JP2008173724A - マスタ・スレーブ式マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムにおいて、モニタや操作入力装置の配置に制限がない簡単な構成で、直感的な操作を可能とすること。
【解決手段】マスタ・スレーブ式マニピュレータシステム１は、マニピュレータ１３４、カメラ１４６、モニタ１５２、操作入力装置１００、マニピュレータコントローラ１２２、マスタコントローラ１０４を備える。マスタコントローラ１２２は、操作入力装置１００による指示に基づいて操作指令情報を取得する操作指令情報取得部１０６と、操作指令情報を位置移動指令情報と姿勢指令情報とに分離する取得情報分離部１１０と、姿勢指令情報に基づいて位置移動指令情報を補正して位置移動指令補償情報を出力する移動方向補償コントローラ１１６とを備える。マニピュレータコントローラ１２２は位置移動指令補償情報及び姿勢指令情報に基づいてマニピュレータ１３４の位置姿勢を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムに関する。

操作入力装置をオペレータが操作し、その操作に従ってマニピュレータが動作するマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムが数多く開発されている。

従来のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムとしては、特公平７−９０４９２号公報（特許文献１）、特許第３５８３７７７号公報（特許文献２）及び国際公開番号ＷＯ／６０５２１号公報（特許文献３）等が挙げられる。

特許文献１では、カメラの光軸方向を検出し、視覚座標変換により、視点の移動に関わらず、常に画面内のマニピュレータ本体の進行方向と操作入力装置の操作方向とを一致させるようにしている。

また、特許文献２では、マニピュレータとカメラとモニタと操作者と操作入力装置の位置関係を工夫し、座標系を実質的に同じになるように構成している。

さらに、特許文献３では、モニタと操作入力装置の位置を規定し、カメラ座標に基づいたマスタ・スレーブ操作制御を実現している。

特公平７−９０４９２号公報 特許第３５８３７７７号公報 国際公開番号ＷＯ／６０５２１号公報

マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムでは、一般的に、マニピュレータから離れた位置から操作者が操作入力装置を操作してマニピュレータを動かすことが多い。このため、カメラによって撮像されたマニピュレータの画像をモニタ上で見ながら操作者が操作できるようになっている。この場合、関連する座標系は、マニピュレータの座標系、カメラの座標系、モニタ上の座標系、操作入力装置の座標系、操作者の座標系等のいくつもの座標系が混在する。

このため、操作者が操作を行う際、それぞれの座標系間の関係を理解し、操作方法に慣れる必要があり、直感的な操作とは言い難かった。特に、マニピュレータの先端の位置を指令するだけでなく、姿勢についても操作入力装置で指令を行う場合、多数の自由度を操作することになり、操作者が操作しにくいという課題があった。

さらに、マニピュレータ手先部の姿勢と操作入力装置の姿勢とが異なっている状態からの操作する場合においては、操作者は位置や姿勢の指令方向の対応を理解することが難しく慣れるまでに長時間が必要であった。

これに対し、操作入力装置にアクチュエータを設置し、マニピュレータ手先部の姿勢と操作入力装置の姿勢とが常に一致するように制御することが考えられる。しかし、この方法では、マニピュレータの動作は容易となるが、操作入力装置を操作する操作者の手首が操作困難となるような位置姿勢が生じる場合がある。また、複数のマニピュレータを一人の操作者が操作する場合は、複数のマニピュレータ全ての姿勢に対応した操作入力装置を複数作ることは装置が大型化し、操作もしづらいという問題が生ずる。そこで、マニピュレータの姿勢と操作入力装置の姿勢が異なっていても、直感的に操作が可能となる方法が必要であることが分かった。

これらの問題は、特に３次元立体視が可能なカメラとモニタを用いた時に顕著に現れる。立体視モニタは作業対象部及びマニピュレータを３次元的に表示するが、その３次元表示と実物との位置姿勢にオフセットがある場合、操作者に混乱を及ぼすことがある。これに対し、現実の作業対象部と同じ姿勢で表示されるように立体視モニタの設置姿勢を定めるか、立体視モニタの裏側に操作入力装置を配置して、操作入力装置操作インタフェースの姿勢と立体視モニタに映されるマニピュレータ手先部の姿勢を一致させる方法によって、これらの問題は解決されるが、モニタや操作入力装置の位置姿勢が定められてしまい、自由な配置や小型化が困難となる。

