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WO2012033072A1 - マスタスレーブマニピュレータ - Google Patents

マスタスレーブマニピュレータ Download PDF

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WO2012033072A1
WO2012033072A1 PCT/JP2011/070213 JP2011070213W WO2012033072A1 WO 2012033072 A1 WO2012033072 A1 WO 2012033072A1 JP 2011070213 W JP2011070213 W JP 2011070213W WO 2012033072 A1 WO2012033072 A1 WO 2012033072A1
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WO
WIPO (PCT)
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joint
joints
master
axis
slave manipulator
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.)
Ceased
Application number
PCT/JP2011/070213
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English (en)
French (fr)
Inventor
岸　宏亮
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.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
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Priority to EP11823547.2A priority patent/EP2594372B1/en
Publication of WO2012033072A1 publication Critical patent/WO2012033072A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/02—Hand grip control means
    • 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
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • 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
    • 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
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J9/1689—Teleoperation
    • 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
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2048—Tracking techniques using an accelerometer or inertia sensor
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/74—Manipulators with manual electric input means
    • A61B2034/742—Joysticks

Definitions

  • the present invention relates to a master-slave manipulator having redundant joints.
  • a master-slave manipulator in which a slave manipulator that directly contacts a patient's body cavity can be remotely operated by a remote operation device.
  • a master-slave manipulator When a master-slave manipulator is used to apply a needle that is particularly difficult in endoscopic surgery, the needle can be applied while rolling the gripper attached to the tip of the slave arm. At this time, in the slave arm having no roll shaft joint at the tip, the other joints are cooperatively operated along with the rolling operation for rolling the gripper attached to the tip. In this case, there is a possibility that many joints move and collide with surrounding organs.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 63-267177 proposes a master-slave manipulator that can determine the position and orientation of only the tip by providing a redundant joint at the tip.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and in a master-slave manipulator having redundant joints, even if the remote control device and the slave arm have different structures, the load on the inverse kinematic calculation is reduced.
  • An object is to provide a possible master-slave manipulator.
  • a master-slave manipulator of one aspect includes a remote operation device as a master that gives an operation command corresponding to a plurality of degrees of freedom, and a plurality of joints corresponding to a plurality of degrees of freedom.
  • a slave manipulator in which redundant joints are included in the plurality of joints; and a control unit that controls the operation of the joint according to the operation command.
  • a posture change is calculated, and using the posture change, one of the joints in a redundant relationship is selected and driven every predetermined time.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a master-slave manipulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a first diagram illustrating a configuration example of a remote control device.
  • FIG. 2B is a second diagram illustrating a configuration example of the remote control device.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the slave manipulator.
  • FIG. 4A is a first diagram for describing the concept of joint selection according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a second diagram for explaining the concept of joint selection according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4C is a third diagram for explaining the concept of joint selection according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a first diagram for describing the concept of joint selection according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a second diagram for explaining the concept of joint selection according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4C is a third diagram for explaining the concept of joint selection according
  • FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the master-slave manipulator in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a first diagram illustrating a modification in which the redundant joint is a yaw axis joint.
  • FIG. 6B is a second diagram illustrating a modification in which the redundant joint is a yaw axis joint.
  • FIG. 7A is a first diagram illustrating a modification in which the redundant joint is a pitch axis joint.
  • FIG. 7B is a second diagram illustrating a modification in which the redundant joint is a pitch axis joint.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a slave arm in which joints in a redundant relationship are adjacent and can be driven independently.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a master-slave manipulator according to an embodiment of the present invention.
  • the master-slave manipulator according to this embodiment includes a remote control device 100, a control device 200, and a slave manipulator 300.
  • FIG. 1 shows an application example of the master-slave manipulator of this embodiment for medical use.
  • the master-slave manipulator of this embodiment can be applied to various uses other than medical uses.
  • the remote operation device 100 functions as a master in the master / slave manipulator.
  • the remote operation device 100 includes an operation unit 101 and a display unit 102.
  • the operation unit 101 includes a drive unit that includes a drive shaft configured by a rotation mechanism and a drive shaft configured by a linear motion mechanism. Further, a gripper unit 1011 is provided at the terminal end of the operation unit 101. The terminal portion of the operation unit 101 is a side that is gripped by the operator 10. In such a configuration, the operator 10 moves and rotates the operation unit 101 while operating the gripper unit 1011 while holding the gripper unit 1011, thereby operating the gripper unit 1011.
  • the drive shaft is driven.
  • the drive amount of each drive shaft is detected by a position detector (for example, an encoder) (not shown) provided on each drive shaft.
  • the drive amount of each drive shaft is a rotation angle when the drive shaft is a rotation mechanism, and is a displacement amount when the drive shaft is a linear motion mechanism.
  • the detection signal of each position detector is sent to the control device 200 as a signal (operation signal) indicating an operation command (operation information) of the operation unit 101 for commanding the position / posture of the hand of the slave arm 301 of the slave manipulator 300. Is output.
  • the operation unit 101 is provided with six drive shafts, and outputs operation signals corresponding to six degrees of freedom for calculating six command values by driving the six drive shafts. .
  • This operation signal includes signals related to position ( ⁇ 1 , d 1 , d 2 ) and signals related to posture ( ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 4 ).
  • the configuration of the operation unit 101 is not particularly limited as long as the operation unit 101 can instruct the position / posture of the hand of the slave arm 301.
  • the operation unit 101 may be provided with a sensor (for example, an acceleration sensor) for detecting horizontal three-axis translational movement and a sensor (for example, an angular velocity sensor) for detecting rotation around each axis.
  • the operation unit 101 can be configured as a hand-held type.
  • the operator 10 can give an operation signal corresponding to six degrees of freedom by moving or rotating the handheld operation unit 101 in the three-dimensional space.
  • FIG. 2B illustrates an example in which the operation signal obtained by the operation unit 101 can be wirelessly communicated via the wireless communication unit 103.
  • the operation signal obtained by the operation unit 101 may be wired.
