JP4422257B2 - マニピュレータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体の、例えば体腔内に挿入したマニピュレータを操作手段によって遠隔的に操作し、診断・処置等の手術を行う手術用のマニピュレータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、腹壁等の体壁に穴を開け、この穴を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することにより、その体腔内での様々な処置を行なう経皮的内視鏡下手術が、大きな切開を要しない低侵襲なものとして、近年、注目されている。こうした術式は胆のう摘出手術や肺の一部を摘出除去する手術等で広く行なわれている。
【０００３】
このような手術において、マニピュレータに内視鏡や処置具を搭載し、そのマニピュレータによる内視鏡や処置具を用いた手術を術者に代わって間接的に行う手術用マニピュレータシステムが、米国特許第５，２１７，００３号や、特開平７−３２８０１６号公報などに示されている。
【０００４】
図１３はこの手術用マニピュレータシステムの概略構成を示すものである。このマニピュレータシステムには術野にアクセスするように設置されているスレーブマニピュレータａと、術者が操作できる領域内に設置されたジョイスティックなどのマスターマニピュレータｂとが設けられている。ここで、スレーブマニピュレータａにはスレーブ制御部ｃ、マスターマニピュレータｂにはマスター制御部ｄがそれぞれ連結されている。
【０００５】
さらに、スレーブ制御部ｃとマスター制御部ｄとの間は信号ケーブルなどの通信手段を介して連結されている。ここで、マスター制御部ｄにはマスターマニピュレータｂの操作部の操作を検出する検出手段が設けられている。そして、このマスター制御部ｄによって検出されたマスターマニピュレータｂの操作部の操作状態が制御信号に変換されて通信手段を介してスレーブ制御部ｃに伝送されるようになっている。また、スレーブ制御部ｃからはマスター制御部ｄから送られるマスターマニピュレータｂの操作部の操作に追従した動きをスレーブマニピュレータａに伝達する制御信号が出力されるようになっている。
【０００６】
そして、こうした手術用マニピュレータの遠隔操作では、内視鏡等の観察手段によりモニターに映し出された腹腔内の患部の状態を見ながら、操作者がジョイスティックなどのマスターマニピュレータｂの操作部を操作することによって例えばマスターマニピュレータｂの操作部の操作方向にスレーブマニピュレータａを動作させるようになっている。
【０００７】
また、マスターマニピュレータｂとして例えば略鋏型の開閉動作可能な操作部を使用するとともに、スレーブマニピュレータａとして例えば把持鉗子のように開閉可能な１対の鉗子片を備えた処置部を使用するシステムが考えらている。ここでは、マスターマニピュレータｂの操作部を開閉操作した場合にこのマスターマニピュレータｂの操作部を開閉動作に応じてスレーブマニピュレータａの把持鉗子の１対の鉗子片が開閉駆動されるようになっている。このとき、スレーブマニピュレータａの把持鉗子の１対の鉗子片の開閉動作（動作量）を検出し、スレーブマニピュレータａの１対の鉗子片間の開閉動作が異常動作か、正常な動作かを判別する判別手段を設けた構成が考えられている。
【０００８】
また、マスターマニピュレータｂの操作部の操作前にマスターマニピュレータｂの初期位置と、スレーブマニピュレータａの初期位置とを位置合わせする初期位置調整用のキャリブレーション（イニシャライズ）を行った状態で、スレーブマニピュレータａの動作範囲を検査することにより、スレーブマニピュレータａの機械的な異常の有無（スレーブマニピュレータａの動作範囲が規定通りか否か）を確認する作業を行うことが一般的である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、手術用マニピュレータシステムの使用開始時に初期位置調整用のキャリブレーションを行う場合には例えばマスターマニピュレータｂの現在位置とスレーブマニピュレータａの現在位置とが検出されるとともに、マスターマニピュレータｂの現在位置と対応する位置に合わせるように電気制御によってスレーブマニピュレータａの駆動機構を動かしてスレーブマニピュレータａの位置を移動させる初期位置調整作業が行われている。このとき、スレーブマニピュレータａを現在位置から調整位置まで移動させる際にはスレーブ制御部ｃから出力される制御信号がスレーブマニピュレータａの駆動機構部に入力されると同時に、マスターマニピュレータｂのズレ量がスレーブマニピュレータａに即座に反映され、スレーブマニピュレータａが急速に調整位置まで移動される。そのため、このスレーブマニピュレータａを現在位置から調整位置まで移動させる移動時には、スレーブマニピュレータａの駆動機構部に作用する機械的な負荷が大きくなるので、スレーブマニピュレータａの駆動機構部の耐久性の向上を図るうえで問題がある。
【００１０】
さらに、このキャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータａの移動量が大きい場合にはスレーブマニピュレータａの駆動機構部に作用する機械的な負荷が一層大きくなる問題がある。
【００１１】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的は、マスターマニピュレータとスレーブマニピュレータとの位置・姿勢のキャリブレーションの作業時にスレーブマニピュレータの駆動機構側に作用する機械的な負荷を軽減させることができ、システム全体の耐久性の向上を図ることができるマニピュレータ制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、術野にアクセスするように設置されたスレーブマニピュレータと、
術者が操作できる領域内に設置され、前記スレーブマニピュレータを遠隔的に操作するマスターマニピュレータと、
このマスターマニピュレータに接続され、前記マスターマニピュレータの操作を電気信号に変換するマスター制御部と、