なお、特許文献１では、位置の指令に関してはモニタ画面内の移動方向と操作入力装置の移動方向が一致するようになっているが、マニピュレータ先端の姿勢に関しては考慮されていなかった。また、特許文献２及び特許文献３では、モニタや操作入力装置の配置が限られており、自由な配置にすることが困難であった。

本発明の目的は、モニタや操作入力装置の配置に制限がない簡単な構成で、直感的な操作を可能なマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムを提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、マニピュレータ手先部を有するマニピュレータと、前記マニピュレータと前記マニピュレータの作業対象部とを撮像するカメラと、前記カメラが撮像して提示する画像を表示するモニタと、前記マニピュレータを操作するための指示をする操作入力装置と、前記操作入力装置の指示に基づいて制御指令情報を生成して出力するマスタコントローラと、前記マスタコントローラから出力された制御指令情報に基づいて前記マニピュレータの位置姿勢を制御するマニピュレータコントローラと、を備えたマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムであって、前記マスタコントローラは、前記操作入力装置による指示に基づいて操作指令情報を取得する操作指令情報取得部と、前記操作指令情報を位置移動指令情報と姿勢指令情報とに分離する取得情報分離部と、前記姿勢指令情報に基づいて前記位置移動指令情報を補正して位置移動指令補償情報を出力する移動方向補償コントローラと、を備え、前記マニピュレータコントローラは前記位置移動指令補償情報及び前記姿勢指令情報に基づいて前記マニピュレータの位置姿勢を制御するように構成されていることにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記マニピュレータ手先部は６自由度の位置姿勢を有するように構成され、前記操作指令情報取得部は前記操作入力装置による指示に基づいて６自由度の操作指令情報を取得するように構成され、前記取得情報分離部は前記操作指令情報を３自由度の位置移動指令情報と３自由度の姿勢指令情報とに分離するように構成されていること。
（２）前記マニピュレータ手先部の姿勢を時々刻々に計算し、この時々刻々に算出されたマニピュレータ手先部の姿勢を基準として前記位置移動指令情報を補正するように構成されていること。
（３）前記操作入力装置は先端部に入力装置把持部を備えており、前記移動方向補償コントローラは、前記入力装置把持部の姿勢を時々刻々に計算し、この時々刻々に算出された入力装置把持部姿勢を基準とした前記操作入力装置の移動量及び変化姿勢を算出し、この算出された前記操作入力装置の移動量及び変化姿勢を用いて前記マニピュレータ手先部の座標を時々刻々に計算するように構成されていること。
（４）前記操作入力装置は３つの直動関節及び３つの回転関節を有する移動機構と各関節値が取得可能なエンコーダやポテンショメータ等のセンサとを備え、前記操作指令情報取得部は前記センサで取得した位置姿勢の電気信号に基づいて６自由度の操作指令情報を取得するように構成されていること。
（５）前記操作入力装置は前記移動機構の先端部に当該移動機構を手動操作するための入力装置把持部を備えており、前記操作指令情報取得部は前記センサで取得した電気信号に基づいて入力装置把持部の位置姿勢を取得するように構成されていること。
（６）前記マニピュレータは複数台設置され、前記操作入力装置は双腕型操作入力装置で構成されていること。
（７）前記マニピュレータ手先部が術具であり、前記カメラが立体内視鏡であり、前記入力装置把持部は前記術具の開閉操作をするためのグリップ開閉機構を有していること。

本発明のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムによれば、モニタや操作入力装置の配置に制限がない簡単な構成で、直感的な操作を可能である。

以下、本発明の一実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムについて図１から図５を参照しながら説明する。

まず、本実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム１の全体について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム１の全体構成図である。本実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム１は、手術支援マスタ・スレーブマニピュレータシステムを構成するものである。