  • the display unit 102 is configured by a liquid crystal display, for example, and displays an image based on an image signal input from the control device 200.
  • the image signal input from the control device 200 is obtained by processing the image signal obtained through the electronic camera (electronic endoscope) attached to the slave arm 301 in the control device 200.
  • the operator 10 of the remote operation device 100 confirms the image of the hand of the slave manipulator 300 arranged at a location away from the remote operation device 100. Is possible.
  • the control device 200 as a control unit includes a master control unit 201, a manipulator control unit 202, and an image processing unit 203.
  • the master control unit 201 calculates a command value for the position / posture of the hand of the slave arm 301 by kinematic calculation according to an operation signal corresponding to six degrees of freedom from the remote operation device 100.
  • the master control unit 201 selects one of the joints in the slave arm 301 in a redundant relationship as a driving joint according to an operation signal from the remote operation device 100. Then, the master control unit 201 outputs a joint selection signal indicating the selection result to the manipulator control unit 202 together with the position / posture command values.
  • being in a redundant relationship indicates a relationship in which the rotation axes of the joints are parallel to each other.
  • the manipulator control unit 202 receives the position / posture command value and the joint selection signal from the remote control device 100, and receives the position / posture of the slave arm 301 necessary for matching the position / posture of the hand of the slave arm 301 with the command value.
  • the driving amount of each joint is calculated by inverse kinematic calculation.
  • the slave arm 301 of the present embodiment is a joint corresponding to seven degrees of freedom, but each joint is driven with one joint as a fixed joint. For this reason, the number of joints calculated by the inverse kinematic calculation can be reduced and the inverse kinematic calculation can be simplified as compared with the case where all the driving amounts of 7 degrees of freedom are unknown.
  • the image processing unit 203 processes an image signal obtained from an electronic camera (such as an electronic endoscope) provided at the tip of the slave arm 301 and generates an image signal for display on the display unit 102. Then, the image processing unit 203 outputs the generated image signal to the display unit 102.
  • an electronic camera such as an electronic endoscope
  • the slave manipulator 300 has a slave arm 301 and an operating table 302.
  • the slave arm 301 has joints corresponding to seven degrees of freedom, and each joint is driven according to a control signal from the manipulator control unit 202.
  • FIG. 3 shows an example of the structure of the slave arm 301.
  • a slave arm 301 shown in FIG. 3 has seven joints 1 to 7 arranged in series, and a tip effector 3011 is attached to the tip.
  • the tip effector 3011 shown in FIG. 3 shows an example of a gripper.
  • a camera electronic endoscope
  • joints 1 and 4 are joints that rotate about the roll axis
  • joints 2 and 7 are joints that rotate about the yaw axis
  • joints 3 and 6 are joints that rotate about the pitch axis. It is.
  • the roll axis corresponds to the X axis of the master shown in FIG. 4C.
  • the yaw axis corresponds to the Z axis of the master shown in FIG. 4C.
  • the pitch axis corresponds to the Y axis of the master shown in FIG. 4C.
  • the joint 5 is a joint that expands and contracts along the roll axis.
  • all of the seven joints are independent.
  • FIG. 3 shows an example in which adjacent joints operate corresponding to different drive shafts.
  • the joint 1 for rolling the tip effector 3011 is provided as a redundant joint.
  • the inverse kinematic calculation is simplified by not driving the joint 1 and the joint 4 at the same time.
  • the operating table 302 is a table on which the patient 20 is placed.
  • the slave arm 301 is installed on the operating table 302.
  • the operator 10 holding the remote operation device 100 moves or rotates the operation unit 101 while gripping the gripper unit 1011 provided in the operation unit 101 of the remote operation device 100, or gripper unit 1011.
  • Each drive shaft constituting the operation unit 101 is driven.
  • the drive amount is detected by a position detector (not shown).
  • detection signals (operation signals) of the respective position detectors are output to the control device 200.
  • the operation signal is output every predetermined time ⁇ t.
  • the master control unit 201 of the control device 200 calculates a command value for the position / posture of the hand of the slave arm 301 in accordance with an operation signal corresponding to six degrees of freedom from the remote operation device 100. Further, the master control unit 201 selects one of the joints of the slave arm 301 in a redundant relationship as a driving joint and the rest as a fixed joint according to an operation signal from the remote operation device 100. Then, the master control unit 201 outputs a joint selection signal indicating the selection result to the manipulator control unit 202 together with the position / posture command values.
  • the slave arm 301 of the example of the present embodiment has, as a redundant joint, one roll shaft joint that can be driven independently of other joints in addition to the joint corresponding to six degrees of freedom. Have. With such a configuration, the slave arm 301 performs driving corresponding to seven degrees of freedom. In the case of performing inverse kinematic calculation for obtaining the drive amount of each joint of the slave arm 301 from the command value of the position and posture of the hand of the slave arm 301, the number of command values, the number of drive joints of the slave arm 301, and Can be determined uniquely by the inverse kinematics calculation. For this reason, the calculation itself is not so complicated.
  • the inverse kinematic calculation is performed with one of the joint 1 (Roll2), which is a redundant joint, and one of the joints 4 (Roll1) in a redundant relationship with the joint 1 as a fixed joint and the other as a driving joint.
  • Roll2 which is a redundant joint
  • Roll1 one of the joints 4
  • the joint selection signal is a signal for identifying the driving joint and the fixed joint in the manipulator control unit 202.
  • the posture change of the remote control device 100 is defined as follows. For example, it is assumed that the position of the operation unit 101 of the remote operation device 100 is a position O m (t) illustrated in FIG. 4A at a certain time t. Further, the attitude of the operation unit 101 at time t is set to X m (t), Y m (t), Z m (Z m (t) shown in FIG. 4A, respectively, as the master roll axis X m , master pitch axis Y m , and master yaw axis Z m .
  • the posture is in the direction of t). From this state, it is assumed that the position of the operation unit 101 is changed to the position O m (t + 1) illustrated in FIG. 4A at time t + 1 after the predetermined time ⁇ t has elapsed.
