JP6875690B1 - 手術ロボット、及び手術ロボットの制御ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】使用者の操作に従った手術ロボットの術具やアーム部の作動によって、対象部位の組織が受ける力を、使用者が的確に知覚することができる手術ロボットを提供する。【解決手段】操作ユニット５と、操作に応じた作動を行う作動部２０と、駆動力を供給する駆動部と、使用者による操作部の操作方向と反対の向きの力である反力の大きさを設定する反力設定部と、反力設定部が設定した大きさの反力を、操作部に与える反力付与部を備え、反力設定部は、作動部が使用者による操作に応じた作動を行う際に、駆動部が供給した駆動力の変化に関する変化情報と、予め設定された変換係数とに基づいて反力を設定する手術ロボット１。【選択図】図１

Description

本開示は、内視鏡下外科手術やその他の手術に用いて好適な手術ロボットに関する。

医師などの医療従事者（以降において「使用者」とも記載する。）による操作によって作動し、縫合、剥離、切断等の患者の組織に対する処置を行う手術ロボットが知られている。この手術ロボットは、医療処置を行う鉗子や電気メスなどの手術用の器具（以降においてこれらを総称して「術具」とも記載する。）と、それらの術具を所望の位置、及び姿勢にて支持する複数のアームを備えている。そして、これらのアームや術具の可動部が、使用者による操作に従って作動して、患者の組織に対する処置が行われる（例えば、特許文献１参照。）。

特許第４９９９０１２号公報

この手術ロボットを用いた処置が行われる対象部位の中には、外部から受ける力によって損傷し易い組織が存在する場合がある。このため、術具やアームの作動によって、対象部位の組織が受ける力を、使用者が適切に制御することができる技術が望まれている。

本開示は、使用者の操作に従った手術ロボットの術具やアーム部の作動によって、対象部位の組織が受ける力を、使用者が的確に知覚することができる手術ロボットの一例を開示する。

上記目的を達成するために、本開示は、以下の手段を提供する。
本開示にかかる手術ロボットは、使用者が操作する操作部と、前記操作に応じた作動を行う作動部と、前記作動部に駆動力を供給する駆動部と、前記使用者による前記操作部の操作方向と反対の向きの力である反力の大きさを設定する反力設定部と、前記反力設定部が設定した大きさの前記反力を、前記操作部に与える反力付与部とを備え、前記反力設定部は、前記作動部が前記操作に応じた作動を行う際に、前記駆動部が供給した前記駆動力の変化に関する変化情報と、予め設定された変換係数とに基づいて前記反力を設定することを特徴とする。

このような手術ロボットでは、使用者による操作に従って作動部に供給された駆動力に対応した大きさの反力が、操作部に付与される。このため、使用者は、その操作によって対象部位の組織が受ける力の大きさを知覚しつつ、手術ロボットの操作を行うことができる。

更に前記変換係数を設定するための情報の入力を受け付ける入力部を更に備え、前記反力設定部は、前記変化情報と、前記入力部が受け付けた情報に基づき設定された前記変換係数とに基づいて前記反力を設定することが好ましい。

このようにすることにより、使用者は、反力の大きさを、使用者が設定した所望の割合に基づく大きさとすることができる。このため使用者は、例えば処置の内容や、処置が行われる対象部位などに応じて、対象部位の組織が受ける力の知覚のしやすさを、任意に設定することができる。

更に、複数の前記操作部と、それぞれの前記操作部に対応した複数の前記作動部を備え、前記反力設定部は、前記操作部ごとに前記反力の大きさをそれぞれ設定することが好ましい。

このようにすることにより、使用者は、それぞれの操作部に付与される反力を、それぞれの操作部に対応して設定した割合に基づく大きさの力とすることができる。このため使用者は、例えば処置の内容や、処置が行われる対象部位などに応じて、対象部位の組織が受ける力を知覚するための知覚のしやすさを、操作部ごとに設定することができる。

更に前記手術ロボットの所定の箇所に加えられた外力を検知する外力検知部を更に備え、前記反力設定部は、前記反力の大きさを、前記変化情報と、前記変換係数と、更に前記外力検知部からの検知信号に基づいて設定することが好ましい。

このようにすることにより、使用者は、その操作によって対象部位の組織が受ける力の大きさをより正確に知覚することができる。また、操作を行う際に、術具などの所定の部分が、意図せずに接触するなどして、対象部位や患者のその他の部位に力が加えられた場合などでもその力を知覚することができる。

更に前記駆動部は、空気圧式のアクチュエータであり、前記変化情報は、前記空気圧式のアクチュエータの圧力の変化に関する情報であることが好ましい。

このようにすることにより、その操作によって対象部位の組織が受ける力の大きさを、駆動部の特性に応じて設定される反力によって、正確に知覚することができる。

本開示の手術ロボットによれば、使用者が、その操作によって対象部位の組織が受ける力の大きさを知覚しつつ、手術ロボットの操作を行うことができるという効果を奏する。

第１の実施形態にかかる手術ロボットの外観を示す図である。 第１の実施形態にかかる手術ロボットのブロック図である。 図３（ａ）は、第１の実施形態にかかる手術ロボットの操作部を説明する概略図である。図３（ｂ）は、第１の実施形態にかかる手術ロボットの操作部を説明する概略図である。 図４（ａ）は、第１の実施形態にかかる手術ロボットの操作部を説明する概略図である。図４（ｂ）は、第１の実施形態にかかる手術ロボットの操作部を説明する概略図である。 第１の実施形態にかかる手術ロボットの設定画面の一例を示す図である。 第１の実施形態にかかる手術ロボットによる処理の流れ説明するフロー図である。 第２の実施形態にかかる手術ロボットの外観を示す図である。 第２の実施形態にかかる手術ロボットのブロック図である。

以下の「発明の実施形態」は、本開示の技術的範囲に属する実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的構成や構造等に限定されない。

なお、各図に付された方向を示す矢印及び斜線等は、各図相互の関係及び各部材又は部位の形状を理解し易くするために記載されたものである。したがって、本開示に示された発明は、各図に付された方向に限定されない。斜線が付された図は、必ずしも断面図を示すものではない。