マスタ・スレーブ式マニピュレータシステム１は、マニピュレータ１３４、１３６、１３８、カメラ１４６、モニタ１５２、操作入力装置１００、マニピュレータコントローラ１２２、及びマスタコントローラ１０４を備えている。

マニピュレータ１３４、１３６は、マニピュレータ手先部１４２、１４４が６自由度の位置姿勢を有するように構成され、複数台（図示例では２台）設置されている。マニピュレータ手先部１４２、１４４は体腔内に挿入されて使用される術具で構成されている。マニピュレータ１３８は保持したカメラ１４６が６自由度の位置姿勢を有するように構成されている。カメラ１４６はマニピュレータ１３４、１３６とその作業対象部１４８とを撮像するようにマニピュレータ１３８で移動可能となっている。カメラ１４６は立体内視鏡であり、作業対象部１４８は患部である。モニタ１５２はカメラ１４６が撮像して提示する画像を画面に表示する表示部である。

操作入力装置１００はマニピュレータ１３４、１３６、１３８を操作する指示をするための入力装置である。マスタコントローラ１０４は操作入力装置１００による指示に基づいて制御指令情報を生成してマニピュレータコントローラ１２２に出力するコントローラである。マニピュレータコントローラ１２２はマスタコントローラ１０４の制御指令情報に基づいてマニピュレータ１３４、１３６、１３８の位置姿勢を制御するコントローラである。

そして、マスタコントローラ１０４は、操作指令情報取得部１０６、取得情報分離部１１０及び移動方向補償コントローラ１１６を備えている。操作指令情報取得部１０６は操作入力装置１００による指示に基づいて６自由度の操作指令情報を取得するための取得部である。取得情報分離部１１０は操作指令情報を３自由度の位置移動指令情報と３自由度の姿勢指令情報とに分離するための分離部である。移動方向補償コントローラ１１６は姿勢指令情報に基づいて位置移動指令情報を補正して位置移動指令補償情報を出力するための補償コントローラである。

また、マニピュレータコントローラ１２２は位置移動指令補償情報及び姿勢指令情報に基づいてマニピュレータ１３４、１３６の位置姿勢を制御するように構成されている。

操作者（術者）１５４は、カメラ１４６によって撮像される作業対象部１４８やマニピュレータ手先部１４２、１４４をモニタ１５２で見ながら、操作入力装置１００を操作してマニピュレータ手先部１４２、１４４を動かすことにより、作業対象部１４８に対して何らかの作業を行う。なお、本実施形態では、操作入力装置１００は、双腕型になっており、２台のマニピュレータ１３４、１３６をそれぞれ操作することができるが、操作入力装置１００及びマスタコントローラ１０４を１台分しか図示していない。

操作入力装置１００によって指示された位置姿勢は、操作入力装置の図示していないエンコーダ電気信号として、通信路１０２を経由してマスタコントローラ１０４の操作指令情報取得部１０６に送られる。エンコーダ電気信号は、操作指令情報取得部１０６にて位置姿勢情報である６自由度の操作指令情報に変換され、通信路１０８を通して取得情報分離部１１０に送られる。

操作指令情報は、取得情報分離部１１０で、位置に関する情報と姿勢に関する情報とに分けられる。位置に関する情報は３自由度の位置移動指令情報１１２、姿勢に関する情報は３自由度の姿勢指令情報１１４として、取得情報分離部１１０から移動方向補償コントローラ１１６に送られる。

移動方向補償コントローラ１１６に送られた位置移動指令情報１１２及び姿勢指令情報１１４は、移動方向補償コントローラ１１６で図４を参照して後述する補償方法を用いて位置移動指令補償情報１１８に変換され、マニピュレータコントローラ１２２に送られる。また、取得情報分離部１１０から出力された姿勢指令情報１１４はマニピュレータコントローラ１２２にも送られる。

マニピュレータコントローラ１２２では、この位置移動指令補償情報１１８及び姿勢指令情報１１４によりマニピュレータ手先部１４２、１４４の位置姿勢を動かすように制御する。なお、カメラ１４６はマニピュレータ１３８によって保持されており、操作入力装置１００、マスタコントローラ１０４及びマニピュレータコントローラ１２２を用いてマニピュレータ手先部１４２、１４４と同様に操作することができる。

