JP5669590B2

JP5669590B2 - マスタスレーブマニピュレータ及び医療用マスタスレーブマニピュレータ

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Description

本発明は、マスタスレーブマニピュレータ、及びこれを備える医療用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マニピュレータ（スレーブマニピュレータ）を、マスタ操作入力装置によって遠隔操作できるようにしたマニピュレータシステム（マスタスレーブマニピュレータ）が知られている。また、近年では、スレーブマニピュレータが有するスレーブアームに冗長自由度を持たせるようにしたマスタスレーブマニピュレータも知られている。さらに、このような冗長自由度を持つスレーブマニピュレータに対する操作入力のための操作部をマスタ操作入力装置側に設けるようにしたマスタスレーブマニピュレータも知られている。例えば、特許文献１では、ユーザの腕の動きをスレーブアームに伝えるように構成されたアーム本体においてユーザの肘が載せられる部分にさらに２自由度の運動制御が可能な肘スイッチを設けるようにしている。

特開２００６−３３４６９５号公報

一般に、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、マスタ操作入力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し易い。特許文献１では、スレーブアームの自由度とマスタ操作入力装置の自由度とを対応させるようにすることで逆運動学計算を簡略化するようにしているが、スレーブマニピュレータが冗長でない場合が考慮されていない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、冗長関節を有しないスレーブマニピュレータであっても冗長関節を有するスレーブマニピュレータであっても、同じマスタ操作入力装置によって冗長関節を有するマスタスレーブマニピュレータであっても逆運動学計算にかかる負荷を低減し操作可能なマスタスレーブマニピュレータ及び医療用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、本発明の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関節を有するスレーブマニピュレータと、操作者が位置姿勢を一意に入力可能で、その位置姿勢情報を出力可能な第１の操作部と、前記第１の操作部をベースとして前記第１の操作部とは独立して入力可能な関節を有し、その関節入力量を出力可能な第２の操作部と、を有するマスタ操作入力装置と、前記スレーブマニピュレータが冗長関節を有していない場合は、前記第２の操作部の位置姿勢を、前記スレーブマニピュレータ先端への位置姿勢入力指令値として前記スレーブマニピュレータの各関節の駆動量を算出して関節駆動指令値を生成し、前記スレーブマニピュレータが冗長関節を有している場合は、前記第１の操作部の位置姿勢を、冗長関節のうち遠位端部を固定関節と仮定し仮想的に冗長関節を有していないスレーブマニピュレータ先端への位置姿勢入力指令値として各関節の駆動量を算出し、前記第２の操作部の関節の駆動量を前記固定関節と仮定した遠位端の冗長関節への指令値としたものと合わせて関節駆動指令値を生成し、前記関節駆動指令値に基づいてスレーブマニピュレータを制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、冗長関節を有しないスレーブマニピュレータであっても冗長関節を有するスレーブマニピュレータであっても、同じマスタ操作入力装置によって冗長関節を有するマスタスレーブマニピュレータであっても逆運動学計算にかかる負荷を低減し操作可能なマスタスレーブマニピュレータ及び医療用マスタスレーブマニピュレータを提供することができる。さらに、医療用マスタスレーブマニピュレータにおいて特有の術具の交換によるスレーブマニピュレータの関節構造の変化に効果的である。