前記スレーブマニピュレータおよび前記マスター制御部にそれぞれ接続され、前記マスター制御部から送られる前記マスターマニピュレータの操作に追従した動きを前記スレーブマニピュレータに伝達する制御信号を出力するスレーブ制御部と、
前記マスターマニピュレータの動作開始時に前記マスターマニピュレータの現在位置と前記スレーブマニピュレータの現在位置との間の位置ズレ量を検出する位置ズレ量検出手段と、
この位置ズレ量検出手段からの検出結果にもとづいて前記マスターマニピュレータの位置と前記スレーブマニピュレータの位置とを整合させるキャリブレーション作業時に前記スレーブマニピュレータの駆動機構に作用する機械的な負荷を低減させる負荷低減手段と
を具備したことを特徴とするマニピュレータ制御装置である。
【００１３】
そして、本請求項１の発明では、マスターマニピュレータの動作開始時には位置ズレ量検出手段によってマスターマニピュレータの現在位置とスレーブマニピュレータの現在位置との間の位置ズレ量を検出し、この位置ズレ量検出手段からの検出結果にもとづいてマスターマニピュレータの位置とスレーブマニピュレータの位置とを整合させるキャリブレーション作業が行われる。このキャリブレーション作業時には負荷低減手段によってスレーブマニピュレータの駆動機構に作用する機械的な負荷を低減させるようにしたものである。
【００１４】
請求項２の発明は、前記負荷低減手段は、前記キャリブレーション作業時に前記スレーブマニピュレータの移動速度を前記スレーブマニピュレータ駆動機構の機械的な負荷が低減できる程度に減速する減速手段によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ制御装置である。
【００１５】
そして、本請求項２の発明では、キャリブレーション作業時に減速手段によってスレーブマニピュレータの移動速度をスレーブマニピュレータ駆動機構の機械的な負荷が低減できる程度に減速するようにしたものである。
【００１６】
請求項３の発明は、前記負荷低減手段は、前記キャリブレーション作業時に前記マスターマニピュレータの位置検出用の座標系を前記スレーブマニピュレータの現在位置に合わせて前記位置ズレ量を補完する状態に再構築する座標補完手段によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ制御装置である。
【００１７】
そして、本請求項３の発明では、キャリブレーション作業時に座標補完手段によってマスターマニピュレータの位置検出用の座標系をスレーブマニピュレータの現在位置に合わせて位置ズレ量を補完する状態に再構築するようにしたものである。
【００１８】
請求項４の発明は、前記負荷低減手段は、前記キャリブレーション作業時に前記スレーブマニピュレータの移動が可能な動作範囲内で、前記動作範囲の中心位置から一定量離れた所定の設定範囲に位置整合動作の制御実行範囲を予め設定し、前記スレーブマニピュレータの現在位置が前記制御実行範囲外である場合には前記位置整合動作を行わずに前記スレーブマニピュレータの現在位置が前記制御実行範囲外である状態を報知する報知手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ制御装置である。
【００１９】
そして、本請求項４の発明では、キャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータの移動が可能な動作範囲内で、動作範囲の中心位置から一定量離れた所定の設定範囲に位置整合動作の制御実行範囲を予め設定し、スレーブマニピュレータの現在位置が制御実行範囲外である場合には位置整合動作を行わずに報知手段によってスレーブマニピュレータの現在位置が制御実行範囲外である状態を報知するようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図１乃至図８（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図１は本実施の形態のマニピュレータ制御装置１のシステム全体の概略構成を示すものである。本実施の形態のマニピュレータ制御装置１には術野にアクセスするように設置されたスレーブマニピュレータ２と、術者が操作できる領域内に設置され、スレーブマニピュレータ２を遠隔的に操作するマスターマニピュレータ３とが設けられている。ここで、スレーブマニピュレータ２には２組のスレーブマニピュレータ、すなわち左側スレーブマニピュレータ２ａと、右側スレーブマニピュレータ２ｂとが設けられている。さらに、マスターマニピュレータ３にも同様に左側スレーブマニピュレータ２ａを操作する左側マスターマニピュレータ３ａと、右側スレーブマニピュレータ２ｂを操作する右側マスターマニピュレータ３ｂとが設けられている。
【００２１】
また、２つのスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂ、マスターマニピュレータ３ａ，３ｂはそれぞれ略同一構成になっているので、ここでは一方の左側のスレーブマニピュレータ２ａおよびマスターマニピュレータ３ａの構成のみを説明し、右側のスレーブマニピュレータ２ｂおよびマスターマニピュレータ３ｂの同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２２】
すなわち、本実施の形態の左側のスレーブマニピュレータ２ａには細長い挿入部４を備えたマニピュレータ本体５と、このマニピュレータ本体５を駆動するスレーブ駆動部６とが設けられている。さらに、挿入部４の先端部には図３に示すように例えば把持鉗子のように開閉可能な１対の把持部材７ａ，７ｂを備えた先端把持部７が設けられている。これらの把持部材７ａ，７ｂの基端部間は挿入部４の先端部に回動ピン８を中心に回動可能に連結されている。そして、これらの把持部材７ａ，７ｂはリンク機構部９によって回動ピン８を中心に開閉可能に支持されている。
【００２３】
また、マニピュレータ本体５はスレーブ駆動部６内の図示しないマニピュレータ本体駆動ユニットによって図３中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動可能に駆動され、かつＸ軸の軸回り方向、Ｙ軸の軸回り方向、Ｚ軸の軸回り方向にそれぞれ回動駆動されるようになっている。さらに、マニピュレータ本体５の先端把持部７も同様にスレーブ駆動部６内の図示しない先端把持部駆動ユニットによって把持部材７ａ，７ｂ間が回動ピン８を中心に開閉駆動されるようになっている。なお、図３中で、Ｏ_Ｓ はスレーブマニピュレータ２ａのマニピュレータ本体５の原点位置である。