  • the attitude of the operation unit 101 at time t + 1 is set such that the master roll axis X m , the master pitch axis Y m , and the master yaw axis Z m are respectively X m (t + 1), Y m (t + 1), and Z m ( It is assumed that the posture is changed to face the direction of t + 1).
  • the posture change of the operation unit 101 at this time is a combination of rotation around the master roll axis X m (t), rotation around the master pitch axis Y m (t), and rotation of the master yaw axis Z m (t). Is. Furthermore, mathematically, it is possible to replace such rotation about three axes with rotation about one axis. In other words, as shown in FIG. 4B, when a certain rotation axis V r (t) is set, the posture change of the operation unit 101 between time t and time t + 1 causes the operation unit 101 to move around the rotation axis V r (t). Is equivalent to a rotation of ⁇ (t).
  • an equivalent rotation vector (also referred to as an equivalent rotation axis vector or the like).
  • the posture change of the operation unit 101 is determined using this equivalent rotation vector.
  • the operation of rolling the hand of the slave arm 301 is performed.
  • an operation of applying a needle is necessary during post-surgical suturing.
  • a needle is applied to a necessary part of the patient 20 while rolling the gripper as the tip effector 3011 attached to the hand of the slave arm 301.
  • the slave arm 301 controls the position / posture of the tip effector 3011 while cooperatively operating the seven joints.
  • Roll 1 which is a joint far from the tip effector 3011 is rolled
  • the tip effector 3011 is also rolled, but other joints are also greatly operated, and the joint of the slave arm 301 is moved to surrounding organs and the like. There may be a collision.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the flow of drive control of the slave arm 301 in accordance with the above-described concept.
  • the process of FIG. 5 is executed every predetermined time ⁇ t.
  • the master control unit 201 uses the input operation signal to represent an equivalent rotation vector V for representing a change in posture from time t to time t + 1.
  • r (t) and the master roll axis X m (t) at time t are calculated (step S1).
  • the master control unit 201 After calculating the equivalent rotation vector V r (t) and the master roll axis X m (t), the master control unit 201 determines that the angle ⁇ formed by V r (t) and X m (t) is less than a specified value. It is determined whether or not there is (step S2). In the determination of step S2, when the angle ⁇ is equal to or smaller than the specified value, that is, when V r (t) and X m (t) are substantially coincident, the master control unit 201 is attached with the tip effector 3011.
  • the joint (Roll2) that is present is the driving joint
  • the joint (Roll1) that is redundant with this joint is the fixed joint (step S3).
  • the master control unit 201 sets the joint (Roll2) to which the tip effector 3011 is attached as a fixed joint, and has a redundant relationship with this joint.
  • a certain joint (Roll1) is set as a driving joint (step S4).
  • the master control unit 201 After selecting which of Roll 1 and Roll 2 is to be the driving joint and which is to be the fixed joint, the master control unit 201 sets the Roll 1 and Roll 2 together with the command value for commanding the position / posture of the hand of the slave arm 301.
  • a joint selection signal indicating which is a driving joint and which is a fixed joint is transmitted to the manipulator control unit 202.
  • the manipulator control unit 202 performs inverse kinematic calculation in a state where either Roll 1 or Roll 2 is a fixed joint, and calculates the driving amount of each joint of the slave arm 301. Each joint here excludes joints that are fixed joints.
  • the manipulator control unit 202 drives each joint of the slave arm 301 according to the calculated drive amount (step S5).
  • various conventionally known methods such as analytical methods can be used. Here, the detailed description is omitted.
  • the remote operation is performed in the slave arm 301 having the joint Roll2 for rolling the tip effector 3011 as a redundant joint in addition to the joint for rolling the slave arm 301 itself. It is determined from an attitude change of the operation unit 101 of the apparatus 100 whether or not an instruction for an operation that mainly requires rolling, such as a hooking operation, has been issued. Then, as a result of this determination, when it can be determined that an instruction is given mainly to perform an operation that requires rolling (when the equivalent rotation vector V r (t) and the master roll axis X m (t) are substantially the same. ), The inverse kinematic calculation is performed with Roll2 as the driving joint and Roll1 as the fixed joint.
  • Inverse kinematic calculations are performed with Roll1 as the driving joint and Roll2 as the fixed joint.
  • the roll 1 and the roll 2 are selectively used according to the posture change of the operation unit 101 every predetermined time. Thereby, even if the remote control device and the slave arm have different structures, it is possible to reduce the load on the inverse kinematic calculation while reflecting the intention of the operation of the operator 10.
  • the roll 1 and roll 2 can be automatically used properly. Thereby, it is not necessary to switch a drive joint with a switch etc., and it is also possible to reduce the effort of the operator 10.
  • the posture change of the operation unit 101 is represented by an equivalent rotation vector V r (t). For this reason, it is possible to appropriately determine the posture change of the operation unit 101 with respect to the remote control device 100 having various structures.
  • the operation unit 101 of the remote operation device 100 has 6 degrees of freedom (position 3 degrees of freedom, posture 3 degrees of freedom), and the slave arm 301 has 7 degrees of freedom (position 3 degrees of freedom). , Posture 3 degrees of freedom, hand rolling).
  • the relationship between the degree of freedom of the operation unit 101 of the remote operation device 100 and the degree of freedom of the slave arm 301 is not limited to the above-described example.
  • the technique of the present embodiment described above can be applied even when the positional freedom is eliminated.
  • the case where the degree of freedom of position is eliminated is a case where the degree of freedom of the operation unit 101 is 3 degrees of freedom and the degree of freedom of the slave arm 301 is 4 degrees of freedom.
  • the example mentioned above has shown the example with one redundant joint
  • the number of redundant joints is not restricted to one.
  • the technique of the present embodiment can be applied even if another roll shaft joint is disposed between the joint 2 and the joint 3.
  • the joint arranged between the joint 2 and the joint 3 is always a driving joint.
  • the redundant joint to which the tip effector 3011 is attached is a roll shaft joint.