本発明の各実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの一例の全体構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る操作部の一例としての構成を示す模式図である。スレーブアームの構造の例を示す図である。スレーブアームに冗長関節が設けられていない場合の本発明の第１の実施形態のマスタスレーブマニピュレータの制御装置の動作を示すフローチャートである。図５（ａ）は、マスタ操作入力装置の模式図あり、図５（ｂ）はスレーブアームが冗長関節を有していない場合の本実施形態の逆運動学計算時において想定されるスレーブアームの模式図である。スレーブアームに冗長関節が設けられている場合の本発明の第１の実施形態のマスタスレーブマニピュレータの制御装置の動作を示すフローチャートである。図７はスレーブアームが冗長関節を有している場合の本実施形態の逆運動学計算時において想定されるスレーブアームの模式図である。スレーブアームが冗長関節である場合と、冗長関節でない場合の切替（判定）を行う制御装置の動作を示すフローチャートである。先端効果器における関節をヨー関節とする場合の変形例を示す図である。先端効果器における関節をピッチ関節とする場合の変形例を示す図である。先端効果器における関節を直動関節とする場合の変形例を示す図である。先端効果器における関節を複数とする場合の変形例を示す図である。無線式の操作部の例を示す図である。遠位端以外の構造を異ならせた場合の例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る操作部の一例としての構成を示す模式図である。本発明の第２の実施形態のマスタスレーブマニピュレータにおける動作について説明するためのフローチャートである。本発明の第３の実施形態に係る操作部の一例としての構成を示す模式図である。本発明の第３の実施形態のマスタスレーブマニピュレータにおける動作について説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の各実施形態に係るマスタスレーブマニピュレータの一例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、マスタ操作入力装置１０と、制御装置２０と、スレーブマニピュレータ３０と、を有している。

マスタ操作入力装置１０は、本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ものであって、例えば操作部１１と、表示部１２とを有している。
操作部１１は、例えば表示部１２に固定されており、操作者の操作を受けてスレーブマニピュレータ３０を操作するための操作信号を出力する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る操作部１１の一例としての構成を示す模式図である。図２に例示する操作部１１は、把持部１０１を有している。把持部１０１は、操作者が手で把持する部分である。この把持部１０１は、直交３軸方向及び各軸周りの回転方向に移動可能に支持されている。

第１の操作部の一例としての把持部１０１には、第２の操作部の一例としての第１ロール関節１０２が軸止されている。第１ロール関節１０２は、把持部１０１をベースとし、把持部１０１とは独立して操作可能な関節である。即ち、この第１ロール関節１０２は、操作者が把持部１０１を手で持った際に指先で回転可能なように構成されている。第１ロール関節１０２の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者によって第１ロール関節１０２が回転操作された場合には、その駆動量（回転量）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第１ロール関節１０２の駆動量（回転量）に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、第１ロール関節１０２には、先端効果器（end effector）操作部１０３が取り付けられている。つまり、把持部１０１の位置姿勢とは独立して、第１ロール関節１０２と先端効果器操作部１０３が操作可能に取り付けられており、第２の操作部を成している。先端効果器操作部１０３は、操作者が把持部１０１を手で持った際に指先で開閉操作可能なように構成されている。先端効果器操作部１０３の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者によって先端効果器操作部１０３が開閉操作された場合には、その開閉量（例えば開閉角）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、先端効果器操作部１０３の開閉量に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、把持部１０１は、第１リンクに取り付けられており、この第１リンクには、第２ロール関節１０４が軸止されている。第２ロール関節１０４の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者の把持部１０１の操作に伴って第２ロール関節１０４が駆動された場合には、その駆動量（回転量）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第２ロール関節１０４の駆動量に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、第２ロール関節１０４は、第２リンクに取り付けられており、この第２リンクには、第１ヨー関節１０５が軸止されている。第１ヨー関節１０５の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者の把持部１０１の操作に伴って第１ヨー関節１０５が駆動された場合には、その駆動量（回転量）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第１ヨー関節１０５の駆動量に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、ヨー関節１０５は、第３リンクに取り付けられており、この第３リンクには、ピッチ関節１０６が軸止されている。ピッチ関節１０６の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者の把持部１０１の操作に伴ってピッチ関節１０６が駆動された場合には、その駆動量（回転量）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、ピッチ関節１０６の駆動量に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、ピッチ関節１０６は、第４リンクに取り付けられており、この第４リンクは、第１直動関節１０７に取り付けられている。第１直動関節１０７の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者の把持部１０１の操作に伴って第１直動関節１０７が駆動された場合には、その駆動量（直動量）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第１直動関節１０７の駆動量に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