少なくとも符号が付されて説明された部材又は部位は、「１つの」等の断りがされた場合を除き、少なくとも１つ設けられている。つまり、「１つの」等の断りがない場合には、当該部材は２以上設けられていてもよい。本開示に示された手術用ロボットは、少なくとも符号が付されて説明された部材又は部位等の構成要素、並びに図示された構造部位を備える。

〔第１の実施形態〕
以下、第１の実施形態に係る手術ロボットについて、主に図１から図６を参照しながら説明する。本実施形態では、本開示にかかる手術ロボットが、内視鏡下外科手術に用いられる例に適用して以降の説明を行う。なお、以降の説明において、前後、左右、上下の方向は、特に断りのない限りそれぞれ図中に示す方向とする。

＜１．構成の説明＞
手術ロボット１は、第１のロボットアーム２Ｒ、第２のロボットアーム２Ｌ、制御ユニット３、操作ユニット５、第１の術具７Ｒ、及び第２の術具７Ｌを主に備えている。第１の術具７Ｒは、第１のロボットアーム２Ｒが支持する術具であり、第２の術具７Ｌは、第１のロボットアーム２Ｒが支持する術具である。

なお本実施形態では、第１のロボットアーム２Ｒと第２のロボットアーム２Ｌは同一の構成をしたものである例に適用して以降の説明を行う。また、第１の術具７Ｒと第２の術具７Ｌは、同一の構成をしたものである例に適用して以降の説明を行う。

このため、以降の説明では、第１のロボットアーム２Ｒ、及び第１の術具７Ｒについて説明を行い、第２のロボットアーム２Ｌ、及び第２の術具７Ｌの説明、及びそれらの図の記載は省略する。また以降において、特に断りの無い限り、第１のロボットアーム２Ｒを「ロボットアーム２」と、第１の術具７Ｒを「術具７」とも記載する。

＜術具について＞
はじめに術具７について説明を行う。術具７は、その先側の一部が、手術が行われる対象者（以降において「患者」とも記載する。）の腹部などに穿刺されたトロッカー８を介して患者の体内に挿入され、組織に対する処置を行う器具である。本実施形態では、術具７が、内視鏡下外科手術にて用いられる公知の鉗子である例に適用して以降の説明を行う。

術具７は、把持部７１、シャフト７３、及びアダプタ７５から主に構成されている。把持部７１は、トロッカー８を介して患者の体内に挿入されて、組織などを把持するなどの処置を行う部分であり、シャフト７３の一方の端側に設けられている。なお以降において、シャフト７３の把持部７１が設けられている側を、シャフト７３の「先側」、あるいは術具７の「先側」とも記載する。

シャフト７３は、細長い筒状の形状をした部分で、その把持部７１とは反対側にアダプタ７５が設けられている。また、シャフト７３の把持部７１の近傍の部分には、所定の方向に折り曲げ、あるいは屈曲可能なリスト部７４が設けられている。このリスト部７４は、所定の向きに折り曲げ、あるいは屈曲されることで、把持部７１の向きを変更する部分である。

把持部７１は、ジョー７２ａと、ジョー７２ａと対応するジョー７２ｂと、図示されていないベース部７２ｃから主に構成されている。ジョー７２ａとジョー７２ｂは、相互に近接、離間ができるようにベース部７２ｃに支持されている。

把持部７１は、ジョー７２ａとジョー７２ｂが近接することで、その間に配置された組織などを把持する作動を行う。また、ジョー７２ａとジョー７２ｂが離間して、把持していた組織などを離す作動を行う。以降においてジョー７２ａとジョー７２ｂが近接することを、把持部７１が「閉じる」、ジョー７２ａとジョー７２ｂが離間することを把持部７１が「開く」とも記載する。また、把持部７１を開いたり閉じたりする作動を、「開閉動作」とも記載する。

筒状のシャフト７３の内側には、把持部７１、及びリスト部７４に所定の作動を行わせるための図示されていない複数のワイヤが設けられている。このワイヤに所定の張力が作用されると、把持部７１、あるいはリスト部７４の対応する部分が、張力に応じた作動を行う。なお、以降において、把持部７１及びリスト部７４など、所定の張力などが作用されて作動する術具７の部分を総称して、「術具７の作動部」あるいは「作動部７０」とも記載する。

＜ロボットアームについて＞
ロボットアーム２は、使用者による操作に応じて作動して、その操作に応じた姿勢、及び位置にて術具７を保持するアーム装置である。換言すれば、ロボットアーム２は、術具７の先側の部分（本実施形態に於いては把持部７１）が、使用者の所望の位置、及び姿勢となるように術具７を保持するものである。

即ち使用者が操作を行うと、術具７の先側の部分（把持部７１）が操作に応じた方向に移動するように、ロボットアーム２が作動する。以降において、使用者の操作に伴って、術具７の先側の部分（把持部７１）が移動する方向を、「術具７の移動方向」あるいは単に「移動方向」とも記載する。

ロボットアーム２は、複数の関節部（ジョイント）２２を有するリンク機構にて構成されている。即ち、複数のアーム２１が、複数の関節部２２にてそれぞれ所定の方向に回転可能に接続されて構成されている。

ロボットアーム２には、術具７を取り付け、取り外し可能に接続する接続部２５が設けられている。術具７は、この接続部２５にそのアダプタ７５が接続されて、ロボットアーム２に支持される。

ロボットアーム２は、アーム２１や関節部２２に、使用者による操作に応じた作動を行わせるための複数の駆動部２６ａを備えている。なお図２において、説明のために一つの駆動部２６ａを例示として記載し、他の駆動部２６ａの記載は省略している。この駆動部２６ａは、使用者による操作に応じて物理的な運動を行い、アーム２１や関節部２２に所定の駆動力を与える部分である。

即ち、使用者が操作ユニット５にて所定の操作を行うと、その操作に対応した駆動部２６ａが作動して、対応するアーム２１や関節部２２に操作に対応した大きさの駆動力を作用させる。すると、対応するアーム２１が、使用者による操作に応じた方向に、関節部２２を中心に回転、あるいは移動する。アーム２１や関節部２２がそのように作動すると、ロボットアーム２が、使用者による操作に応じた作動を行う。なお、以降において駆動部２６ａからの駆動力によって作動するアーム２１、及び関節部２２を総称して、「ロボットアーム２の作動部」あるいは「作動部２０」とも記載する。なお、図２においては、説明のために、例示として記載した一つの駆動部２６ａに対応するアーム２１、及び関節部２２を作動部２０として記載し、他のアーム２１、及び関節部２２の記載は省略している。