  • the tip effector 3011 is attached to the pitch axis joint as shown in FIG. 7A.
  • the above-described technique of the present embodiment can be applied.
  • the equivalent rotation vector V r (t) and Masutayo axis Z angle of m (t) ⁇ z (t ) Is equal to or less than a specified value.
  • the joint on the tip effector 3011 side (joint 1 in FIG. 6A) is set as the driving joint.
  • the equivalent rotation vector V r (t) and the angle of the master pitch axis Y m (t) ⁇ y ( t) ( FIG. 7B ⁇ y (t ) Is equal to or less than a specified value. If it is equal to or less than the specified value, the joint on the tip effector 3011 side (joint 1 in FIG. 7A) is set as the driving joint.
  • the redundant joint and the joint having a redundant relationship with the redundant joint are selected by the remote operation based on the equivalent rotation vector for representing the posture change of the remote operation device 100 and the structure of the slave arm 301.
  • the equivalent rotation vector for representing the posture change of the remote operation device 100 By determining an angle formed by a predetermined axis of the device 100, it is possible to perform the operation corresponding to the slave arm 301 having various structures.
  • the joint 1 when the joint 2 is rotated by 90 degrees, the joint 1 is equivalent to the yaw axis joint.
  • the determination in step S2 can be performed between the joint 1 and the joint 3. In this way, the determination in step S2 is not only performed between joints whose rotation axes are parallel in the initial state, but also in a mechanism having redundant degrees of freedom, for joints whose rotation axes are parallel during driving. Can be done between.
  • each example described above shows a slave arm 301 having a structure in which a joint having an independent relationship in which the rotation axis is orthogonal to the joint is disposed between joints having a rotation axis parallel to each other and a redundant relationship.
  • the joints constituting the slave arm 301 are driven independently, the joints in a redundant relationship may be arranged adjacent to each other.
  • the technique of the present embodiment described above can be applied to the joint 1 and the joint 2 even in the structure as shown in FIG.
  • the present invention has been described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are naturally possible within the scope of the present invention.
  • the above-described embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some configuration requirements are deleted from all the configuration requirements shown in the embodiment, the above-described problem can be solved, and this configuration requirement is deleted when the above-described effects can be obtained.
  • the configuration can also be extracted as an invention.

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Abstract

　マスタスレーブマニピュレータは、遠隔操作装置(100)と、スレーブマニピュレータ(300)と、制御部(200)とを含む。遠隔操作装置(100)は、複数の自由度に対応した操作指令を与える。スレーブマニピュレータ(300)は、複数の自由度に対応した複数の関節を有し、該複数の関節の中に冗長関節が含まれている。制御部(200)は、前記操作指令に従って、前記関節の動作を制御する。また、制御部(200)は、前記操作指令から前記遠隔操作装置の姿勢変化を算出し、該姿勢変化を用いて、所定時間毎に、前記関節のうちで冗長関係にある関節のうちの１つを選択して駆動する。