第１直動関節１０７からは第５リンクが延在されている。この第５リンクは、第２直動関節１０８に取り付けられている。第２直動関節１０８の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者の把持部１０１の操作に伴って第２直動関節１０８が駆動された場合には、その駆動量（直動量）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第２直動関節１０８の駆動量に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

また、第２直動関節１０８は、第６リンクに取り付けられており、この第６リンクには、第２ヨー関節１０９が軸止されている。さらに、この第２ヨー関節１０９は、第７リンクを介して例えば表示部に固定されている。また、第２ヨー関節１０９の近傍には、図示しない位置検出器（例えばエンコーダ）が設けられている。操作者の把持部１０１の操作に伴って第２ヨー関節１０９が駆動された場合には、その駆動量（回転量）が位置検出器によって検出される。この位置検出器からは、第２ヨー関節１０９の駆動量に応じた操作信号が制御装置２０のマスタ制御部２１に入力される。

以上のような構成により、図２に示す操作部１１は、把持部１０１の位置姿勢の変化に対応した６個の操作信号と第１ロール関節１０２の操作量を示す操作信号との、７自由度に対応した操作信号（＋先端効果器の操作信号）を制御装置２０のマスタ制御部２１に入力する。操作者は把持部１０１を手の平で把持し、指により先端操作効果器操作部１０３を把持し、手の平に対して指の動きで第１ロール関節１０２を動かすことができ、指の動きで先端操作器操作部１０３を動かすことが可能である。把持部１０１の位置姿勢は、関節１０９、１０８、１０７、１０６、１０５、１０４の６個の関節によって一意に定めることができ、さらに把持部１０１の位置姿勢とは独立して先端操作効果器操作部１０３を第１ロール関節１０２を用いて回転させたり、先端操作効果器操作部１０３を開閉させたりすることができる。

ここで、図１に戻って説明を続ける。図１に示す表示部１２は、例えば液晶ディスプレイから構成され、制御装置２０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２０から入力される画像信号は、スレーブアーム３１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２０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１２に表示させることにより、マスタ操作入力装置１０の操作者は、マスタ操作入力装置１０から離れた場所に配置されたスレーブマニピュレータ３０の先端の画像を確認することが可能である。

制御装置２０は、マスタ制御部２１と、マニピュレータ制御部２２と、画像処理部２３と、を有している。
マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの操作信号に従って、スレーブアーム３１の先端の位置姿勢の指令値を例えば運動学計算に従って算出し、この位置姿勢の指令値をマニピュレータ制御部２２に出力する。また、マスタ制御部２１は、マスタ操作入力装置１０からの遠位端の関節の駆動量を指令するための操作信号及び先端効果器の駆動量を指令するための操作信号をマニピュレータ制御部２２に出力する。

マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１からの位置姿勢の指令値を受けて、スレーブアーム３１の先端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３１の各関節の駆動量の指令値を算出する。そして、マニピュレータ制御部２２は、算出した指令値に従ってスレーブアーム３１の各関節を駆動させる。なお、各関節の駆動量の算出手法については後述する。また、マニピュレータ制御部２２は、マスタ制御部２１からの先端効果器の駆動量を指令するための操作信号を受けてスレーブアーム３１の先端効果器を駆動させる。

画像処理部２３は、スレーブアーム３１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１２の表示用の画像信号を生成して表示部１２に出力する。
スレーブマニピュレータ３０は、スレーブアーム３１を有している。スレーブアーム３１は、マニピュレータ制御部２２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３１の構造の例を示す。