【００２４】
また、左側マスターマニピュレータ３ａには図２に示すように例えば略鋏型の開閉動作可能なハンドル（操作部）１０と、このハンドル１０を図２中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動可能に、かつＸ軸の軸回り方向、Ｙ軸の軸回り方向、Ｚ軸の軸回り方向にそれぞれ回動可能に支持する支持機構部１１（図４に示す）とが設けられている。なお、図２中で、Ｏ_M はマスターマニピュレータ３ａのハンドル１０の原点位置である。
【００２５】
また、ハンドル１０には図２に示すようにトッププレート１２に一端部が固定された支軸１３と、この支軸１３の他端部に回動軸１４を中心に回動可能に連結された２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂとが設けられている。さらに、２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂ間には回動軸１４側にリンク部材１６、自由端部側に板ばね部材１７がそれぞれ配設されている。そして、このハンドル１０は板ばね部材１７のばね力によって図２中に実線で示すように全開位置方向に付勢されている。
【００２６】
また、このハンドル１０の一方のハンドル部材１５ａにはストッパ１８が他方のハンドル部材１５ｂ側に向けて突設されている。そして、このハンドル１０の閉操作時には図２中に仮想線で示すようにハンドル部材１５ａのストッパ１８がハンドル部材１５ｂに突き当たることにより、このハンドル１０の閉操作が規制され、この状態が全閉位置に設定されている。
【００２７】
さらに、ハンドル１０のハンドル部材１５ａにはポテンショメータ１９が取付けられている。そして、このポテンショメータ１９によってハンドル１０の開閉角度が検出されるようになっている。
【００２８】
また、マスターマニピュレータ３ａの支持機構部１１はパンタグラフ機構を複数組み合わせて構成された多自由度マニピュレータによって形成されている。ここで、出力節であるトッププレート１２には、３つのパンタグラフと３つの回転対偶軸とが取付けられている。なお、各パンダグラフ、対偶軸には、図示しないエンコーダが取付けられている。そして、このエンコーダによってハンドル１０の操作を検出する検出手段が形成されている。さらに、マスターマニピュレータ３にはこのマスターマニピュレータ３を操作不能なロック状態と、このマスターマニピュレータ３の操作が可能なロック解除状態とに切換える例えば電磁ロック式の図示しないロック機構部が組込まれている。
【００２９】
また、マスターマニピュレータ３にはこのマスターマニピュレータ３の操作を電気信号に変換するマスター制御部２０が接続されている。このマスター制御部２０にはマスターマニピュレータ３のポテンショメータ１９および支持機構部１１のエンコーダなどの位置検出装置２１と、例えば位置計算用のコンピュータによって形成される演算回路２２とが設けられている。そして、位置検出装置２１による左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの操作状態の検出データ（Ｌ検出信号、Ｒ検出信号）は演算回路２２に入力され、この演算回路２２で位置計算されてマスターマニピュレータ３のハンドル１０の操作状態や、ハンドル１０の開閉状態などのデータが算出されるようになっている。
【００３０】
さらに、このマスター制御部２０にはマスターマニピュレータ３のロック機構部の制御用のフットスイッチ２３が接続されている。このフットスイッチ２３には２つのペダル２３ａ，２３ｂが設けられている。そして、一方のペダル２３ａによってマスターマニピュレータ３のロック状態と、ロック解除状態とを切換えるロック状態の切換え操作部、他方のペダル２３ｂによって移動用クラッチの切換え操作部がそれぞれ形成されている。
【００３１】
なお、マスターマニピュレータ３を操作する術者の近傍位置にはモニター２４が配置されている。そして、このモニター２４に表示される表示画面を見ながらマスターマニピュレータ３の操作が行われるようになっている。
【００３２】
また、スレーブマニピュレータ２にはマスターマニピュレータ３の操作に追従した動きをスレーブマニピュレータ２に伝達する制御信号を出力するスレーブ制御部２５が接続されている。このスレーブ制御部２５にはスレーブマニピュレータ２のスレーブ駆動部６に組込まれている複数の駆動モータ２６を制御するモータ駆動回路２７と、例えばスレーブマニピュレータ制御用のコンピュータによって形成される演算回路２８とが設けられている。
【００３３】
さらに、スレーブ制御部２５の演算回路２８とマスター制御部２０の演算回路２２との間は例えば光ファイバーケーブルなどの通信手段２９を介して接続されている。そして、スレーブ制御部２５ではマスター制御部２０から送られるマスターマニピュレータ３の操作に追従した動きをスレーブマニピュレータ２に伝達する制御信号を出力するようになっている。
【００３４】
また、スレーブ制御部２５の演算回路２８には図５に示すようにキャリブレーション動作の開始状態を検出するキャリブレーション動作検出手段２８ａと、スレーブマニピュレータ２の現在位置（Ｘ方向の位置Ｘｓ、Ｙ方向の位置Ｙｓ、Ｚ方向の位置Ｚｓ、Ｘ軸回り方向の回動角度θｘｓ、Ｙ軸回り方向の回動角度θｙｓ、Ｚ軸回り方向の回動角度θｚｓ）を検出するスレーブマニピュレータ位置検出手段２８ｂと、キャリブレーション動作の開始時にマスターマニピュレータ３の現在位置（Ｘ方向の位置Ｘｍ、Ｙ方向の位置Ｙｍ、Ｚ方向の位置Ｚｍ、Ｘ軸回り方向の回動角度θｘｍ、Ｙ軸回り方向の回動角度θｙｍ、Ｚ軸回り方向の回動角度θｚｍ）とスレーブマニピュレータ２の現在位置（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ、θｘｓ、θｙｓ、θｚｓ）との間の位置ズレ量を検出する位置ズレ量検出手段２８ｃと、キャリブレーション動作の開始時に位置ズレ量検出手段２８ｃからの検出結果にもとづいてスレーブマニピュレータ２をマスターマニピュレータ３の現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）と対応するキャリブレーション位置（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ、θｘｃ、θｙｃ、θｚｃ）に移動させる際のスレーブ駆動部６に作用する機械的な負荷を低減させる負荷低減手段であるスレーブ駆動部６の減速手段２８ｄと、ＣＰＵ２８ｅとが設けられている。