Description

マスタスレーブマニピュレータ
　本発明は、冗長関節を有するマスタスレーブマニピュレータに関する。
　近年、医療施設の省人化を図るため、ロボットによる医療処置の研究が行われている。特に、外科分野では、多自由度（多関節）アームを有するマニピュレータによって患者の処置をするマニピュレータシステムについての各種の提案がなされている。このようなマニピュレータシステムにおいて、患者の体腔に直接接触するスレーブマニピュレータを、遠隔操作装置によって遠隔操作できるようにしたマスタスレーブマニピュレータが知られている。
　内視鏡下手術で特に困難な針をかける動作を、マスタスレーブマニピュレータを用いて行う場合、スレーブアームの先端に取り付けられたグリッパーをローリングさせながら針がかけられる。このとき、先端にロール軸関節がないスレーブアームでは、先端に取り付けられたグリッパーをローリングさせるためのローリング動作に伴って他の関節を協調動作させる。この場合、多数の関節が動作して、周囲の臓器等に衝突する可能性が考えられる。これに対し、先端部に冗長関節を設けることにより、先端のみの位置・姿勢決めを可能としたマスタスレーブマニピュレータが例えば特開昭６３－２６７１７７号公報において提案されている。
　一般に、特開昭６３－２６７１７７号公報等の先端に冗長関節を有するマスタスレーブマニピュレータの場合、遠隔操作装置からの指令値に従ってスレーブアームの各関節の駆動量を計算するための逆運動学計算が複雑化する。このような場合、例えばスレーブアームの自由度と遠隔操作装置の自由度とを一致させ、スレーブアームの各関節を１対１で対応させるようにすれば逆運動学計算を簡略化することができる。しかしながら、通常、自由度の多い遠隔操作装置を片手で操作することは困難である。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、冗長関節を有するマスタスレーブマニピュレータにおいて、遠隔操作装置とスレーブアームとの構造が異なる構造であっても、逆運動学計算にかかる負荷を低減可能なマスタスレーブマニピュレータを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、一態様のマスタスレーブマニピュレータは、複数の自由度に対応した操作指令を与えるマスタとしての遠隔操作装置と、複数の自由度に対応した複数の関節を有し、該複数の関節の中に冗長関節が含まれるスレーブマニピュレータと、前記操作指令に従って、前記関節の動作を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、前記操作指令から前記遠隔操作装置の姿勢変化を算出し、該姿勢変化を用いて、所定時間毎に、前記関節のうちで冗長関係にある関節の１つを選択して駆動することを特徴とする。
図１は、本発明の一実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの全体構成を示す図である。 図２Ａは、遠隔操作装置の構成例を示す第１の図である。 図２Ｂは、遠隔操作装置の構成例を示す第２の図である。 図３は、スレーブマニピュレータの構成例を示す図である。 図４Ａは、本発明の一実施形態における関節選択の考え方について説明するための第１の図である。 図４Ｂは、本発明の一実施形態における関節選択の考え方について説明するための第２の図である。 図４Ｃは、本発明の一実施形態における関節選択の考え方について説明するための第３の図である。 図５は、本発明の一実施形態におけるマスタスレーブマニピュレータの動作を示すフローチャートである。 図６Ａは、冗長関節をヨー軸関節とした変形例を示す第１の図である。 図６Ｂは、冗長関節をヨー軸関節とした変形例を示す第２の図である。 図７Ａは、冗長関節をピッチ軸関節とした変形例を示す第１の図である。 図７Ｂは、冗長関節をピッチ軸関節とした変形例を示す第２の図である。 図８は、冗長関係にある関節が、隣接しており、独立して駆動可能なスレーブアームの構成例を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。　
　図１は、本発明の一実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータは、遠隔操作装置１００と、制御装置２００と、スレーブマニピュレータ３００と、を有している。図１は、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの医療用途への適用例である。しかしながら、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータは、医療用途以外の各種の用途に適用可能である。
　遠隔操作装置１００は、マスタスレーブマニピュレータにおけるマスタとして機能する。遠隔操作装置１００は、操作部１０１と、表示部１０２と、を有している。
　操作部１０１は、例えば図２Ａに示すように、回転機構より構成された駆動軸と、直動機構より構成された駆動軸と、を含む駆動部を有している。さらに、操作部１０１の終端部には、グリッパー部１０１１が設けられている。操作部１０１の終端部は、操作者１０によって把持される側とする。このような構成において、操作者１０が、グリッパー部１０１１を把持した状態で、操作部１０１を移動させたり、回転させたり、グリッパー部１０１１を操作したりすることにより、操作部１０１を構成する各駆動軸が駆動される。各駆動軸の駆動量は、各駆動軸に設けられた図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）によって検出される。各駆動軸の駆動量は、駆動軸が回転機構の場合には回転角であり、駆動軸が直動機構の場合には変位量である。各位置検出器の検出信号は、スレーブマニピュレータ３００のスレーブアーム３０１の手先の位置・姿勢を指令するための、操作部１０１の操作指令（操作情報）を示す信号（操作信号）として制御装置２００に出力される。図２Ａにおいて、操作部１０１は、駆動軸が６個設けられており、この６個の駆動軸の駆動によって、６個の指令値を算出するための６自由度に対応した操作信号を出力する。この操作信号は、位置に関する信号（θ１，ｄ１，ｄ２）と姿勢に関する信号（θ２，θ３，θ４）を含む。
　操作部１０１は、スレーブアーム３０１の手先の位置・姿勢を指令できるものであれば、その構成は特に限定されるものではない。例えば、操作部１０１に水平３軸の並進移動を検出するためのセンサ（例えば加速度センサ）と各軸周りの回転を検出するためのセンサ（例えば角速度センサ）を設けるようにしても良い。この場合、例えば図２Ｂに示すように、操作部１０１を手持ち式として構成することもできる。図２Ｂの例において、操作者１０が手持ち式の操作部１０１を３次元空間内で移動させたり、回転させたりすることで、６自由度に対応した操作信号を与えることが可能である。図２Ｂは、操作部１０１で得られた操作信号を、無線通信部１０３を経由して無線通信可能とした例を示している。勿論、図２Ｂの例において、操作部１０１で得られた操作信号を有線通信するようにしても良い。