次に、図２を参照しながら、操作入力装置１００に関して具体的に説明する。図２は操作者１５４が操作入力装置１００によりマニピュレータ１３４、１３６、１３８の操作を行っている本実施形態の様子を示す斜視図である。

操作者１５４は、椅子２３０に座り、肘置き２３５に肘あるいは前腕を置き、操作入力装置１００の入力インタフェースである入力装置把持部２００を握る。操作者１５４は、モニタ１５２を見ながら入力装置把持部２００を動かすことにより、術者参照モニタ１５２上に表示されているマニピュレータ手先部１４２、１４４あるいはモニタ１５２に画像を送っているカメラ１４６を動かすことができる。なお、モニタ１５２は、３次元立体視モニタが好ましいが、２次元モニタでもよい。

入力装置把持部２００は、リンク３１０、３２０、３３０、ロッド３３５、リニアガイド３７０、固定具３５５等の移動機構を経由して操作卓２４０に繋がっている。それぞれの部材同士は回転関節あるいは直動関節として繋がっており、図示していないエンコーダやポテンショメータにより各関節値が取得できる。図２では入力装置把持部２００は術者の右腕用しか図示されていないが、同様の入力インタフェースは左腕用にもある。

なお、肘置き２３５は、操作卓２４０の中央の柱から伸びて設置されているが、操作入力装置１９０の動作範囲とは物理的に干渉しないように配置されている。操作卓２４０の中央柱と肘置き２３５をつないでいる部材上には、図示していないが操作入力装置１００へのコマンド入力用スイッチや情報提示用ランプ等が設置されている。

次に、図３を参照しながら、操作入力装置１００に関してさらに説明する。図３は本実施形態における操作卓を省いた双腕型の操作入力装置１００の一方の腕の全景を示す斜視図である。他方の腕に関しては基本的に同一であるため、図示及び重複する説明を省略する。

操作卓２４０（図２参照）の背面にはベース３８５が移動可能に取り付けられている。ベース３８５の背面にリニアガイドレール３８０が固定して設置されている。ベース３７５は、リニアガイドレール３８０上を矢印３７８方向（水平方向）に動くように設けられている。

ベース３７５の背面にはリニアガイドレール３７０が固定して設置されている。ロッド３６０は、ベース３７５上に設置されたリニアガイド３７０上を、矢印３６３方向（上下方向）に直動するように設けられている。ロッド３６０には固定具３５５を介してベース３５０が固定されている。

ベース３５０に対しロッド３３５がリニアガイド３４５に沿って矢印３３７方向（前後方向）に直動するように設けられている。ロッド３３５には固定具３３０が取り付けられている。この固定具３３０は軸３２５を介してリンク３２０と接続されている。ロッド３３５に取り付けられた固定具３３０は軸３２５を介してリンク３２０と接続されている。リンク３２０は軸３２５を介して固定具３３０に対する回転関節となっている。リンク３２０は軸３１５を回転軸としてリンク３１０と接続されている。リンク３１０は軸３１５を介してリンク３２０に対する回転関節となっている。リンク３１０は軸３０５を介して入力装置把持部２００と接続されている。入力装置把持部２００は軸３０５を介してリンク３１０に対する回転関節となっている。入力装置把持部２００は移動機構を手動操作するためのものである。

操作入力装置１００は直動関節数３、回転関節数３で構成されており、操作者１５４は位置姿勢６自由度を容易に入力することができる。なお、入力装置把持部２００には、マニピュレータ手先部１４２を開閉させるグリップ開閉機構がついている。操作入力装置１００は、リンク３１０、３２０や入力装置把持部２００の大きさを工夫することにより、操作者１５４が手首を動かして姿勢を入力した際、直動３３７、３６３、３７８には運動が伝わらず、回転軸３２５、３１５、３０５のみが回転し、姿勢指令情報を容易に取得することができるようになっている。同様に、位置指令情報は、直動３３７、３６３、３７８の値を取得するだけで容易に計算可能となっている。なお、各関節には、図示していない回転エンコーダやリニアエンコーダ等のセンサが取り付けられており、それぞれの値を読むことによって、関節値を取得できる。