ここで、減速手段２８ｄはキャリブレーション動作時にスレーブマニピュレータ２の移動速度をスレーブ駆動部６の機械的な負荷が低減できる程度、例えばスレーブマニピュレータ２のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各移動速度を１００ｍＳｅｃ（１step）毎に２ｍｍの移動量で、かつＸ軸回り方向の回動角度θｘ、Ｙ軸回り方向の回動角度θｙ、Ｚ軸回り方向の回動角度θｚが１００ｍＳｅｃ（１step）毎に２°の移動量でそれぞれ回動動作させる状態に減速する手段によって形成されている。
【００３５】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態のマニピュレータ制御装置１の使用時には、マスターマニピュレータ３が術者が操作できる領域内に設置される。さらに、スレーブマニピュレータ２は術野にアクセスするように設置される。例えば、図４に示すように予め診断・処置等の手術を行う患者の腹壁等の体壁Ｈに図示しないトロッカーによって穴を開け、この穴に刺入されたトロッカー外套管内にスレーブマニピュレータ２の挿入部４が挿入され、このトロッカー外套管内を通じてスレーブマニピュレータ２の挿入部４が経皮的に体腔内に挿入された状態にセットされる。このとき、マスターマニピュレータ３を操作する術者の近傍位置のモニター２４にはスレーブマニピュレータ２とは別の場所から経皮的に体腔内に挿入された内視鏡による術野の内視鏡像、或いはコンピュータグラフィック装置によって合成された術野のコンピュータグラフィック画像（ＣＧ画像）などが表示される。
【００３６】
また、スレーブマニピュレータ２およびマスターマニピュレータ３のセット後、スレーブ制御部２５のキャリブレーション動作検出手段２８ａによってキャリブレーション動作の開始状態が検出されると、スレーブマニピュレータ２の位置と、マスターマニピュレータ３の位置とを対応させるキャリブレーション動作が行われる。このキャリブレーション動作は図６のフローチャートにしたがって行われる。なお、キャリブレーション動作の開始前は、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂおよび左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂはそれぞれ任意の位置で保持されている。図７はマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）を示す。
【００３７】
また、キャリブレーション動作の開始時にはスレーブマニピュレータ位置検出手段２８ｂによって左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂの現在位置（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ、θｘｓ、θｙｓ、θｚｓ）が検出される。そして、ステップＳ１で、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂが図８に示すように原点位置Ｏｓ（Ｘ方向の位置Ｘｓ＝０、Ｙ方向の位置Ｙｓ＝０、Ｚ方向の位置Ｚｓ＝０、Ｘ軸回り方向の回動角度θｘｓ＝０、Ｙ軸回り方向の回動角度θｙｓ＝０、Ｚ軸回り方向の回動角度θｚｓ＝０）に移動される。
【００３８】
その後、次のステップＳ２で、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂが原点位置Ｏｓか否かが判断される。このステップＳ２で、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂが原点位置Ｏｓではないと判断された場合にはステップＳ１に戻される。そして、ステップＳ２で、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂが原点位置Ｏｓと確認された場合には次のステップＳ３に進む。
【００３９】
このステップＳ３では図７に示すマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）が検出される。なお、マスターマニピュレータ３ａ，３ｂの使用開始位置は操作者により位置・姿勢が多少ズレることが普通である。このとき、位置ズレ量検出手段２８ｃによってキャリブレーション動作の開始時のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）とスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂの現在位置（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ、θｘｓ、θｙｓ、θｚｓ）との間の位置ズレ量が検出される。
【００４０】
その後、次のステップＳ４に進む。このステップＳ４ではマスターマニピュレータ３のロックが解除状態か、否かが判断される。ここで、フットスイッチ２３のペダル２３ａを踏むことにより、マスターマニピュレータ３のロックが解除される。この状態では左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂが図２中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動可能、かつＸ軸の軸回り方向、Ｙ軸の軸回り方向、Ｚ軸の軸回り方向にそれぞれ回動可能な状態にそれぞれ切換えられるとともに、左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂ間が開閉動作可能な状態にそれぞれ切換えられる。このとき、マスターマニピュレータ３ａ，３ｂの現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）の情報がスレーブ制御部２５に送られる。