　表示部１０２は、例えば液晶ディスプレイから構成され、制御装置２００から入力された画像信号に基づいて画像を表示する。後述するが、制御装置２００から入力される画像信号は、スレーブアーム３０１に取り付けられた電子カメラ（電子内視鏡）を介して得られた画像信号を、制御装置２００において処理したものである。このような画像信号に基づく画像を、表示部１０２に表示させることにより、遠隔操作装置１００の操作者１０は、遠隔操作装置１００から離れた場所に配置されたスレーブマニピュレータ３００の手先の画像を確認することが可能である。
　制御部としての制御装置２００は、マスタ制御部２０１と、マニピュレータ制御部２０２と、画像処理部２０３と、を有している。　
　マスタ制御部２０１は、遠隔操作装置１００からの６自由度に対応した操作信号に従って、運動学計算により、スレーブアーム３０１の手先の位置・姿勢の指令値を算出する。また、マスタ制御部２０１は、遠隔操作装置１００からの操作信号に従って、スレーブアーム３０１の各関節のうち冗長関係にある関節の中の１つを駆動関節として選択する。そして、マスタ制御部２０１は、この選択結果を示す関節選択信号を、位置・姿勢の指令値とともにマニピュレータ制御部２０２に出力する。　
　ここで冗長関係にあるとは、関節の回転軸がお互いに並行にある関係を示している。
　マニピュレータ制御部２０２は、遠隔操作装置１００からの位置・姿勢の指令値と関節選択信号とを受けて、スレーブアーム３０１の手先の位置・姿勢を指令値に一致させるために必要なスレーブアーム３０１の各関節の駆動量を、逆運動学計算によって算出する。後述するが、本実施形態のスレーブアーム３０１は、７自由度に対応した関節であるが、１つの関節を固定関節として各関節の駆動を行う。このため、７自由度の全ての駆動量が未知の場合よりも逆運動学計算で算出する関節数を低減でき、逆運動学計算を簡略化することができる。
　画像処理部２０３は、スレーブアーム３０１の先端に設けられた電子カメラ（電子内視鏡等）から得られた画像信号を処理し、表示部１０２の表示用の画像信号を生成する。そして画像処理部２０３は、生成した画像信号を表示部１０２に出力する。
　スレーブマニピュレータ３００は、スレーブアーム３０１と、手術台３０２とを有している。　
　スレーブアーム３０１は、７自由度に対応した関節を有し、マニピュレータ制御部２０２からの制御信号に従って各関節が駆動される。図３にスレーブアーム３０１の構造の一例を示す。図３に示すスレーブアーム３０１は、７個の関節１～７が連設して配置され、先端部に先端効果器（end effector）３０１１が取り付けられている。図３で示した先端効果器３０１１は、グリッパーの例を示している。この他、先端部にカメラ（電子内視鏡）等を取り付けても良い。
　図３に示す関節のうち、関節１、４はロール軸周りに回転する関節であり、関節２、７はヨー軸周りに回転する関節であり、関節３、６はピッチ軸周りに回転する関節である。ロール軸は、図４Ｃに示すマスタのＸ軸に対応している。ヨー軸は、図４Ｃに示すマスタのＺ軸に対応している。ピッチ軸は、図４Ｃに示すマスタのＹ軸に対応している。
また、関節５はロール軸に沿って伸縮する関節である。図３の例においては、７個の関節は全てが独立している。特に、図３は、隣り合う関節が異なる駆動軸に対応して動作する例を示している。
　図３に示した関節２～７を協調させながら駆動させることによって、スレーブアーム３０１における手先の位置の３自由度と姿勢の３自由度とが実現される。また、これらの関節に加えて図３では、先端効果器３０１１をローリングさせるための関節１を冗長関節として設けている。このような構成により、例えば、スレーブアーム３０１をローリングさせる場合において、先端側に遠い側である関節４をローリングさせるか、または、先端側に近い側である関節１をローリングさせるかを適時選択することが可能である。本実施形態では、関節１と関節４とは同時に駆動させないようにして逆運動学計算を簡略化する。
　手術台３０２は、患者２０が戴置される台であって、例えばこの手術台３０２にスレーブアーム３０１が設置される。
　以下、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの動作について説明する。遠隔操作装置１００を把持している操作者１０が、遠隔操作装置１００の操作部１０１に設けられたグリッパー部１０１１を把持した状態で、操作部１０１を移動させたり、回転させたり、グリッパー部１０１１を操作したりすることにより、操作部１０１を構成する各駆動軸が駆動される。各駆動軸が駆動されると、その駆動量が図示しない位置検出器によって検出される。そして、各位置検出器の検出信号（操作信号）が制御装置２００に出力される。操作信号は、所定時間Δｔ毎に出力される。
　制御装置２００のマスタ制御部２０１は、遠隔操作装置１００からの６自由度に対応した操作信号に従って、スレーブアーム３０１の手先の位置・姿勢の指令値を算出する。また、マスタ制御部２０１は、遠隔操作装置１００からの操作信号に従って、スレーブアーム３０１の各関節のうち冗長関係にある関節の中の１つを駆動関節とし、残りを固定関節として選択する。そして、マスタ制御部２０１は、選択結果を示す関節選択信号を、位置・姿勢の指令値とともにマニピュレータ制御部２０２に出力する。
　ここで、関節選択信号について説明する。図３で示したように、本実施形態の例のスレーブアーム３０１は、６つの自由度に対応した関節に加えて、他の関節と独立して駆動可能な１つのロール軸関節を冗長関節として有している。このような構成によってスレーブアーム３０１は、７自由度に対応した駆動を行う。スレーブアーム３０１の手先の位置・姿勢の指令値からスレーブアーム３０１の各関節の駆動量を求めるための逆運動学計算を行う場合において、指令値の数と、スレーブアーム３０１の駆動関節の数とが一致しているときには、逆運動学計算によって各関節の駆動量を一意に定めることができる。このため、計算自体もそれほど複雑にはならない。これに対し、遠隔操作装置１００の指令値の数よりもスレーブアーム３０１の駆動関節の数のほうが多くなると、収束計算を行わなければ、各関節の駆動量を一意に定めることができない。このため、計算が複雑化する。本実施形態では、冗長関節である関節１（Ｒｏｌｌ２とする）と、関節１と冗長関係にある関節４（Ｒｏｌｌ１とする）との一方を固定関節とし、他方を駆動関節として逆運動学計算を行うようにする。これにより、逆運動学計算の際には、７自由度のスレーブアーム３０１を実質的に６自由度のスレーブアーム３０１と考えることができる。このため、逆運動学計算にかかる負荷を軽減することができる。関節選択信号は、マニピュレータ制御部２０２において、駆動関節と固定関節とを識別するための信号である。
　Ｒｏｌｌ１とＲｏｌｌ２の何れを固定関節とするのかは、所定時間毎の遠隔操作装置１００の姿勢変化によって決定する。以下、この考え方について説明する。　