係る操作入力装置１００を用いることにより、取得情報分離部１０６で容易に位置移動指令情報１１２と姿勢指令情報１１４とを分離できるようになっている。操作入力装置の運動学を解くことにより、位置移動指令情報１１２と姿勢指令情報１１４とを分離取得するようにしてもよい。

矢印３６３、３３７に対応する直動関節には、操作入力装置の自重を補償するために、図示していない定荷重バネを配置してある。これによって、操作者は入力装置把持部２００を持って操作を行う際、操作入力装置の自重を気にすることなく自由な操作を可能である。

次に、図４を参照しながら、移動方向補償コントローラ１１６が実施する補償方法について説明する。図４は本実施形態における入力装置把持部２００とマニピュレータ手先部１４２との移動の対応関係を説明する斜視模式図である。

以後、ある剛体姿勢を示す座標系を｛座標系｝と表し、絶対座標系を例えば｛Ｏ｝とした場合の｛Ｏ｝から見た例えば｛Ｋ｝の座標系の姿勢を^Ｏ _ＫＲ、｛Ｏ｝から見た例えば｛Ｌ｝の座標系の姿勢を^Ｏ _ＬＲと表す。同様に、剛体の位置と姿勢を示す同次変換行列を^Ｏ _ＫＨ、^Ｏ _ＬＨ等と表す。また、｛Ｋ｝座標系で表すベクトルを^Ｋｐと表す。さらには、入力装置把持部２００に把持部基準の座標系｛Ｅ｝を設定し、このときの基本ベクトルをＸｅ、Ｙｅ、Ｚｅと表す。同様に、マニピュレータ手先部１４２にマニピュレータ手先部基準の座標系｛Ｆ｝を設定し、このときの基本ベクトルをＸｆ、Ｙｆ、Ｚｆと表す。

入力装置把持部２００が４００の位置姿勢にあり、マニピュレータ手先部１４２が４１０の位置姿勢にあるとする。マニピュレータ手先部１４２を４１０の位置姿勢から４１５の位置姿勢に動かすために、入力装置把持部２００を４００の位置姿勢から４０５の位置姿勢に動かす。ここで、４００の位置での入力装置把持部２００の姿勢を示す座標系を｛Ａ｝、４０５の位置での入力装置把持部２００の姿勢を示す座標系を｛Ｂ｝と置く。また、４１０の位置でのマニピュレータ先端部１４２の姿勢を示す座標系を｛Ｃ｝、４１５の位置でのマニピュレータ先端部１４２の姿勢を示す座標系を｛Ｄ｝と置く。

入力装置把持部２００は、図３で説明したように、リンク等で繋がっているので、運動学を計算することにより操作入力装置絶対座標系｛Ｍ｝での４００の位置^Ｍｐ及び姿勢^Ｍ _ＡＲが取得できる。

入力装置把持部２００を４０５に移動したときの位置姿勢も、リンク等の関節値から運動学を解いて、位置^Ｍｒ、姿勢^Ｍ _ＢＲが取得できる。これより、入力装置把持部２００の４００から４０５への位置姿勢の変化は、同次変換行列^Ａ _ＢＨとして示すと、次の式（１）のように書ける。

同様に、マニピュレータ手先部１４２の４１０の位置姿勢もマニピュレータ１３４の運動学を解くことにより、マニピュレータ絶対座標系｛Ｓ｝での値として、位置^Ｓｔ、姿勢^Ｓ _ＣＲが取得できる。同次変換行列^Ｓ _ＣＨとして示すと、次の式（２）のように書ける。

従来の手法では、マニピュレータ手先部１４２を移動させる目標位置４１５でのマニピュレータ絶対座標｛Ｓ｝から見た位置姿勢^Ｓ _ＤＨは、次の式（３）のように求めることができる。

しかし、この方法は、操作者が、絶対座標系（水平垂直）を把握していること、及び３次元立体視モニタにより提示される世界が一意に認識されることを前提としているため、直感的な操作が困難であった。