【００４１】
そして、ステップＳ４で、ロックが解除されていないと判断された場合にはステップＳ３に戻される。また、ステップＳ４で、ロック解除状態と判断された場合には次のステップＳ５に進む。
【００４２】
このステップＳ５ではスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂを現在位置（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ、θｘｓ、θｙｓ、θｚｓ）から減速状態で、左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）と対応するキャリブレーション位置（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ、θｘｃ、θｙｃ、θｚｃ）に移動させる動作が行われる。このとき、スレーブ駆動部６の減速手段２８ｄによってスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂの移動速度がスレーブ駆動部６の機械的な負荷が低減できる程度、例えばスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各移動速度を１００ｍＳｅｃ（１step）毎に２ｍｍの移動量で、かつＸ軸回り方向の回動角度θｘ、Ｙ軸回り方向の回動角度θｙ、Ｚ軸回り方向の回動角度θｚが１００ｍＳｅｃ（１step）毎に２°の移動量でそれぞれ回動動作させる状態に減速される。
【００４３】
その後、次のステップＳ６で、スレーブマニピュレータ２ａ，２ｂのキャリブレーション位置（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ、θｘｃ、θｙｃ、θｚｃ）が左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）と等しいか、否かが判断される。ここで、両方のマニピュレータ２ａ，２ｂ、３ａ，３ｂの位置が等しくないと判断された場合にはステップＳ５に戻される。また、ステップＳ６で、両方のマニピュレータ２ａ，２ｂ、３ａ，３ｂの位置が等しいと判断された場合にはキャリブレーション動作が終了する。
【００４４】
さらに、このキャリブレーション動作の終了後、本実施の形態のマニピュレータ制御装置１による診断・処置等の手術が開始される。この手術時には術者はモニター２４に表示される術野の内視鏡像、或いはＣＧ画像の画面を見ながらマスターマニピュレータ３の左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂがそれぞれ操作される。このとき、左側マスターマニピュレータ３ａのハンドル１０が術者の左手、右側マスターマニピュレータ３ｂのハンドル１０が術者の右手で握られた状態でそれぞれ操作され、左側マスターマニピュレータ３ａによって左側スレーブマニピュレータ２ａ、右側マスターマニピュレータ３ｂによって右側スレーブマニピュレータ２ｂがそれぞれ独立に遠隔操作される。
【００４５】
例えば、左側マスターマニピュレータ３ａのハンドル１０を図２中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動させ、かつＸ軸の軸回り方向、Ｙ軸の軸回り方向、Ｚ軸の軸回り方向にそれぞれ回動させた場合にはこのときのマスターマニピュレータ３ａの動作がマスター制御部２０の位置検出装置２１で検出される。この位置検出装置２１からの検出データは演算回路２２に入力され、この演算回路２２で位置計算されてマスターマニピュレータ３のハンドル１０の操作状態や、ハンドル１０の開閉状態などのデータが算出される。
【００４６】
さらに、マスター制御部２０の演算回路２２で位置計算された算出データは光ファイバーケーブルなどの通信手段２９を介してスレーブ制御部２５に送信される。
【００４７】
また、スレーブ制御部２５では受信された制御信号にもとづいて演算回路２８によってスレーブ駆動部６に組込まれているモータ駆動回路２７の複数の駆動モータ２６を制御する制御信号が算出される。そして、このスレーブ制御部２５から出力される制御信号が左側スレーブマニピュレータ２ａに伝達され、左側スレーブマニピュレータ２ａが遠隔的に操作される。このとき、左側スレーブマニピュレータ２ａは左側マスターマニピュレータ３ａのハンドル１０の動きに追従して動く。なお、右側マスターマニピュレータ３ｂの操作時にも同様の作用によって右側スレーブマニピュレータ２ｂの動作が制御され、右側マスターマニピュレータ３ｂの操作に追従して右側スレーブマニピュレータ２ｂが動くようになっている。
【００４８】
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態ではマスターマニピュレータ３の動作開始時にはスレーブ制御部２５の演算回路２８における位置ズレ量検出手段２８ｃによってマスターマニピュレータ３の現在位置とスレーブマニピュレータ２の現在位置との間の位置ズレ量を検出し、この位置ズレ量検出手段２８ｃからの検出結果にもとづいてマスターマニピュレータ３の位置とスレーブマニピュレータ２の位置とを整合させるキャリブレーション作業が行われる。このキャリブレーション作業時には負荷低減手段であるスレーブ駆動部６の減速手段２８ｄによってスレーブマニピュレータ２の移動速度を低減させるようにしたので、マスターマニピュレータ３の位置とスレーブマニピュレータ２の位置との間に座標のズレ量が有ったとしてもスレーブマニピュレータ２がマスターマニピュレータ３の位置と対応する位置に急激に移動することない。そのため、マスターマニピュレータ３とスレーブマニピュレータ２との位置・姿勢のキャリブレーションの作業時にスレーブマニピュレータ２の駆動機構であるスレーブ駆動部６側に作用する機械的な負荷を軽減させることができ、システム全体の耐久性の向上を図ることができる。
【００４９】