　まず、遠隔操作装置１００の姿勢変化について次のように定義する。例えば、ある時刻ｔにおいて、遠隔操作装置１００の操作部１０１の位置が、図４Ａに示す位置Ｏｍ（ｔ）であるとする。また、時刻ｔにおける操作部１０１の姿勢が、マスタロール軸Ｘｍ、マスタピッチ軸Ｙｍ、マスタヨー軸Ｚｍがそれぞれ、図４Ａに示すＸｍ（ｔ）、Ｙｍ（ｔ）、Ｚｍ（ｔ）の方向を向くような姿勢であるとする。この状態から、所定時間Δｔ経過後の時刻ｔ＋１において、操作部１０１の位置が、図４Ａに示す位置Ｏｍ（ｔ＋１）に変化したとする。また、時刻ｔ＋１における操作部１０１の姿勢が、マスタロール軸Ｘｍ、マスタピッチ軸Ｙｍ、マスタヨー軸Ｚｍがそれぞれ、図４Ａに示すＸｍ（ｔ＋１）、Ｙｍ（ｔ＋１）、Ｚｍ（ｔ＋１）の方向を向くような姿勢に変化したとする。このときの操作部１０１の姿勢変化は、マスタロール軸Ｘｍ（ｔ）周りの回転と、マスタピッチ軸Ｙｍ（ｔ）周りの回転と、マスタヨー軸Ｚｍ（ｔ）の回転とを合成したものである。さらに、数学的には、このような３つの軸周りの回転を、１つの軸周りの回転に置き換えることが可能である。言い換えれば、図４Ｂに示すように、ある回転軸Ｖｒ（ｔ）を設定すると、時刻ｔから時刻ｔ＋１の間の操作部１０１の姿勢変化は、操作部１０１を回転軸Ｖｒ（ｔ）周りにθ（ｔ）だけ回転させたものと等価である。一般に、このような回転軸Ｖｒ（ｔ）を表わすベクトルを、等価回転ベクトル（等価回転軸ベクトル等とも呼ばれる）と言う。本実施形態では、この等価回転ベクトルを用いて、操作部１０１の姿勢変化を判定する。
　ここで、スレーブアーム３０１の手先をローリングさせる動作を行う場合を考える。例えば、内視鏡下手術においては、術後の縫合の際に針をかける動作が必要となる。このような針かけ動作においては、スレーブアーム３０１の手先に取り付けられた先端効果器３０１１としてのグリッパーをローリングさせながら患者２０の必要な部位に針をかける。上述したように、スレーブアーム３０１は、７つの関節を協調動作させながら、先端効果器３０１１の位置・姿勢を制御する。このとき、先端効果器３０１１から遠い関節であるＲｏｌｌ１をローリングさせると、先端効果器３０１１のローリングも行われる反面、その他の関節も大きく動作してしまってスレーブアーム３０１の関節が周囲の臓器等に衝突してしまう場合があり得る。
　このため、針かけ動作のような、主にローリング動作が必要な場合には、他の関節が不必要に動作しないよう、スレーブアーム３０１の手先に近い側の関節であるＲｏｌｌ２をローリングさせることが望ましい。この場合には、Ｒｏｌｌ１を固定関節としても特に問題はない。そして、Ｒｏｌｌ１を固定関節とすることにより、逆運動学計算を簡略化することが可能となる。一方、Ｒｏｌｌ１を固定関節とすると、スレーブアーム３０１の手先の位置・姿勢の取り得る範囲が大きく制限される。このため、ローリング以外の回転も必要な動作の場合には、Ｒｏｌｌ１をローリングさせることが望ましい。この場合には、Ｒｏｌｌ２は固定関節としても特に問題はない。そして、Ｒｏｌｌ２を固定関節とすることにより、逆運動学計算を簡略化することが可能となる。
　操作部１０１の操作によって主に先端のロール軸関節を動作させるよう指令されたか否かは、図４Ｃに示す、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とのなす角φ（ｔ）によって判別することができる。等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とが一致（φ（ｔ）＝０）していれば、時刻ｔから時刻ｔ＋１の間の操作部１０１の姿勢変化は、ローリングによる姿勢変化のみであると考えることができる。この場合には、操作部１０１により、スレーブアーム３０１の手先のローリングのみが必要な動作が指令されたと考えることができる。実際には、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とが完全に一致する場合だけでなく、他の動作も入るけれども主に手先のローリング操作である場合も含めるようにする。このため、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とのなす角φ（ｔ）にある規定値を設定し、φ（ｔ）がこの規定値以下の場合には、先端のロール軸関節を主に動かす操作とみなす。
　図５は、以上のような考え方に従ったスレーブアーム３０１の駆動制御の流れについて示すフローチャートである。図５の処理は、所定時間Δｔ毎に実行される。図５の処理において、遠隔操作装置１００から操作信号が入力されると、マスタ制御部２０１は、入力された操作信号から、時刻ｔから時刻ｔ＋１の間の姿勢変化を表わすための等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）と、時刻ｔにおけるマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とを算出する（ステップＳ１）。
　等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とを算出した後、マスタ制御部２０１は、Ｖｒ（ｔ）とＸｍ（ｔ）とのなす角φが規定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２の判定において、角度φが規定値以下である、即ちＶｒ（ｔ）とＸｍ（ｔ）とが略一致している場合に、マスタ制御部２０１は、先端効果器３０１１が取り付けられている関節（Ｒｏｌｌ２）を駆動関節とし、この関節と冗長関係にある関節（Ｒｏｌｌ１）を固定関節とする（ステップＳ３）。一方、ステップＳ２の判定において、角度φが規定値を越えている場合に、マスタ制御部２０１は、先端効果器３０１１が取り付けられている関節（Ｒｏｌｌ２）を固定関節とし、この関節と冗長関係にある関節（Ｒｏｌｌ１）を駆動関節とする（ステップＳ４）。
　Ｒｏｌｌ１とＲｏｌｌ２の何れを駆動関節とし、何れを固定関節とするかを選択した後、マスタ制御部２０１は、スレーブアーム３０１の手先の位置・姿勢を指令するための指令値とともに、Ｒｏｌｌ１とＲｏｌｌ２の何れを駆動関節とし、何れを固定関節とするかを示す関節選択信号を、マニピュレータ制御部２０２に送信する。これを受けてマニピュレータ制御部２０２は、Ｒｏｌｌ１とＲｏｌｌ２の何れかを固定関節とした状態で逆運動学計算を行ってスレーブアーム３０１の各関節の駆動量を算出する。ここでの各関節は、固定関節とした関節は除く。そして、マニピュレータ制御部２０２は、算出した駆動量に従ってスレーブアーム３０１の各関節を駆動する（ステップＳ５）。なお、逆運動学計算については、例えば解析的な手法等の従来周知の各種の手法を用いることができる。ここでは、その詳細についての説明は省略する。
　以上説明したように、本実施形態によれば、スレーブアーム３０１自体をローリングさせるための関節に加えて、先端効果器３０１１をローリングさせるための関節Ｒｏｌｌ２を冗長関節として有するスレーブアーム３０１において、遠隔操作装置１００の操作部１０１の姿勢変化から、針かけ動作のような、主にローリングが必要な動作の指示がなされたかが判別される。そして、この判別の結果、主にローリングが必要な動作をさせるように指示されたと判別できる場合（等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とが略一致している場合）には、Ｒｏｌｌ２を駆動関節、Ｒｏｌｌ１を固定関節として逆運動学計算が行われる。一方、ローリング以外の姿勢変化も必要な動作をさせるように指示されたと判別できる場合（等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタロール軸Ｘｍ（ｔ）とが略一致していない場合）には、Ｒｏｌｌ１を駆動関節、Ｒｏｌｌ２を固定関節として逆運動学計算が行われる。このように、本実施形態では、所定時間毎の操作部１０１の姿勢変化に応じて、Ｒｏｌｌ１とＲｏｌｌ２との使い分けが行われる。これにより、仮に遠隔操作装置とスレーブアームとの構造が異なる構造であっても、操作者１０の操作の意図を反映しつつ、逆運動学計算にかかる負荷を低減することができる。また、本実施形態では、Ｒｏｌｌ１とＲｏｌｌ２との使い分けを自動的に行うことができる。これにより、スイッチなどにより駆動関節を切り替える必要がなく、操作者１０の手間を軽減することも可能である。