図３（ａ）に示すスレーブアーム３１は、冗長関節を有しない例である。このスレーブアーム３１は、例えば６個の関節２０３〜２０８が連設して配置され、さらに遠位端の関節２０３に先端効果器２０１が取り付けられている。ここで、遠位端の関節とは、スレーブアーム３１が固定されている側から見て最も遠い位置に配置された関節のことを言う。また、図３（ａ）で示した先端効果器２０１は、把持器（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）や電気メスなどの処置具を取り付けても良く、先端部は交換可能になっている。

図３（ａ）に示す関節のうち、関節２０５はロール関節であり、関節２０３、２０８はヨー関節であり、関節２０４、２０７はピッチ関節である。また、関節２０６は直動関節である。図３（ａ）に示した関節２０３〜２０８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３１における先端の位置の３自由度と姿勢の３自由度とが実現される。

また、図３（ｂ）に示すスレーブアーム３１は、冗長関節を有する例である。このスレーブアーム３１は、図３（ａ）で示したスレーブアーム３１の関節２０３に、さらにロール関節２０２が連設して配置され、さらにこの関節２０２に先端効果器２０１が取り付けられている。ここで、本実施形態においては、スレーブアーム３１の遠位端に配置する冗長関節の構造がマスタ操作入力装置の把持部１０１の近傍に設けた冗長関節操作用の関節１０２と同構造である。例えば、図２の例では、関節１０２は、ロール関節である。この場合、関節２０２もロール関節である。

図３（ｂ）に示した関節２０３〜２０８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３１における先端の位置の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（ｂ）では、先端効果器２０１をローリングさせるための関節２０２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３１をローリングさせる場合において、先端効果器２０１の付近のみをローリングさせるような動作も可能である。
処置具は交換可能になっているため、例えば医療用マスタスレーブマニピュレータの場合、図３（ａ）や図３（ｂ）のように術具先端の関節配置が術中に変更されることがありうる。また、一腕のマスタ操作入力装置で、複数腕のスレーブマニピュレータを切り替えて操作することがあり、図３（ａ）のような冗長でないスレーブマニピュレータと図３（ｂ）のような冗長なスレーブマニピュレータを切り替えて操作することがある。

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。本実施形態では、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられているか否かに応じて異なる動作をする。
図４は、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられていない場合の本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの制御装置２０の動作を示すフローチャートである。
マスタ操作入力装置１０の操作部１１を把持している操作者が、操作部１１を操作することにより、その操作に応じて操作部１１を構成する各関節が駆動される。各関節が駆動されると、その駆動量が図示しない位置検出器によって検出され、各位置検出器から操作信号が制御装置２０に入力される。

図５を用いて、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられていない場合について説明する。図５（ａ）は、マスタ操作入力装置の模式図である。
スレーブアーム３１に冗長関節が設けられていない場合、制御装置２０のマスタ制御部２１は、操作部１１から入力されてきた操作信号に従ってマスタ操作入力装置１０の先端効果器操作部１０３の位置姿勢Ｍを、運動学を解くことにより、スレーブアーム３１の先端の位置姿勢の指令値として求める。なお、先端効果器操作部１０３の位置姿勢は、関節１０９、１０８、１０７、１０６、１０５、１０４、１０２及びそれらの関節を結ぶリンク長などから運動学を計算して算出できる。実際には、把持部１０１を手の平で握って操作しているため把持部１０１の位置姿勢Ｍ１０１に、関節１０２の操作量を追加して先端効果器操作部１０３の位置姿勢Ｍが計算できる。そして、マスタ制御部２１は、算出した指令値Ｍをマニピュレータ制御部２２に入力する。（ステップＳ１）。

続いて、マニピュレータ制御部２２は、入力された指令値Ｍに基づいてスレーブアーム３１の先端の逆運動学を解くことにより、スレーブアーム３１の各関節の駆動量の指令値を求める（ステップＳ２）。図５（ｂ）はスレーブアーム３１が冗長関節を有していない場合の本実施形態の逆運動学計算時において想定されるスレーブアーム３１の模式図である。スレーブアーム３１が冗長関節を有していない場合には、図５（ｂ）の先端位置に対して逆運動学を解く。スレーブアーム３１が冗長関節を有していない場合には、比較的容易に逆運動学を解くことが可能である。