ロボットアーム２は、術具７の把持部７１やリスト部７４などに所定の作動を行うのに必要な力を与える複数の駆動部２６ｂも備えている。この駆動部２６ｂは、使用者の操作に従って物理的な運動を行い、術具７のアダプタ７５の所定の箇所に駆動力を作用させて、把持部７１などに使用者の操作に応じた作動を行わせる部分である。なお、図２において、説明のため、一つの駆動部２６ｂを例示として記載し、他の駆動部２６ｂの記載は省略している。

本実施形態では、駆動部２６ａ及び駆動部２６ｂが、公知の空気圧式のアクチュエータを備えたものである例に適用して以降の説明を行う。即ち駆動部２６ａ及び駆動部２６ｂが、図示されていない空気圧シリンダー、空気圧シリンダーに圧縮空気を供給する圧力発生装置、制御用電磁弁、及び空気圧シリンダーの動きを所定の箇所に伝達する公知の構造の力伝達機構等から構成されている例に適用して以降の説明を行う。

駆動部２６ａ，２６ｂには、それぞれ変化情報取得部２７ａ、２７ｂが設けられている。変化情報取得部２７ａ，２７ｂは、公知の気圧センサであり、空気圧式のアクチュエータである駆動部２６ａ，２６ｂが作動する際のそれぞれの圧縮空気の圧力を測定するものである。図２においては、説明のために例示として記載した駆動部２６ａ，２６ｂにそれぞれ対応する変化情報取得部２７ａ，２７ｂを例示として記載し、他の変化情報取得部２７ａ，２７ｂは省略している。

なお以降において、駆動部２６ａ，２６ｂを総称して「駆動部２６」と、変化情報取得部２７ａ，２７ｂを総称して「変化情報取得部２７」とも記載する。

＜制御ユニット＞
制御ユニット３は、主にロボットアーム２、及び操作ユニット５の制御を行う部分である。制御ユニット３は、駆動制御部３１、反力設定部３２、変換率設定部３３、入力／受付部３４入力／受付部３４、及び記憶部３５を主に備えている。

本実施形態において、制御ユニット３は、専用のソフトウェアがインストールされた公知のコンピュータシステムである例に適用して説明を行う。即ち、専用のソフトウェアとハードウェアが協働して、駆動制御部３１や反力設定部３２などの各部の機能を実現している例に適用して以降の説明を行う。なお、制御ユニット３の各部が、それぞれの機能を発揮するように構成された専用のハードウェアから構成されていてもよい。

駆動制御部３１は、使用者の操作に応じて出力される操作ユニット５からの操作信号に従って、駆動部２６を制御する部分である。反力設定部３２は、位置操作部５１ａ、及び把持操作部５１ｂが作用を受ける力である、反力の大きさを設定する部分である。なお、位置操作部５１ａ、把持操作部５１ｂ、及び反力については、その詳細を後述する。

変換率設定部３３は、反力の設定に用いられる変換係数を設定する部分である。入力／受付部３４は、使用者が、詳細は後述する入力デバイス５６を用いて入力した情報を受け付ける部分であり、入力デバイス５６とのインターフェースでもある。入力／受付部３４は、主に使用者が入力した変換係数を設定するための情報などを受け付ける部分である。また、入力／受付部３４は、使用者に関する情報の入力や、処置の内容、あるいは患者に関する情報など、手術ロボット１によって行われる手術の内容に関する情報などの、その他の情報も受け付ける。なお入力／受付部３４が、入力部の一例である。

記憶部３５は、ハードディスクやメモリなどの公知の記憶媒体であり、制御ユニット３による処理に必要なプログラムや、手術ロボット１の操作に必要な設定に関する情報などを記憶する部分である。

＜操作ユニット＞
操作ユニット５は、使用者が操作を行う部分であり、モニタ５５、第１の操作装置５０Ｒ、第２の操作装置５０Ｌ、及び入力デバイス５６を主に備えている。

なお、第１の操作装置５０Ｒと第２の操作装置５０Ｌの構成、及びその操作方法や制御は同一であるため、以降において、主に第１の操作装置５０Ｒの説明を行い、第２の操作装置５０Ｌの詳細な説明、及びその図の記載を省略する。また特に断りの無い限り、第１の操作装置５０Ｒを「操作装置５０」とも記載する。

モニタ５５は、操作に必要な設定を行う設定画面、患者の内視鏡画像、あるいはロボットアーム２及び術具７の状態や、その操作に必要な表示が行われる公知のモニタ装置である。なお、内視鏡画像は、患者の腹部などに穿刺された図示されていない他のトロッカーから患者の体腔内に挿入された図示されていない内視鏡から取得された患者の体腔内の画像である。なお、この内視鏡は、図示されていない他のロボットアームや、他の公知の内視鏡ホルダ、あるいは内視鏡保持装置によって保持されている。

入力デバイス５６は、図示されていないキーボードやマウス、あるいはタッチパネルやフットスイッチなどの公知の入力デバイスである。

第１の操作装置５０Ｒは、使用者が、第１のロボットアーム２Ｒと、第１の術具７Ｒの操作を行う操作装置である。換言すれば、第１の操作装置５０Ｒは、第１のロボットアーム２Ｒと第１の術具７Ｒに、使用者の操作に応じた作動を行わせるための操作信号を出力する部分である。

第２の操作装置５０Ｌは、使用者が、第２のロボットアーム２Ｌと、第２の術具７Ｌの操作を行う操作装置である。換言すれば、第２の操作装置５０Ｌは、第２のロボットアーム２Ｌと第２の術具７Ｌに、使用者の操作に応じた作動を行わせるための操作信号を出力する部分である。

操作装置５０は、位置操作部５１ａと把持操作部５１ｂを備えている。位置操作部５１ａは、使用者が、術具７の先側の位置、より具体的には把持部７１の位置を変更する際に、操作される部分である。即ち、位置操作部５１ａが操作されると、把持部７１が、使用者による操作に応じた方向に移動するように、ロボットアーム２が制御される。