　また、本実施形態では操作部１０１の姿勢変化を等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）により表わすようにしている。このため、種々の構造の遠隔操作装置１００に対して、操作部１０１の姿勢変化を適切に求めることが可能である。
　ここで、上述した例では、遠隔操作装置１００の操作部１０１の自由度が６自由度（位置３自由度、姿勢３自由度）、スレーブアーム３０１の自由度が７自由度（位置３自由度、姿勢３自由度、手先のローリング）の例を示している。これに対し、遠隔操作装置１００の操作部１０１の自由度とスレーブアーム３０１の自由度との関係は上述した例に限るものではない。例えば位置の自由度をなくした場合であっても、上述した本実施形態の技術を適用できる。位置の自由度をなくした場合とは、操作部１０１の自由度が３自由度で、スレーブアーム３０１の自由度が４自由度の場合である。さらに、上述した例は、冗長関節が１つの例を示しているが、冗長関節の数は１つに限るものではない。例えば、図３において、関節２と関節３との間に別のロール軸関節が配されても本実施形態の技術を適用できる。この場合には、関節２と関節３の間に配される関節を常に駆動関節とする。
　また、図３の例では、先端効果器３０１１が取り付けられている冗長関節をロール軸関節としている。これに対し、例えば、図６Ａに示すように、先端効果器３０１１がヨー軸関節に取り付けられた構造であっても、また図７Ａに示すように、先端効果器３０１１がピッチ軸関節に取り付けられた構造であっても、上述した本実施形態の技術を適用できる。ただし、図６Ａの構造の場合には、ステップＳ２の判定において、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタヨー軸Ｚｍ（ｔ）のなす角φｚ（ｔ）（図６Ｂにφｚ（ｔ）を示している）が規定値以下か否かを判定し、規定値以下の場合には先端効果器３０１１側の関節（図６Ａの関節１）を駆動関節とする。また、図７Ａの構造の場合には、ステップＳ２の判定において、等価回転ベクトルＶｒ（ｔ）とマスタピッチ軸Ｙｍ（ｔ）のなす角φｙ（ｔ）（図７Ｂにφｙ（ｔ）を示している）が規定値以下か否かを判定し、規定値以下の場合には先端効果器３０１１側の関節（図７Ａの関節１）を駆動関節とする。このように、本実施形態における、冗長関節と、冗長関節と冗長関係にある関節との選択は、遠隔操作装置１００の姿勢変化を表わすための等価回転ベクトルと、スレーブアーム３０１の構造によって遠隔操作装置１００に予め定められた軸と、のなす角を判定することにより、種々の構造のスレーブアーム３０１に対応して行うことが可能である。
　ここで、図７Ａ、図７Ｂの例において、関節２を９０度回転させた場合、関節１はヨー軸関節と等価となる。このような場合には、関節１と関節３との間で、ステップＳ２の判定を行うことも可能である。このように、ステップＳ２の判定は、初期状態で回転軸が平行になっている関節同士で行うだけではなく、冗長自由度を有する機構において、駆動中に回転軸同士が平行となった関節の間で行うことができる。
　また、上述した各例は、回転軸が平行で冗長関係にある関節の間に、この関節に対して回転軸が直交した独立な関係にある関節が配置される構造のスレーブアーム３０１を示している。実際には、スレーブアーム３０１を構成する各関節が独立して駆動されるのであれば、冗長関係にある関節が隣接して配置されても良い。例えば、図８のような構造であっても、関節１と関節２とに対して上述した本実施形態の技術を適用可能である。
　以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。また、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

Claims (7)

  1. 　複数の自由度に対応した操作指令を与えるマスタとしての遠隔操作装置と、
    　複数の自由度に対応した複数の関節を有し、該複数の関節の中に冗長関節が含まれるスレーブマニピュレータと、
    　前記操作指令に従って、前記関節の動作を制御する制御部と、
    　を具備し、
    　前記制御部は、前記操作指令から前記遠隔操作装置の姿勢変化を算出し、該姿勢変化を用いて、所定時間毎に、前記関節のうちで冗長関係にある関節の１つを選択して駆動することを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。
  2. 　前記制御部は、前記姿勢変化を表わすための軸と前記遠隔操作装置の予め定められた軸とのなす角度から、前記関節のうちで冗長関係にある関節の１つを選択して駆動することを特徴とする請求項１に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
  3. 　前記姿勢変化を表わすための軸は、前記姿勢変化を、姿勢変化前から姿勢変化後の回転とみた場合の回転軸に対応していることを特徴とする請求項２に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
  4. 　前記冗長関係にある関節の間には、前記関節の軸と直交する回転軸を有する関節が存在していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
  5. 　前記冗長関係にある関節は、隣接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
  6. 　前記制御部は、前記姿勢変化を表わすための軸と前記遠隔操作装置の予め定められた軸とのなす角度が規定値以下の場合に、前記冗長関係にある関節のうち、前記スレーブマニピュレータの先端側に最も近い関節を選択して駆動し、前記姿勢変化を表わすための軸と前記遠隔操作装置の予め定められた軸とのなす角度が前記規定値を越える場合に、前記冗長関係にある関節のうち、前記スレーブマニピュレータの先端側から最も遠い関節を選択して駆動することを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
  7. 　前記制御部は、前記関節のうちで冗長関係にある関節のうちの選択しなかった関節を固定関節として、残りの関節の駆動量を逆運動学計算によって算出することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
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