各関節の駆動量の指令値を求めた後、マニピュレータ制御部２２は、求めた指令値をスレーブマニピュレータ３０に入力し、スレーブアーム３１の各関節を駆動する（ステップＳ３）。
図６は、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられている場合の本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの制御装置２０の動作を示すフローチャートである。

スレーブアーム３１に冗長関節が設けられている場合、制御装置２０のマスタ制御部２１は、操作部１１から入力されてきた関節１０４〜１０９に対応した操作信号に従ってマスタ操作入力装置１０の把持部１０１の運動学を解くことにより、把持部１０１の位置姿勢Ｍ１０１をスレーブアーム３１の先端の位置姿勢の指令値Ｍとして求める。そして、マスタ制御部２１は、算出した指令値Ｍをマニピュレータ制御部２２に入力する。（ステップＳ１１）。

続いて、マニピュレータ制御部２２は、入力された指令値Ｍに基づいてスレーブアーム３１の関節２０２がないものとして（即ち、関節２０２を固定関節と仮定して）、スレーブアーム３１の先端の逆運動学を解くことにより、スレーブアーム３１の関節２０３〜２０８の駆動量の指令値を求める（ステップＳ１２）。図７はスレーブアーム３１が冗長関節を有している場合の本実施形態の逆運動学計算時において想定されるスレーブアーム３１の模式図である。本実施形態では、第１ロール関節１０２と関節２０２とが同一構造であり、関節２０２の駆動量を第１ロール関節によって直接的に指令可能である。このため、図７に示すように、スレーブアーム３１が冗長関節を有している場合において、冗長関節がないものとして逆運動学を解いたとしてもスレーブアーム３１の先端の位置姿勢を正しく制御することが可能である。スレーブアーム３１で先端関節２０２がないものとして逆運動学をとくことにより、冗長な逆運動学計算をすることなく比較的簡単に逆運動学を解くことが可能である。

続いて、マスタ制御部２１は、操作部１１から入力されてきた第１ロール関節１０２に対応した操作信号に従って第１ロール関節１０２の動作量（図５（ａ）に示す第１ロール関節１０２の回転量）Ｍｒを求め、求めた動作量Ｍｒをマニピュレータ制御部２２に入力する（ステップＳ１３）。これを受けて、マニピュレータ制御部２２は、動作量Ｍｒをスレーブアーム３１の遠位端の関節２０２の駆動量（図７に示す関節２０２の回転量）とする（ステップＳ１４）。