把持操作部５１ｂは、使用者が、術具７の把持部７１に開閉する作動を行わせる際に操作される部分である。即ち、把持操作部５１ｂが操作されると、把持部７１に、使用者による操作に応じた開閉動作を行わせるように、ロボットアーム２が制御される。なお、位置操作部５１ａ、あるいは把持操作部５１ｂは、フットスイッチなどの入力デバイス５６による切替操作によって、術具７のリスト部７４などの他の部分の操作を行う際に用いられてもよい。

本実施形態において位置操作部５１ａは、グリップ５３ａと図示されていない支持部５２ａを備えた操作デバイスである例に適用して以降の説明を行う。グリップ５３ａは、使用者が操作の際に保持して、所望の方向に移動させる部分である。支持部５２ａは、グリップ５３ａを、上下、前後、左右の任意の方向、即ち任意の三次元の方向に移動可能に支持する部分である（図３（ａ）参照。）。即ち使用者は、所定の範囲において、グリップ５３ａを任意の三次元の方向に移動させることができる。なお、以降においてグリップ５３ａが移動する上下方向をＹ（軸）方向、左右方向をＸ（軸）方向、前後方向をＺ（軸）方向とも記載する。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されているグリップ５３ａの形状は例示であって、これに限定される訳ではない。

本実施形態では支持部５２ａが、グリップ５３ａを任意の三次元の方向に移動可能に支持する、リンク機構からなる図示されていない公知の支持機構である例に適用して以降の説明を行う。なお位置操作部５１ａは、任意の方向に移動する部分を備えた、ロボットアーム２の操作に適したものであれば、その他の公知の構成の操作デバイスであってもよい。

また、本実施形態において把持操作部５１ｂは、把持体５３ｂと、把持体５３ｂを回転可能に支持する支持体５２ｂを備えた操作デバイスである例に適用して以降の説明を行う。把持体５３ｂは、支持体５２ｂに設けられたジョイント部５３ｃにて、支持体５２ｂに対して回転可能に支持されている（図４（ａ）参照。）。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されている把持操作部５１ｂの形状は例示であって、これに限定される訳ではない。

なお把持操作部５１ｂは、把持体５３ｂと支持体５２ｂが、使用者の親指と人差し指などで挟むように保持され、把持体５３ｂを支持体５２ｂに近づけたり離したりする操作が行われる。なお、把持操作部５１ｂは、所定の方向に移動する部分を備えた把持部７１の操作に適したものであれば、他の公知の構成からなる操作デバイスであってもよい。

なお本実施形態において、グリップ５３ａの支持部５２ａ側の部分、即ち使用者がグリップ５３ａを保持した際に使用者の指が配置される部分に、把持操作部５１ｂが設けられている例に適用して説明を行う。なお、使用者が把持操作部５１ｂの操作を行うことができる箇所であれば、上記とは異なる箇所に把持操作部５１ｂが設けられていてもよい。

以降の説明において、位置操作部５１ａ、及び把持操作部５１ｂを総称して、「操作部５１」とも記載する。また、使用者の操作によってグリップ５３ａが移動する方向、あるいは把持体５３ｂが移動する方向を、「操作部５１の操作方向」、あるいは単に「操作方向」とも記載する。また、グリップ５３ａと把持体５３ｂを総称して「可動部５３」とも記載する。

位置操作部５１ａには、グリップ５３ａの位置を検出するためのエンコーダなどの図示されていない複数のセンサが設けられている。即ち位置操作部５１ａは、使用者による操作によってグリップ５３ａが移動されると、そのグリップ５３ａの移動方向、及び移動距離に対応した操作信号を、駆動制御部３１に出力する。

また把持操作部５１ｂは、支持体５２ｂと把持体５３ｂがなす角度や、その間の距離などを検出するエンコーダなどの公知のセンサが備えられている。このため、使用者が把持操作部５１ｂを操作して、把持体５３ｂの位置を変更すると、把持操作部５１ｂは、把持体５３ｂの移動に対応した操作信号を駆動制御部３１に出力する。

更に操作装置５０は、グリップ５３ａ、及び把持体５３ｂの動きを制御する操作制御部５４ａ，５４ｂをそれぞれ備えている。操作制御部５４ａ，５４ｂは、反力設定部３２が設定した反力を、位置操作部５１ａ及び把持操作部５１ｂにそれぞれ作用させ、グリップ５３ａや把持体５３ｂの移動に必要となる力を制御する部分である。

具体的には、操作制御部５４ａは、反力設定部３２からの信号に基づく大きさの力を出力するアクチュエータと、そのアクチュエータの出力した力を、位置操作部５１ａの操作方向とは反対の向きにグリップ５３ａに作用させる公知の構造からなる力伝達機構から構成されている。同様に、操作制御部５４ｂは、反力設定部３２からの信号に基づく大きさの力を出力するアクチュエータと、そのアクチュエータの出力した力を、把持操作部５１ｂの操作方向とは反対の向きに把持体５３ｂに作用させる公知の構造からなる力伝達機構から構成されている。

本実施形態では、操作制御部５４ａ，５４ｂは、空気圧式のアクチュエータと、リンクやワイヤ、プーリなどから構成された公知の力伝達機構から構成されている例に適用して説明を行う。なお、電動式のアクチュエータ（電動モータ）や他の公知のアクチュエータが用いられてもよい。また、リンク機構などの他の公知の構成からなる他の公知の力伝達機構が用いられたものであってもよい。なお、操作制御部５４ａ，５４ｂが、反力付与部の一例である。

＜反力について＞
続いて、この操作制御部５４ａ，５４ｂが、位置操作部５１ａ及び把持操作部５１ｂに作用させる力である反力について説明を行う。

手術ロボット１用いた手術では、使用者の操作に従って、手術ロボット１が作動し、所定の処置が行われる。この操作は、使用者が、可動部５３を、所望の方向、及び所望の距離だけ移動させることによって行われる。そして、この操作に従って、ロボットアーム１や術具７が、その可動部５３の移動方向や移動距離に対応した方向、及び距離だけ移動する。