これに対して、本実施形態では、常に入力装置把持部２００の姿勢に基づき、位置姿勢の変化を求める方法を用いる。すなわち、入力装置把持部２００に設定した座標系｛Ｅ｝を時々刻々に計算し、さらにその時々刻々に算出された入力装置把持部座標系｛Ｅ｝の姿勢、つまり基本ベクトルＸｅ、Ｙｅ、Ｚｅを基準とし、位置移動指令情報１１２を補正することにより、入力装置把持部２００の移動量及び変化姿勢を算出する。この算出された入力装置把持部２００の移動量及び変化姿勢を用いてマニピュレータ手先部１４２の座標系｛Ｆ｝の移動量及び変化姿勢を算出する。この手法を移動方向補償コントローラ１１６にて実行することにより、常にマニピュレータ手先部１４２の姿勢を基準としてマニピュレータ１３４の位置方向が反映される。

よって、本実施形態を用いてのマニピュレータ１３４の座標｛Ｓ｝での位置姿勢を^Ｓ _ＤＨ’とすると、次の式（４）のように表せるので、直感的な操作が可能である。

なお、ここでは、簡単のため、カメラ視野の見え方による座標変換については省いているが、それらが入っていてもよい。また、操作入力装置の動作とマニピュレータの動作の間にモーションスケール比を設定することも場合もある。位置の変化量にモーションスケール比をかけることにより、操作入力装置で入力した大きな動作が、マニピュレータでは細かな動作として反映されたり、その逆に、小さな操作入力にたいして、マニピュレータが大きく動くことが可能になったりする。

操作者１５４は、モニタ１５２上に投影される画面上で既知の物体や形を見つけ、その３次元位置姿勢を基に、その空間の世界観を定めている。モニタ１５２に投影される背景や作業対象部が未知のものであったり、軟性体であったりする場合、マニピュレータ手先部１４２の姿勢を基準として、マニピュレータ１３４を動作させるため、本実施形態を用いた手法は極めて有効である。

次に、図５を参照しながら、本実施形態における操作例を説明する。図５は本実施形態における操作例を説明する図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）は操作入力装置の把持部インタフェースを操作者が操作している様子を示す３つの例である。図５（ｄ）は操作者が参照する３次元立体視モニタ及びそこに立体視で映し出されているマニピュレータ手先部の動作の様子を示している。図５（ｅ）はマニピュレータ手先部及びそれを撮像しているカメラの様子を示している。ここで、図５（ｄ）に示すようにマニピュレータ手先部がモニタ上で動くということは、図５（ｅ）に示すようにマニピュレータ手先部が５８８から５９６に動くことである。なお、図５（ｅ）における点線５８０は、カメラ視野を示している。

二重矢印５２２、５０６、５２４、５２８、５３８、５４２、５５４、５６２、５８４、６０２は、入力装置把持部とマニピュレータ手先部の対応する姿勢を示すものである。同様に、矢印５２０、５１０、５２６、５３０、５４０、５４４、５６０、５５２、５８２、６００も、入力装置把持部とマニピュレータ手先部の対応する姿勢を示すものである。矢印５１４、５３６、５５０、５７４、５９２は、入力装置把持部やマニピュレータ手先部の移動方向を示している。

入力装置把持部５１６、５３４、５４８に用意されたグリップ開閉機構５１８、５３２、５４６は、マニピュレータ手先部の開閉を行うと共に、入力装置把持部５１６、５３４、５４８の姿勢を示す目印となっている。

操作者１５４は、椅子２３０に座り、３次元立体視モニタ１５２が配置された台５７０から図示していないリンク等で繋がっている入力装置把持部５１６を握り、マニピュレータを動かすための操作入力を実行する。

３次元立体視モニタ１５２の傾きによって、操作者は、３次元立体視モニタ１５２が作りだす３次元空間の認識の違いが生じる。３次元立体視モニタ１５２の傾き及びそこに投影される３次元空間が実世界上での傾きと同様に認識している操作者は、図５（ｄ）のようにマニピュレータ手先部を動かしたいと考えたら、図５（ａ）のように、３次元立体視モニタ１５２におけるグリップ開閉機構５６８の姿勢とグリップ開閉機構５１２の姿勢を一致させた状態から、３次元立体視モニタ１５２の傾きにあわせて矢印５１４のように入力装置把持部５０８を斜めに動かして、入力装置把持部及びグリップ開閉機構を５１６及び５１８の位置姿勢に移動させる。