各関節の駆動量の指令値を求めた後、マニピュレータ制御部２２は、求めた指令値をスレーブマニピュレータ３０に入力し、スレーブアーム３１の各関節を駆動する（ステップＳ１５）。
以上説明したように、本実施形態においては、スレーブアーム３１の冗長関節の駆動量を操作者が指令するための操作関節としての第１ロール関節１０２をマスタ操作入力装置１０の操作部１１に設けている。そして、スレーブアーム３１が冗長関節を有していない場合には、スレーブアーム３１の全体としての逆運動学を解くことによって各関節の駆動量を求めている。また、スレーブアーム３１が冗長関節を有している場合には、遠位端の冗長関節２０２がないものとして逆運動学を解くことによって冗長関節２０２以外の関節の駆動量を求め、また冗長関節２０２についてはマスタ操作入力装置１０からの指令値を利用して駆動量を求めている。これにより、本実施形態では、スレーブアーム３１が冗長関節を有しているか否かによらずに、逆運動学計算にかかる負荷を低減することが可能であり、スレーブマニピュレータの関節構造が変更されても、同じマスタ操作入力装置を用いてマスタスレーブ操作が可能である。
上述では、スレーブアーム３１が冗長関節を有している場合と有していない場合とで場合わけしているが、図８に示すような冗長関節を有しているか否かの判定を時々刻々繰り返すようにすれば、マスタスレーブ操作中にスレーブアーム３１の先端効果器の関節構成を変更しても、スレーブマニピュレータへの関節駆動指令値を制御部で変更することにより、操作中リアルタイムに変更することができる。
図８において、制御装置２０のマスタ制御部２１は、操作部１１から入力されてきた操作信号に従ってマスタ操作入力装置１０の把持部１０１の位置姿勢Ｍ１０１を、運動学を解くことにより算出する。また、マスタ制御部２１は、操作部１１から入力されてきた第１ロール関節１０２の操作信号から関節１０２の動作量Ｍｒを取得する（ステップＳ１０１）。
続いて、マスタ制御部２１は、スレーブマニピュレータ３０のスレーブアーム３１が冗長関節を有しているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この判定のための構成として、マスタ制御部２１は、内部にメモリを有している。このメモリには、スレーブアーム３１が冗長関節を有しているか否かを識別するためのフラグが格納される。例えば、冗長関節を有している場合、メモリには“１”のフラグが格納され、冗長関節を有していない場合、メモリには“０”のフラグが格納される。マスタ制御部２１は、メモリからフラグを読み出すことにより、ステップＳ１０２の判定を行う。
ステップＳ１０２の判定において、スレーブアーム３１が冗長関節を有していない場合、マスタ制御部２１は、ステップＳ１０１で算出した把持部１０１の位置姿勢Ｍｒ１０１に、関節１０２の動作量Ｍｒを乗じることにより、スレーブアーム３１の先端の位置姿勢の指令値Ｍを算出する（ステップＳ１０３）。
マニピュレータ制御部２２は、ステップＳ１０３においてマスタ制御部２１によって算出された指令値Ｍに基づいてスレーブアーム３１の先端の逆運動学を解くことにより、スレーブアーム３１の各関節の駆動量の指令値を求める（ステップＳ１０４）。
また、ステップＳ１０２の判定において、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられている場合、制御装置２０のマスタ制御部２１は、操作部１１から入力されてきた関節１０２の動作量Ｍｒを関節２０２の駆動量とし、また、位置姿勢Ｍ１０１をスレーブアーム３１の先端の位置姿勢の指令値Ｍとする（ステップＳ１０５）。
マニピュレータ制御部２２は、入力された指令値Ｍに基づいてスレーブアーム３１の関節２０２がないものとして（関節２０２を固定関節と仮定して）、スレーブアーム３１の先端の逆運動学を解くことにより、スレーブアーム３１の関節２０３〜２０８の駆動量の指令値を求める。また、動作量Ｍｒをスレーブアーム３１の遠位端の関節２０２の駆動量とする（ステップＳ１０６）。
各関節の駆動量の指令値を求めた後、マニピュレータ制御部２２は、求めた指令値をスレーブマニピュレータ３０に入力し、スレーブアーム３１の各関節を駆動する（ステップＳ１０７）。以上の図８で示した制御が時々刻々繰り返される。

［変形例］
以下、本実施形態の変形例について説明する。図２に示した例では、把持部１０１にロール関節を設けた例を示している。これは、スレーブアーム３１の遠位端（先端効果器の関節がロール関節であるためである。スレーブアーム３１の遠位端の関節がロール関節でない場合には、把持部１０１に設ける関節も変更する。例えば、図９（ａ）に示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節がヨー関節である場合には、図９（ｂ）に示すように把持部１０１に設ける関節１０２１もヨー関節とする。同様に、図１０（ａ）に示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節がピッチ関節である場合には、図１０（ｂ）に示すように把持部１０１に設ける関節１０２２もピッチ関節とする。また、図１１（ａ）に示すように、スレーブアーム３１の遠位端の関節が直動関節である場合には、図１１（ｂ）に示すように把持部１０１に設ける関節１０２３も直動関節とする。