ここで、使用者がその操作のために可動部５３に作用させるために必要となる力を「操作力」とすると、使用者が可動部５３に作用させる力が操作力よりも大きな場合には、可動部５３は操作方向に移動し、ロボットアーム２及び術具７は、可動部５３の操作方向に応じた作動を行う。また、使用者が可動部５３に作用させる力が、操作力未満の場合には、可動部５３は移動せず、ロボットアーム２及び術具７は作動しない。

ここで、術具等が患者の組織等に接触していない状態において、使用者が可動部を移動させるのに必要となる操作力を「移動時操作力」とすると、使用者が移動時操作力よりも僅かに大きな力を、可動部５３に作用させている限り、ロボットアーム２や術具７が、その操作方向に対応した方向に作動する。換言すれば、例えば術具７が、すでに患者の組織に接触している状態であったとしても、使用者が、その操作を止めない限り、ロボットアーム２や術具７は、操作に応じた作動を継続する。ロボットアーム２や術具７などがそのような作動を行うと、術具７などが、その接触している患者の組織に対して力を作用させることになる。

この作用させる力の大きさによっては、患者の組織に損傷を与えてしまり、患者に対して好ましくない影響を与えてしまったりする可能性がある。このため、本実施形態に係る手術ロボット１では、術具７の先側の部分などが、患者の組織等に力を作用させている場合には、その作用させている力の大きさを使用者に知覚させる機能を有している。即ち、操作制御部５４ａ，５４ｂが、術具７等が患者の組織等に作用させている力と対応した大きさの力を、操作部５１の可動部５３に、その操作方向とは逆向きの方向に作用させるように作動する。本実施形態では、操作制御部５４ａ，５４ｂが、可動部５３に作用させる、この術具７等が患者の組織等に作用させている力と対応した大きさの力を「反力」とも記載する。換言すれば、駆動部２６が出力する駆動力の増加に従って、操作制御部５４ａ，５４ｂが、可動部５３に作用させる可動部５３の操作方向とは逆向きの力を「反力」とも記載する。

より具体的に説明を行うと、術具７が、他の部分と接触していない状態において、術具７を移動させたり、把持部７１の開閉動作を行わせたりする場合には、駆動部２６の一定の駆動力の出力によって、所定の作動が行われる（以降においてこの駆動力を「移動時駆動力」とも記載する。）。

一方、術具７が患者と接触したり、あるいは把持部７１を閉じて組織を把持する作動を行わせたりする場合には、駆動部２６は、作動部２０や作動部７０にその作動を行わせるために、移動駆動力よりも大きな力を出力する必要がある（以降に於いて、この駆動力を「処置時駆動力」とも記載する。）。

本実施形態に係る手術ロボット１では、駆動部２６が処置時駆動力を出力している場合には、術具７が患者の組織等と接触している状態であるとみなし、反力を対応する可動部５３に作用させる。具体的には、反力設定部３２が、この駆動力の変化量と、変換率設定部３３が設定した変換係数に基づいて反力の大きさを設定する。そして設定された大きさの力を、操作制御部５４ａ，５４ｂが、可動部５３に作用させる。ここで変換係数は、反力の設定に用いられる係数であって、術具７等が患者の組織等に作用させている力と、反力の比に関する係数である。

即ち使用者は、駆動部２６が処置時駆動力を出力している場合には、その操作のために可動部５３を移動させる際に、少なくとも移動時操作力よりも大きな力を可動部５３に作用させなければならなくなる。このことによって使用者は、術具７が患者と接触していたり、あるいは把持部７１が対象組織と接触して把持したりしていることを、操作部５１の操作を行いながら知覚することができる。また、その術具７等が患者の組織等に作用させている力の大きさを知覚することができる。

＜２．制御の詳細＞
続いて、手術ロボット１にて行われる制御について、主に図５〜６を参照し、その操作方法に従って説明を行う。

手術ロボット１に電源が入力され、所定の操作が行われると手術ロボット１が起動する。この際、入力／受付部３４は、モニタ５５に表示された所定の画面に従って使用者が入力した、使用者に関する情報（使用者情報）や、患者に関する情報、及び処置が行われる部位に関する情報などの情報の入力を受け付ける。

更に使用者が所定の操作を行うと、モニタ５５に設定画面６０が表示される（図５参照。）。この設定画面６０は、第１の操作装置５０Ｒに関する設定を行う第１の設定部６１Ｒと、第２の操作装置５０Ｌに関する設定を行う第２の設定部６１Ｌが設けられている。

この第１の設定部６１Ｒ，及び第２の設定部６１Ｌには、それぞれ位置操作部５１ａ（グリップ５３ａ）に付与される反力に関する移動変換係数を設定する移動変換係数設定部６２Ｒ，６２Ｌと、把持操作部５１ｂ（把持体５３ｂ）に付与される反力に関する把持変換係数を設定する把持変換係数設定部６３Ｒ，６３Ｌが設けられている。

使用者が、入力デバイス５６を操作して、移動変換係数設定部６２Ｒ，６２Ｌ、及び把持変換係数設定部６３Ｒ，６３Ｌに所望の変換係数を入力すると、入力／受付部３４がその情報を受け付ける。そして、変換率設定部３３が、入力／受付部３４が受け付けた情報に基づいて、それぞれの変換係数を設定する（Ｓ１０）。

使用者が、操作装置５０を操作すると、ロボットアーム２、術具７が操作に応じた作動を行う。使用者が、第１の操作装置５０Ｒの操作を行う例に適用して説明を行うと、使用者が位置操作部５１ａを操作すると、位置操作部５１ａは、グリップ５３ａの移動方向、及び移動距離に対応した操作信号を駆動制御部３１に出力する。

そして、駆動制御部３１は、操作信号に基づいて、対応する駆動部２６ａに、操作信号に従って把持部７１を移動させるのに必要な移動駆動力を出力させる信号を出力する（Ｓ３０）。即ち空気圧式のアクチュエータである駆動部２６ａの圧力を増加させて、所定の大きさの移動駆動力を出力させる信号を出力する。第１のロボットアーム２Ｒは、術具７や把持部７１などの部分が、対象組織やその他の部分に接触するまでは、この移動駆動力を受けて操作に従った作動を行う。

