動学を計算し、複数の解が得られた場合には、図１５に示されるように、中央スレーブアーム６Ｃが、第１から第４の空間のうち、マスタアーム１１Ｌ，１１Ｒと同じ空間に位置する解を採用してもよい。第１から第４の空間は、各アーム６Ｃ，１１Ｌ，１１Ｒの根元部分の中心軸Ａを定義し、該軸Ａを通り互いに直交する２つの平面によって分割された４つの空間である。

また、本実施形態においては、軟性部４の先端に３つのスレーブアーム６Ｌ，６Ｒ，６Ｃが取り付けられたスレーブマニピュレータ１について説明したが、スレーブマニピュレータ１の具体的な構成はこれに限定されるものではない。例えば、軟性部４の先端に２つのスレーブアームが取り付けられ、単一のマスタアームを用いて、一方のスレーブアームを「第１の制御モード」で、他方のスレーブアームを「第２の制御モード」で制御してもよい。あるいは、軟性部４の先端に交換可能な単一のスレーブアームが取り付けられ、スレーブアームを交換したときに、そのスレーブアームの関節構成に基づいて「第１の制御モード」と「第２の制御モード」とを切り替えてもよい。

１ スレーブマニピュレータ
２ 操作入力部
３ 制御部
４ 軟性部
５ 内視鏡
６Ｃ 中央スレーブアーム（第２のスレーブアーム）
６Ｌ 左スレーブアーム（第１のスレーブアーム）
６Ｒ 右スレーブアーム（第１のスレーブアーム）
８Ｃ，８Ｌ，８Ｒ 処置部
９ ポート
１０ 分岐部
１１Ｌ，１１Ｒ マスタアーム
１２ 表示部
１３ 操作対象切替手段
１００ 医療用システム
Ｊ１〜Ｊ４，Ｊ１’〜Ｊ５’ 関節
Ｏｐ 術者（操作者）
Ｐ 患者

Claims (13)

1. 関節を有する第１のスレーブアームと、
   該第１のスレーブアームと相似構造の関節構成を有し、操作者によって操作されるマスタアームと、
   前記第１のスレーブアームおよび前記マスタアームと非相似構造の関節構成を有する第２のスレーブアームと、
   前記マスタアームの操作対象を前記第１のスレーブアームと前記第２のスレーブアームとの間で切り替える操作対象切替手段と、
   前記マスタアームになされた操作に基づいて前記第１のスレーブアームおよび前記第２のスレーブアームを制御する制御部とを備え、
   該制御部は、前記操作対象切替手段によって選択されている前記スレーブアームの関節構成が前記マスタアームの関節構成と相似構造および非相似構造のいずれであるかに応じて、前記マスタアームに対して前記第１のスレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記第１のスレーブアームの各関節の回転動作を制御する第１の制御モードと、前記マスタアームの所定の部位の動作に前記第２のスレーブアームの所定の部位を追従させるように前記マスタアームの前記所定の部位の動作に基づいて前記第２のスレーブアームの各関節の回転動作を制御する第２の制御モードとを切り替える医療用システム。
2. 前記制御部は、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに移行するときに、該第２の制御モードに先立ち、前記第２のスレーブアームおよび前記マスタアームの前記所定の部位同士の位置および姿勢を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行する請求項１に記載の医療用システム。
3. 前記制御部は、前記第２の制御モードから前記第１の制御モードに移行するときに、該第１の制御モードに先立ち、前記第１のスレーブアームおよび前記マスタアームの各関節の変位量を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行する請求項１または請求項２に記載の医療用システム。
4. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端の移動に前記第２のスレーブアームの先端を追従させるように、前記マスタアームの先端の移動量に基づいて前記第２のスレーブアームの各関節の回転動作を制御する請求項１から請求項３のいずれかに記載の医療用システム。
5. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端の移動量に基づいて前記第２のスレーブアームの逆運動学を計算し、得られた複数の解のうち、前記第２のスレーブアームの形状が前記マスタアームの形状と最も近似する解を選択する請求項４に記載の医療用システム。
6. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の変位量と前記第２のスレーブアームの各関節の変位量との差異の総和が最小となる解を選択する請求項５に記載の医療用システム。
7. 前記制御部は、前記第２のスレーブアームおよび前記マスタアームの各々の根元部分の中心軸を通り該中心軸上で互いに直交する２つの平面によって分割してなる４つの空間を仮定した場合に、前記マスタアームが位置する空間と対応する空間に前記第２のスレーブアームが位置する解を選択する請求項５に記載の医療用システム。
8. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記第２のスレーブアームの関節のうち、対応する関節が前記マスタアームに存在する関節について、前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて回転動作を制御する請求項１から請求項３のいずれかに記載の医療用システム。
9. 前記制御部は、前記第２のスレーブアームおよび前記マスタアームが有する関節のうち対応する関節が存在しない関節について、動作を制限する請求項８に記載の医療用システム。
10. 前記制御部は、前記第２の制御モードにおいて、前記マスタアームの最も先端側の関節の位置および姿勢に対応する位置および姿勢に前記第２のスレーブアームの最も先端側の関節を配置するように前記第２のスレーブアームを制御する請求項１から請求項３のいずれかに記載の医療用システム。
11. 関節を各々有する複数のスレーブアームと、該複数のスレーブアームのいずれかを操作するためのマスタアームとを備える医療用システムの作動方法であって、
    前記複数のスレーブアームの内、前記マスタアームの操作対象として選択された前記スレーブアームを示す信号を受信する工程と、
    前記マスタアームの各関節の回転量を受信する工程と、
    選択された前記スレーブアームと前記マスタアームとが各々有する関節構成が互いに相似構造であるか否かに応じて、前記マスタアームに対して前記スレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第１の制御モードと、前記マスタアームの所定の部位の動作に前記スレーブアームの所定の部位を追従させるように前記マスタアームの前記所定の部位の動作に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第２の制御モードとを切り替える工程とを含む医療用システムの作動方法。
12. 前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに移行するときに、該第２の制御モードに先立ち、前記第２のスレーブアームおよび前記マスタアームの前記所定の部位同士の位置および姿勢を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行する請求項１１に記載の医療用システムの制御方法。
13. 前記第２の制御モードから前記第１の制御モードに移行するときに、該第１の制御モードに先立ち、前記第１のスレーブアームおよび前記マスタアームの各関節の変位量を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行する請求項１１または請求項１２に記載の医療用システムの制御方法。

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