また、図９乃至図１２は本発明の第２の実施の形態を示すものである。本実施の形態は第１の実施の形態（図１乃至図８（Ａ），（Ｂ）参照）のマニピュレータ制御装置１のスレーブ制御部２５の構成を次の通り変更したものである。
【００５０】
すなわち、本実施の形態ではスレーブ制御部２５の演算回路２８は図９に示すように構成されている。ここで、本実施の形態の演算回路２８には第１の実施の形態と同様にキャリブレーション動作検出手段２８ａと、スレーブマニピュレータ位置検出手段２８ｂと、位置ズレ量検出手段２８ｃと、ＣＰＵ２８ｅとが設けられている。さらに、ＣＰＵ２８ｅにはキャリブレーション作業時にマスターマニピュレータ３の位置検出用の座標系をスレーブマニピュレータ２の現在位置に合わせて位置ズレ量を補完する状態に再構築する座標補完手段３１が接続されている。
【００５１】
そして、本実施の形態のマニピュレータ制御装置１では使用開始時にスレーブマニピュレータ２の位置と、マスターマニピュレータ３の位置とを対応させるキャリブレーション動作は図１０のフローチャートにしたがって行われる。
【００５２】
まず、キャリブレーション動作の開始時にはステップＳ１１で、図１１（Ａ）に示す現在のマスターマニピュレータ３の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）と、図１１（Ｂ）に示す現在のスレーブマニピュレータ２の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）とを対応させる動作が行われる。このとき、スレーブマニピュレータ位置検出手段２８ｂによって左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂの現在位置（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ、θｘｓ、θｙｓ、θｚｓ）が検出される。そして、次のステップＳ１２で、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂが図１１（Ｂ）に示すように原点位置Ｏｓ（Ｘ方向の位置Ｘｓ＝０、Ｙ方向の位置Ｙｓ＝０、Ｚ方向の位置Ｚｓ＝０、Ｘ軸回り方向の回動角度θｘｓ＝０、Ｙ軸回り方向の回動角度θｙｓ＝０、Ｚ軸回り方向の回動角度θｚｓ＝０）に移動される。
【００５３】
その後、次のステップＳ１３で、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂが原点位置Ｏｓか否かが判断される。このステップＳ１３で、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂが原点位置Ｏｓではないと判断された場合にはステップＳ１２に戻される。そして、ステップＳ１３で、左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂが原点位置Ｏｓと確認された場合には次のステップＳ１４に進む。
【００５４】
このステップＳ１４では図１１（Ａ）に示すマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）が検出される。このとき、位置ズレ量検出手段２８ｃによってキャリブレーション動作の開始時のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの現在位置（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ、θｘｍ、θｙｍ、θｚｍ）とスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂの現在位置（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ、θｘｓ、θｙｓ、θｚｓ）との間の位置ズレ量が検出される。
【００５５】
その後、次のステップＳ１５に進む。このステップＳ１５ではマスターマニピュレータ３のロックが解除状態か、否かが判断される。ここで、フットスイッチ２３のペダル２３ａを踏むことにより、マスターマニピュレータ３のロックが解除される。この状態では左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂがＸ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動可能、かつＸ軸の軸回り方向、Ｙ軸の軸回り方向、Ｚ軸の軸回り方向にそれぞれ回動可能な状態にそれぞれ切換えられるとともに、左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂ間が開閉動作可能な状態にそれぞれ切換えられる。
【００５６】
そして、ステップＳ１５で、ロックが解除されていないと判断された場合にはステップＳ１４に戻される。また、ステップＳ１５で、ロック解除状態と判断された場合には次のステップＳ１６に進む。
【００５７】
このステップＳ１６では図１２中に点線で示すマスターマニピュレータ３の位置検出用の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）を図１１（Ｂ）に示すスレーブマニピュレータ２の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）に合わせて回転させ、位置ズレ量を補完する図１２中に実線で示す新座標系（Ｘ１−Ｙ１−Ｚ１）に再構築する座標補完作業が行われる。
【００５８】
その後、次のステップＳ１７で、マスターマニピュレータ３の新座標系（Ｘ１−Ｙ１−Ｚ１）と、スレーブマニピュレータ２の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）とが等しいか、否かが判断される。ここで、マスターマニピュレータ３の新座標系（Ｘ１−Ｙ１−Ｚ１）と、スレーブマニピュレータ２の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）とが等しくないと判断された場合にはステップＳ１６に戻される。また、ステップＳ１７で、マスターマニピュレータ３の新座標系（Ｘ１−Ｙ１−Ｚ１）と、スレーブマニピュレータ２の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）とが等しいと判断された場合にはこのマスターマニピュレータ３の新座標系（Ｘ１−Ｙ１−Ｚ１）を元にマスターマニピュレータ３の位置、姿勢情報が作成されてスレーブマニピュレータ２側にその情報データが送信され、キャリブレーション動作が終了する。