また、使用者が把持操作部５１ｂを操作すると、把持操作部５１ｂは、把持体５３ｂの移動方向に応じた操作信号を駆動制御部３１に出力する（Ｓ２０）。そして、駆動制御部３１は、対応する駆動部２６ｂに操作信号に基づいて把持部７１を作動させるのに必要な駆動力を出力させる信号を出力する（Ｓ３０）。

即ち空気圧式のアクチュエータである駆動部２６ｂの圧力を増加させて、所定の大きさの移動時駆動力を出力させる信号を出力する。把持部７１は、ジョー７２ａ、及びジョー７２ｂが対象組織と接触するまでは、駆動制御部３１が出力する移動駆動力によって作動する。

把持部７１が移動して、対象組織と接触すると、ロボットアーム２を作動させるために、移動駆動力よりも大きな駆動力が必要となる。即ち駆動部２６ａは、ロボットアーム２に操作信号に基づいた作動を行わせるために、移動駆動力よりも大きな駆動力を出力する。即ち、図示されていない圧力発生装置から追加の圧縮空気が供給され、駆動部２６ａの圧力が増加する。

あるいは、ジョー７２ａ、及びジョー７２ｂが対象組織と接触すると、把持動作を行うために、駆動部２６ｂは、移動駆動力よりも大きな駆動力を出力する。即ち、図示されていない圧力発生装置から追加の圧縮空気が供給され、駆動部２６ｂの圧力が増加する。

反力設定部３２は、変化情報取得部２７ａ，２７ｂからの情報に基づいて、駆動部２６ａ、及び駆動部２６ｂの圧力の変化を検出する（Ｓ４０）。具体的に反力設定部３２は、駆動部２６ａ，２６ｂの圧力が、移動駆動力を出力している際の駆動部２６ａ、及び駆動部２６ｂのそれぞれの圧力から増加する圧力の変化量を検出する。なお、この変化情報取得部２７ａ，２７ｂが検出する駆動部２６ａ，２６ｂの圧力の変化に関する情報が、変化情報の一例である。

反力設定部３２は、駆動部２６ａ，２６ｂの変化（増加）を検出すると、反力の設定処理を行う（Ｓ５０）。具体的には、反力設定部３２は、変化情報取得部２７ａ，２７ｂからの信号に基づいて、駆動部２６ａ，２６ｂの圧力の変化量を算出する。そして、この算出した変化量に変換率設定部３３が設定した変換係数を乗じた値を反力として設定する。

ここで、駆動部２６ａ，２６ｂの圧力の変化量の変化量としてΔＰａ、ΔＰｂがそれぞれ取得され、移動変換係数としてｋ１、把持変換係数としてｋ２が設定されている例に適用して具体的に説明を行う。この場合に反力設定部３２は、位置操作部５１ａ（グリップ５３ａ）に作用させる反力（「Ｆ_１」とも記載する。）として、ΔＰａにｋ１を乗じた値を設定する。また、反力設定部３２は、把持操作部５１ｂ（把持体５３ｂ）に作用させる反力（「Ｆ_２」とも記載する。）として、ΔＰｂにｋ２を乗じた値を設定する。

反力設定部３２は、対応する操作制御部５４ａ，５４ｂに設定した大きさの反力を出力させる信号を出力する（Ｓ６０）。操作制御部５４ａ，５４ｂは、反力設定部３２からの信号を受信すると、設定された大きさの反力を、それぞれの操作方向とは反対の方向に、グリップ５３ａ、及び把持体５３ｂに作用させる。

具体的に説明を行うと、操作制御部５４ａが、グリップ５３ａに、設定された反力（Ｆ_１）をその操作方向とは逆向きの方向に作用させる（図３（ｂ）参照。）。また、操作制御部５４ｂが、把持体５３ｂに、設定された反力（Ｆ_２）をその操作方向とは逆向きの方向に作用させる。（図４（ｂ）参照。）。

使用者によって、把持部７１と対象組織との接触が離れる方向に把持部７１を移動する操作が行われると、駆動制御部３１は、対応する駆動部２６ａに対して、出力していた駆動力を停止させる制御を行う。即ち、駆動部２６ａの圧力を低下させる制御を行う。

あるいは、使用者によって、把持部７１を開き、把持していた対象組織を離す操作が行われると、駆動制御部３１は、対応する駆動部２６ｂに対して、出力していた駆動力を停止させる制御を行う。即ち、駆動部２６ｂの圧力を低下させる制御を行う。そして操作制御部５４ａ，５４ｂは、操作反力の出力を停止する。

上記の操作が繰り返されて、処置が終了すると、使用者による所定の操作に従って処理が終了する。

上記の実施形態に係る手術ロボット１によれば、使用者による位置操作部５１ａの操作に従って、駆動部２６ａから供給された駆動力の増加量（駆動部２６ａの圧力の増加量）に対応した大きさの反力が、グリップ５３ａに作用される。また、使用者による把持操作部５１ｂの操作に従って、把持部７１に、駆動部２６ｂから供給された駆動力の増加量（駆動部の圧力の増加量）に対応した大きさの反力が、把持体５３ｂに作用される。

このため、使用者は、その操作によって対象部位の組織等が受ける力の大きさを、手術ロボットの操作を行いながら的確に知ることができる。換言すれば、対象部位の組織等が受ける力の大きさを、操作を行う自身の手を介して知覚することができる。このため、術部７等が患者の組織等に作用させている力の大きさを考慮した操作を行うことができ、処置を行う対象組織の部位や、その組織の状態に応じた処置を適切に行うことができる。

また、空気圧式のアクチュエータの空気圧の変化量（増加量）に基づいて反力の大きさを設定しているため、より正確な反力を設定することができる。このため使用者は、操作によって対象部位の組織等が受ける力の大きさを、より正確に知ることができる。換言すれば、対象部位の組織等が受ける力の大きさを、操作を行う自身の手を介してより正確に知覚することができる。また駆動部に空気圧式のアクチュエータが用いられていることから、より柔軟性のある作動を行う手術ロボットとすることができる。