一方、３次元立体視モニタ１５２の画面と操作入力装置との関係が通常のパソコンのモニタとマウスの関係のように垂直にずれていると考える操作者は、図５（ｄ）のようにマニピュレータ手先部を動かしたいと考えたら、図５（ｂ）のように操作入力装置を動かす。すなわち、グリップ開閉機構５２７の姿勢を水平にした状態から、矢印５３６のように入力装置把持部５２５を水平に動かして、入力装置把持部及びグリップ開閉機構を５３４及び５３２の位置姿勢に移動させる。

さらには、傾いて設置されている３次元立体視モニタ１５２が垂直に立っていると認識する操作者１５４は、図５（ｄ）のようにマニピュレータを動かしたいと考えたら、図５（ｃ）のように操作入力装置を地面に垂直に動かす。すなわち、グリップ開閉機構５４１の姿勢を水平にした状態から、矢印５５０のように入力装置把持部５３９を水平に動かして、入力装置把持部及びグリップ開閉機構を５４８及び５４６の位置姿勢に移動させる。

このような操作者の認識の違いによって、同じ図５（ｄ）の動きを実現するために、図５（ａ）〜図５（ｃ）のように様々な操作方法が存在する。

ここで、本実施形態を適用すると、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すどの動かし方を行っても、図５（ｄ）に示す動きができるようになり、操作者の認識の違いに係らず、装置に慣れる時間も必要なく、マニピュレータを直感的に操作することができ、非常に有効である。

なお、マニピュレータ手先部の裏表が対称で、同じように見えるときは、裏あるいは表に印をつけ、裏表の違いを認識できるようにすればよい。

操作入力装置で入力する位置姿勢の変化を、時々刻々の姿勢を基に、位置移動指令とすることにより、操作者は、モニタと操作入力装置の位置関係や、カメラの位置関係等を気にすることなく、マニピュレータを直感的に操作可能となる。

本実施形態によれば、操作入力装置と実際のマニピュレータの姿勢にオフセットがあった状態での操作や、一つの操作入力装置で多腕を操作しなければならない場合に生じる姿勢のずれを気にすることなく、また、操作入力装置とモニタの位置関係を規定したり、アクチュエータによって操作入力装置の把持部姿勢をマニピュレータの手先先端姿勢と同期させたりといった方法を必要とせずに、直感的なマスタ・スレーブ操作を可能とする。

本実施形態によれば、マニピュレータ先端が位置姿勢６自由度以上有し、この位置姿勢を操作入力装置で動作させる際、操作入力装置の動作方向とマニピュレータの動作方向の位置姿勢の対応を気にすることなく、マニピュレータを操作できるようになる。また、操作入力装置とモニタ、カメラ、マニピュレータ等の配置関係を特に規定することなくシステムを構築できるため、システムが簡易なものとなり、効果的である。また、操作入力装置にアクチュエータ等動力源を組み込む必要がないため、安価であり小型化も実現できる。特に、手術支援マスタ・スレーブマニピュレータシステムにおいて、本実施形態は効果的である。体腔内では、定まった地面や固定された物等が存在せず、患部とマニピュレータ先端術具との３次元的な位置姿勢関係が把握しづらい。操作者は、立体内視鏡によって撮像される患部と手術支援マニピュレータ手先先端術具を見ながら操作を行うが、モニタ内で映るものの中で唯一既知のものである手術支援マニピュレータ手先先端術具の姿勢を基準に操作入力装置を動かして動作を行うため、本実施形態の手法は特に有効である。

本発明の一実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムの全体構成図である。 操作者が操作入力装置によりマニピュレータの操作を行っている本実施形態の様子を示す斜視図である。 本実施形態における操作卓を省いた双腕型の操作入力装置の一方の腕の全景を示す斜視図である。 本実施形態における入力装置把持部とマニピュレータ手先部との移動の対応関係を説明する斜視模式図である。 本実施形態における操作例を説明する図である。