【００５９】
さらに、このキャリブレーション動作の終了後、第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置１と同様の手順によって診断・処置等の手術が開始される。
【００６０】
そこで、本実施の形態ではキャリブレーション作業時にはスレーブ制御部２５の演算回路２８における座標補完手段３１によってマスターマニピュレータ３の位置検出用の座標系（Ｘ−Ｙ−Ｚ）をスレーブマニピュレータ２の現在位置に合わせて位置ズレ量を補完する状態に再構築した新座標系（Ｘ１−Ｙ１−Ｚ１）を作るようにしたので、キャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータ２を動かすこと無く、かつマスターマニピュレータ３の開始位置がずれたままの状態で診断・処置等の手術を開始させることができる。そのため、マスターマニピュレータ３とスレーブマニピュレータ２との位置・姿勢のキャリブレーションの作業時に格別にスレーブマニピュレータ２を動かす必要が無いので、スレーブマニピュレータ２の駆動機構であるスレーブ駆動部６側に作用する機械的な負荷を軽減させることができ、システム全体の耐久性の向上を図ることができる。さらに、キャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータ２や、マスターマニピュレータ３の動きによって操作者に違和感を与えることがない、安定したキャリブレーション作業を行うことができる。
【００６１】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、キャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータ２の移動が可能な動作範囲内で、この動作範囲の中心位置から一定量離れた所定の設定範囲に位置整合動作の制御実行範囲を予め設定し、スレーブマニピュレータ２の現在位置が制御実行範囲外である場合には位置整合動作を行わずにスレーブマニピュレータ２の現在位置が制御実行範囲外である状態を報知する報知手段を設けてもよい。この場合には、キャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータ２の現在位置が制御実行範囲外である場合には報知手段によってその状態を報知することができるので、無駄な位置整合動作を行わずに済む効果がある。
【００６２】
さらに、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施できることは勿論である。
次に、本出願の他の特徴的な技術事項を下記の通り付記する。
記
（付記項１） マスタ開始位置のズレを検出するズレ量検出手段と、ズレた差分をマスタスレーブ操作開始時に任意のスピードでキャリブレーションを実行するスローキャリブレーション手段を備えたマスタースレーブ装置。
【００６３】
（付記項２） マスタ開始位置のズレを検出するズレ量検出手段と、前記ズレ値からマスタの座標系を再構築する座標補完手段を備えたマスタースレーブ装置。
【００６４】
（付記項３） 可動範囲の中心より、一定量離れた位置の場合、キャリブレーションを行わず、範囲外であることを報知する報知手段を備えた１、または２のマスタースレーブ装置。
【００６５】
（付記項１〜３の従来技術） マスターマニピュレータの開閉角度を任意の固定倍率でデータ変換後スレーブマニピュレータ開閉角度として扱っている。
【００６６】
（付記項１、３が解決しようとする課題） マスタとスレーブの操作開始時にマスタのズレ量がスレーブに即座に反映される為、メカ的負荷がかかる。
【００６７】
（付記項２、３が解決しようとする課題） ズレの位置合わせによる移動により、操作者に違和感を与えてしまう。
【００６８】
（付記項１、３の目的） マスタとスレーブの位置・姿勢のキャリブレーションでメカの負荷を軽減させる制御方法の提供。
【００６９】
（付記項２、３の目的） 操作者に違和感を与えない制御方法の提供。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、マスターマニピュレータの動作開始時にマスターマニピュレータの現在位置とスレーブマニピュレータの現在位置との間の位置ズレ量を検出する位置ズレ量検出手段を設けるとともに、この位置ズレ量検出手段からの検出結果にもとづいてマスターマニピュレータの位置とスレーブマニピュレータの位置とを整合させるキャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータの駆動機構に作用する機械的な負荷を低減させる負荷低減手段けたので、マスターマニピュレータとスレーブマニピュレータとの位置・姿勢のキャリブレーションの作業時にスレーブマニピュレータの駆動機構側に作用する機械的な負荷を軽減させることができ、システム全体の耐久性の向上を図ることができる。
【００７１】
請求項２の発明によれば、キャリブレーション作業時に減速手段によってスレーブマニピュレータの移動速度をスレーブマニピュレータ駆動機構の機械的な負荷が低減できる程度に減速することができる。これにより、マスターマニピュレータとスレーブマニピュレータとの位置・姿勢のキャリブレーションの作業時にスレーブマニピュレータの駆動機構側に作用する機械的な負荷を軽減させることができる。
【００７２】
請求項３の発明によれば、キャリブレーション作業時に座標補完手段によってマスターマニピュレータの位置検出用の座標系をスレーブマニピュレータの現在位置に合わせて位置ズレ量を補完する状態に再構築するようにしたので、マスターマニピュレータとスレーブマニピュレータとの位置・姿勢のキャリブレーションの作業時にスレーブマニピュレータの駆動機構側に作用する機械的な負荷を軽減させることができる。
【００７３】