また、この反力の設定に用いられる変換係数は、使用者によって任意に設定することができる。このため使用者は、例えば処置の内容や、処置が行われる部位などに応じて、反力の大きさ、即ち、対象部位の組織が受ける力の知覚のしやすさを、任意に設定することができる。例えば、僅かな力が作用するだけで損傷を受けてしまうおそれのあるような組織のある部分の処置を行う場合には、使用者は、変換係数を大きな値に設定して、より反力を知覚しやすい設定とすることができる。あるいは、作用させる力によって影響を受ける組織のない部分の処置を行う場合や、グリップ５３ａや把持体５３ｂに反力が作用されると操作が行いにくくなる場合には、使用者は、変換係数を小さな値に設定して、小さな大きさの反力に設定にすることもできる。即ち、処置の内容に応じて適した感度で反力を設定することができる。このため、処置を行う対象組織の部位や、その組織の状態に適した処置を行うことができ、更には処置の内容に応じた作業が行い易い手術ロボットとすることができる。

更にこの変換係数は、第１の操作装置５０Ｒ、及び第２の操作装置５０Ｌごと、更にはそれぞれの位置操作部５１ａ、及び把持操作部５１ｂごとに独立して設定することができる。このため、処置を行う対象組織の部位や、その組織の状態、及び処置の内容に従って、柔軟にその設定を行うことができる。また、例えば使用者が、右手で第１の操作装置５０Ｒの操作を行い、左手で第２の操作装置５０Ｌで操作を行う場合などに、右手の反力が大きくなるように設定し、左の反力が小さくなるように設定したり、あるいはその逆に設定したりすることができる。このため、例えば使用者の利き手の反力を大きくしたりするなど、使用者の好みやその使用感、あるいはその使用状況に応じた設定を行うことができる。

あるいは、例えば第２のロボットアーム２Ｌにて対象組織を把持し、第１のロボットアーム２Ｒにて縫合針を把持して縫合の処置などを行う場合に、使用者は、組織を把持する側の術具７を操作する把持操作部５１ｂからは、その把持部７１が作用している力をより正確に知覚する必要がある。一方、使用者は、縫合針を保持する把持部７１の操作を把持操作部５１ｂからは、反力を知覚する必要性がない可能性がある。このような場合に、例えば第２の操作装置５０Ｌの把持操作部５１ｂの変換係数の値を大きくし、第１の操作装置５０Ｒの把持操作部５１ｂの変換係数の値を小さくするといった設定を行うこともできる。即ち、処置の目的やその内容、あるいは使用者の使用感などに応じた設定をおこなうことができる。

〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態について主に図７から図８を参照しながら説明する。
本実施形態に係る手術ロボット１Ａの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、反力の大きさを、外力検知部２８からの信号も考慮して設定する点が相違する。

よって、本実施形態においては、図７及び図８を用いて主に相違点について説明をおこない、第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る手術ロボット１Ａのロボットアーム２Ａは、術具７のシャフト７３に外部から加えられる外力を検知する外力検知部２８を備えている（図７、図８参照）。ここで外力とは、術具７の一部が、術具７以外の部分と接触することによりシャフト７３に及ぼされる力をいう。なお本実施形態では、外力検知部２８が、接続部２５とアダプタ７５の間の領域に配置されている例に適用して説明を行うが、他の部分に配置されていてもよい。

即ち外力は、例えばシャフト７３がトロッカー８などと接触したり、あるいはシャフト７３の先側の部分などが、患者の組織などと接触したりすることでシャフト７３が受ける力のことをいう。あるいは術具７のその他の部分が、トロッカー８や患者の組織やその他の部分と接触することでシャフト７３が受ける力のことをいう。

外力検知部２８は、加えられている力の大きさ、及びその向きを検知可能な公知の力覚センサである。外力検知部２８としては、力とトルクの大きさを検出するフォーストルクセンサなどが利用可能であるが、シャフト７３に加えられている外力を検出可能なセンサであれば、他の公知のセンサが用いられてもよい。

本実施形態に係る反力設定部３２Ａは、変化情報取得部２７ａ，２７ｂからの情報と、変換率設定部３３が設定した変換係数、更に外力検知部２８からの検知信号に基づいて、反力を設定する機能を有している。即ち、反力設定部３２Ａは、変化情報取得部２７ａ，２７ｂから取得される駆動部２６ａ，２６ｂの圧力の変化量に関する情報と、外力検知部２８からの外力に関する情報に基づいて反力を設定する。

具体的には、反力設定部３２Ａは、駆動部２６ａ，２６ｂの圧力の変化量に関する情報に基づいて取得される力の大きさ（Ｆ_３）と、外力検知部２８から取得された外力に関する情報から求められる外力の操作方向に対応した向きの力の大きさ（Ｆ_４）を取得する。そして、取得された二つ力を加えた値（Ｆ_３＋Ｆ_４）に、変換係数を乗じた値を反力として設定する。なお、反力設定部３２Ａは、それぞれの力（Ｆ_３及びＦ_４）に対してそれぞれ異なる変換係数を乗じた値を反力として設定してもよい。あるいは、駆動部２６ａ，２６ｂの圧力の変化量に関する情報、外力検知部２８からの外力に関する情報、及び変換係数に基づいた、その他の公知の方法によって反力を設定してもよい。

反力設定部３２Ａは、設定した反力を操作制御部５４ａ，５４ｂに出力させる信号を出力し、操作制御部５４ａ，５４ｂが、グリップ５３ａ、及び把持体５３ｂに対応する反力をそれぞれ作用させる。

上記の構成からなる手術ロボット１Ａによれば、反力設定部３２Ａが、外力検知部２８からの情報も加味して、反力を設定する。このため使用者は、その操作によって対象部位の組織が受ける力、換言すれば術具７等が患者の組織等に作用させている力の大きさをより正確に知ることができる。

また、操作を行う際に、例えば術具７のシャフト７３などが、トロッカー８などの部分と接触するなどして、意図せずに患者に力を作用させてしまっている場合も、使用者はその状態を、操作を行いながら知覚することができる。あるいは術具７のその他の部分が、患者の部分と接触して、意図せずに患者に力を作用させている場合や、シャフト７３に、駆動部２６ａ，２６ｂの圧力の変化量のから算出することができないその他の力が作用されている場合も、使用者は操作を行いながらその状態を知覚することができる。

即ち使用者は、シャフト７３に作用されている力をより正確に知覚することができるため、対象組織や患者が受けている力の大きさをより正確に知覚することができる。このため、処置を行う対象組織の部位や、その組織の状態に応じた適切な処置を行うことが可能な手術ロボットとすることができる。また、意図せずに術具７の先側の部分以外の部分などが患者と接触してしまった際に、そのような不要な接触を迅速に知覚して、回避する操作を行うことも可能となる。