符号の説明

１００…操作入力装置、１０４…マスタコントローラ、１０６…操作指令情報取得部、１１０…取得情報分離部、１１２…位置移動指令情報、１１４…姿勢指令情報、１１６…移動方向補償コントローラ、１２２…マニピュレータコントローラ、１３４、１３６、１３８…マニピュレータ、１４４…先端手先部、１４６…カメラ、１５２…モニタ、２００…入力装置把持部、２３５…肘置き、２４０…コンソール、２３０…椅子、３１０、３２０…リンク、３３５、３６０…ロッド、３４５、３７０、３８０…リニアガイドレール、３５０、３７５、３８５…ベース、３５５…固定具。

Claims (8)

1. マニピュレータ手先部を有するマニピュレータと、
   前記マニピュレータと前記マニピュレータの作業対象部とを撮像するカメラと、
   前記カメラが撮像して提示する画像を表示するモニタと、
   前記マニピュレータを操作するための指示をする操作入力装置と、
   前記操作入力装置の指示に基づいて制御指令情報を生成して出力するマスタコントローラと、
   前記マスタコントローラから出力された制御指令情報に基づいて前記マニピュレータの位置姿勢を制御するマニピュレータコントローラと、を備えたマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムであって、
   前記マスタコントローラは、
   前記操作入力装置による指示に基づいて操作指令情報を取得する操作指令情報取得部と、
   前記操作指令情報を位置移動指令情報と姿勢指令情報とに分離する取得情報分離部と、
   前記姿勢指令情報に基づいて前記位置移動指令情報を補正して位置移動指令補償情報を出力する移動方向補償コントローラと、を備え、
   前記マニピュレータコントローラは前記位置移動指令補償情報及び前記姿勢指令情報に基づいて前記マニピュレータの位置姿勢を制御するように構成されていること、
   を特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
2. 請求項１において、前記マニピュレータ手先部は６自由度の位置姿勢を有するように構成され、前記操作指令情報取得部は前記操作入力装置による指示に基づいて６自由度の操作指令情報を取得するように構成され、前記取得情報分離部は前記操作指令情報を３自由度の位置移動指令情報と３自由度の姿勢指令情報とに分離するように構成されていること、を特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
3. 請求項２において、前記移動方向補償コントローラは、前記マニピュレータ手先部の姿勢を時々刻々に計算し、この時々刻々に算出されたマニピュレータ手先部の姿勢を基準として前記位置移動指令情報を補正するように構成されていること、を特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
4. 請求項２において、前記操作入力装置は先端部に入力装置把持部を備えており、前記移動方向補償コントローラは、前記入力装置把持部の姿勢を時々刻々に計算し、この時々刻々に算出された入力装置把持部姿勢を基準とした前記操作入力装置の移動量及び変化姿勢を算出し、この算出された前記操作入力装置の移動量及び変化姿勢を用いて前記マニピュレータ手先部の座標を時々刻々に計算するように構成されていること、を特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
5. 請求項２から４の何れかにおいて、前記操作入力装置は３つの直動関節及び３つの回転関節を有する移動機構と各関節値が取得可能なエンコーダやポテンショメータ等のセンサとを備え、前記操作指令情報取得部は前記センサで取得した位置姿勢の電気信号に基づいて６自由度の操作指令情報を取得するように構成されていること、を特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
6. 請求項５において、前記操作入力装置は前記移動機構の先端部に当該移動機構を手動操作するための入力装置把持部を備えており、前記操作指令情報取得部は前記センサで取得した電気信号に基づいて入力装置把持部の位置姿勢を取得するように構成されていること、を特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
7. 請求項６において、前記マニピュレータは複数台設置され、前記操作入力装置は双腕型操作入力装置で構成されていること、を特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
8. 請求項４において、前記マニピュレータ手先部が術具であり、前記カメラが立体内視鏡であり、前記入力装置把持部は前記術具の開閉操作をするためのグリップ開閉機構を有していること、を特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。

Images