請求項４の発明によれば、キャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータの移動が可能な動作範囲内で、動作範囲の中心位置から一定量離れた所定の設定範囲に位置整合動作の制御実行範囲を予め設定し、スレーブマニピュレータの現在位置が制御実行範囲外である場合には位置整合動作を行わずに報知手段によってスレーブマニピュレータの現在位置が制御実行範囲外である状態を報知するようにしたので、キャリブレーション作業時にスレーブマニピュレータの現在位置が制御実行範囲外である場合にはその状態を確実に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態におけるマニピュレータ制御装置のシステム全体の概略構成図。
【図２】 第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるマスターマニピュレータの操作部を一部断面にして示す側面図。
【図３】 第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるスレーブマニピュレータの先端把持部を示す要部の斜視図。
【図４】 第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置の使用状態を示す全体の概略構成図。
【図５】 第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるスレーブ制御部の演算回路の概略構成図。
【図６】 第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるキャリブレーション動作を説明するためのフローチャート。
【図７】 第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるマスターマニピュレータの現在位置を説明するための説明図。
【図８】 第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるスレーブマニピュレータの動作を説明するもので、（Ａ）はスレーブマニピュレータのキャリブレーション動作開始位置を説明するための説明図、（Ｂ）はスレーブマニピュレータのキャリブレーション位置を説明するための説明図。
【図９】 本発明の第２の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるスレーブ制御部の演算回路の概略構成図。
【図１０】 第２の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるキャリブレーション動作を説明するためのフローチャート。
【図１１】 第２の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるマスターマニピュレータの動作を説明するもので、（Ａ）はマスターマニピュレータの動作開始位置を説明するための説明図、（Ｂ）はマスターマニピュレータのキャリブレーション状態を説明するための説明図。
【図１２】 第２の実施の形態におけるマニピュレータ制御装置のスレーブマニピュレータの動作開始位置を説明するための説明図。
【図１３】 従来の手術用マニピュレータシステムの概略構成図。
【符号の説明】
２ スレーブマニピュレータ
３ マスターマニピュレータ
６ スレーブ駆動部（スレーブマニピュレータの駆動機構）
２０ マスター制御部
２１ 位置検出装置
２５ スレーブ制御部
２８ｃ 位置ズレ量検出手段
２８ｄ スレーブ駆動部の減速手段（負荷低減手段）
３１ 座標補完手段（負荷低減手段）

Claims (4)

1. 術野にアクセスするように設置されたスレーブマニピュレータと、
   術者が操作できる領域内に設置され、前記スレーブマニピュレータを遠隔的に操作するマスターマニピュレータと、
   このマスターマニピュレータに接続され、前記マスターマニピュレータの操作を電気信号に変換するマスター制御部と、
   前記スレーブマニピュレータおよび前記マスター制御部にそれぞれ接続され、前記マスター制御部から送られる前記マスターマニピュレータの操作に追従した動きを前記スレーブマニピュレータに伝達する制御信号を出力するスレーブ制御部と、
   前記マスターマニピュレータの動作開始時に前記マスターマニピュレータの現在位置と前記スレーブマニピュレータの現在位置との間の位置ズレ量を検出する位置ズレ量検出手段と、
   この位置ズレ量検出手段からの検出結果にもとづいて前記マスターマニピュレータの位置と前記スレーブマニピュレータの位置とを整合させるキャリブレーション作業時に前記スレーブマニピュレータの駆動機構に作用する機械的な負荷を低減させる負荷低減手段と
   を具備したことを特徴とするマニピュレータ制御装置。
2. 前記負荷低減手段は、前記キャリブレーション作業時に前記スレーブマニピュレータの移動速度を前記スレーブマニピュレータ駆動機構の機械的な負荷が低減できる程度に減速する減速手段によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ制御装置。
3. 前記負荷低減手段は、前記キャリブレーション作業時に前記マスターマニピュレータの位置検出用の座標系を前記スレーブマニピュレータの現在位置に合わせて前記位置ズレ量を補完する状態に再構築する座標補完手段によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ制御装置。
4. 前記負荷低減手段は、前記キャリブレーション作業時に前記スレーブマニピュレータの移動が可能な動作範囲内で、前記動作範囲の中心位置から一定量離れた所定の設定範囲に位置整合動作の制御実行範囲を予め設定し、前記スレーブマニピュレータの現在位置が前記制御実行範囲外である場合には前記位置整合動作を行わずに前記スレーブマニピュレータの現在位置が前記制御実行範囲外である状態を報知する報知手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ制御装置。

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