なお、本開示の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態においては、駆動部２６が、空気圧式のアクチュエータから構成される例に適用して説明を行ったが、電動式のアクチュエータ（電動モータ）が用いられた構成としてもよい。そして、変化情報取得部２７ａ，２７ｂとして、電動モータに供給される電力（電流）を検出する電力センサ（電流計等）が用いられてもよい。そして反力設定部３２が、駆動部２６が出力した駆動力の変化量（増加量）を、駆動部２６に供給された電力の変化量（増加量）から算出し、その値から反力を設定する構成としてもよい。

また外力検知部２８が、術具７のシャフト７３以外の部分に作用される力を検出するように配置された構成としてもよい。あるいは、ロボットアーム２の所定の箇所に作用される力を検出するように外力検知部２８を更に設けた構成としてもよい。このようにすれば、例えばロボットアーム２や術具７のその他の部分が患者などと接触して、患者などに不要な力を作用させている場合において、使用者がその状態を知ることができる。

上記実施形態では、術具７が鉗子である例に適用して説明を行ったがこれに限定される訳ではない。術具７は、例えば電気メスやステープラ、あるいはその他の内視鏡下外科手術に用いられる器具が、シャフト７３の先側に設けられたものであってもよい。

上記実施形態では、手術ロボット１が、内視鏡下外科手術に使用される例に適用して説明を行ったが、これに限定される訳ではない。例えば、手術ロボット１が脳神経外科手術や循環器系の手術など、その他の領域の外科手術、あるいは患者の治療に用いられてもよい。

また、例えば手術ロボット１が使用される手術の分野やその部位ごとに、対応する変換係数を予め設定しておき、記憶部３５に、それらの組み合わせを記憶させておいてもよい。そして変換率設定部３３が、入力／受付部３４が受け付けた手術の分野やその部位に関する情報に基づいて記憶部３５を参照し、対応する変換係数を取得して反力の設定に用いられる変換係数として設定する様にしてもよい。そのようにすれば、例えば手術が行われる部位や手術の分野を選択するだけで、部位や手術の分野に適した変換係数を設定することができるため、変換係数の設定が容易な手術ロボットとすることができる。

あるいは使用者ごとに変換係数を設定しておき、使用者に関する情報（使用者情報）と予め設定された変換係数の組み合わせを記憶部３５に記憶させておいてもよい。そして、そして変換率設定部３３が、入力／受付部３４が受け付けた使用者情報に基づいて記憶部３５を参照し、対応する変換係数を取得して反力の設定に用いられる変換係数として設定する様にしてもよい。このようにすれば、使用者が自身の情報を入力するだけで、使用者に適した変換係数が設定されるため、変換係数の設定が容易な手術ロボットとすることができる。

例えば、上記の実施形態に適用したものに限られることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定するものではない。

１，１Ａ…手術ロボット ２，２Ａ…ロボットアーム
３，３Ａ…制御ユニット ５…操作ユニット ７…術具 ８…トロッカー
２１…アーム ２２…関節部 ２５…接続部 ２６ａ，２６ｂ…駆動部
２７ａ，２７ｂ…変化情報取得部 ２８…外力検知部 ３１…駆動制御部
３２，３２Ａ…反力設定部 ３３…変換率設定部 ３４…入力部
３５…記憶部 ５０…操作装置 ５１ａ…位置操作部 ５１ｂ…把持操作部
５２ａ…支持部 ５２ｂ，７２ｃ…支持体、
５３ａ…グリップ ５３ｂ…把持体 ５３ｃ…ジョイント部、
５４ａ，５４ｂ…操作制御部（反力付与部） ５５…モニタ、
５６…入力デバイス ６０…設定画面
７１…把持部 ７２ａ，７２ｂ…ジョー ７３…シャフト
７４…リスト部 ７５…アダプタ

Claims (4)

1. 手術ロボットであって、
   使用者が操作する操作部と、
   前記操作に応じた作動を行う作動部と、
   前記作動部に駆動力を供給する駆動部と、
   前記使用者による前記操作部の操作方向と反対の向きの力である反力の大きさを設定する反力設定部と、
   前記反力設定部が設定した大きさの前記反力を、前記操作部に与える反力付与部と、
   前記使用者による入力を受け付ける入力部と、
   を備え、
   前記反力設定部は、前記作動部が前記操作に応じた作動を行う際に、前記駆動部が供給した前記駆動力の変化に関する変化情報と、前記入力部が受け付けた入力に従って設定された変換係数と、前記手術ロボットが支持する術具の所定の箇所に加えられた外力を検知する外力検知部からの検知信号に基づいて前記反力を設定する手術ロボット。
2. 複数の前記操作部と、
   それぞれの前記操作部に対応した複数の前記作動部を備え、
   前記反力設定部は、前記操作部ごとに前記反力の大きさをそれぞれ設定する、
   請求項１に記載の手術ロボット。
3. 前記駆動部は、空気圧式のアクチュエータであり、
   前記変化情報は、前記空気圧式のアクチュエータの圧力の変化に関する情報である、請求項１または請求項２に記載の手術ロボット。
4. 操作部と、使用者による前記操作部の操作に従って作動する作動部を備えた手術ロボットの制御を行う手術ロボットの制御ユニットであって、
   前記制御ユニットは、
   前記使用者による前記操作部の操作方向と反対の向きの力である反力の大きさを設定する反力設定部と、
   前記操作部に前記反力を付与する反力付与部を制御して、前記反力設定部が設定した大きさの前記反力を前記操作部に付与させる反力制御部と、
   前記使用者による入力を受け付ける入力部と、
   を備え、
   前記反力設定部は、
   前記作動部が前記操作に従った作動を行う際に、前記作動に必要な駆動力を供給する駆動部が、前記作動部に供給した前記駆動力の変化に関する変化情報と、前記入力部が受け付けた入力に従って設定された変換係数と、前記手術ロボットが支持する術具の所定の箇所に加えられた外力を検知する外力検知部からの検知信号に基づいて前記反力を設定する、
   前記手術ロボットの制御ユニット。

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