さらに、図１２（ａ）に示すように、スレーブアーム３１の遠位端に２種以上の独立な関節２０２ａ、２０２ｂが設けられている場合には、把持部１０１に設ける関節も複数とする。例えば、図１２（ａ）は、６自由度に対応した関節２０３〜２０８に加えて、ロール関節２０２ｂと、直動関節２０２ａとを加えた８自由度のスレーブアーム３１を例示している。この場合には、把持部１０１においても、ロール関節１０２ｂと直動関節１０２ａとを有する独立して操作可能な２つの関節を設ける。このように構成することで、スレーブアーム３１の遠位端の関節と把持部１０１に設けた関節とを同一の構造とすることができる。これにより、操作者は、スレーブアーム３１のロール関節２０２ｂと、直動関節２０２ａとを直感的に操作することが可能である。なお、図１２（ｂ）の例は、２つの関節を設けた例であるが、スレーブアーム３１の関節数が増加した場合にはそれに応じてマスタ操作入力装置１０の把持部１０１に設ける関節数も増加させる。

また、スレーブアーム３１の先端効果器２０１の構造が図３で示したものと異なるものとなる場合には、それに合わせて先端効果器操作部１０３の構造も変化させることが望ましい。
さらに、図２に示した操作部１１に設けた関節１０４〜１０９は、スレーブアーム３１の先端の位置姿勢を指令するためのものであって、スレーブアーム３１の先端の位置姿勢を指令できるのであれば、関節１０４〜１０９はなくとも良い。例えば、操作部１１に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）を設けるようにすれば、図１３に示すようにして、操作部１１を構成することもできる。図１３の例において、操作者１が操作部１１の把持部１０１を把持し、当該操作部１１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、位置の３自由度に対応した操作信号を与えることが可能である。姿勢の３自由度に対応した操作信号については、例えばカメラ１３によって得られた画像を解析することによって得る。なお、図１３は、操作部１１で得られた操作信号を、無線通信部１４を経由して無線通信可能とした例を示している。勿論、図１３の例において、操作部１１で得られた操作信号を有線通信するようにしても良い。また、操作部１１の姿勢を、角速度センサを用いて検出するようにしても良い。

このように、マスタ操作入力装置１０の冗長関節操作用の関節１０２とスレーブアーム３１の遠位端の冗長関節２０２との構造が同一であれば、その他の部分の構造が異なっていたとしても本実施形態の技術を適用することが可能である。即ち、図１４に示すように、マスタ操作入力装置１０が、関節１０２以外の部分によってｘ自由度（ＤＯＦ）の指令値を与えるような任意の構造であり、スレーブアーム３１が、関節２０２以外の部分によってｙ自由度の駆動を行えるような任意の構造であっても、関節１０２と関節２０２とが同構造であれば、本実施形態の技術を適用することが可能である。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１５は、本発明の第２の実施形態に係る操作部１１の構成を示す模式図である。ここで、図１５において、図２と同一の構成については図２と同一の参照符号を付すことで説明を省略する。

図１５に示すように、第２の実施形態においては、把持部１０１の近傍に、独立して操作可能な操作関節としての複数の関節１０２、１０２１、１０２２、１０２３が配置されている。これらの関節は、何れも異なる自由度に対応している。図１５において、関節１０２はロール関節、関節１０２１はヨー関節、関節１０２２はピッチ関節、関節１０２３は直動関節をそれぞれ示している。

さらに、関節１０２、１０２１、１０２２、１０２３の近傍には、ロック部１０２４が設けられている。ロック部１０２４は、ＩＣとロック機構とを有している。このロック部１０２４は、スレーブアーム３１の遠位端の関節構造を示す情報を読み取り、関節１０２、１０２１、１０２２、１０２３のうち、スレーブアーム３１の遠位端の関節構造と対応していない関節を操作不能とするようにロック機構を動作させる。ここで、ロック機構は、係止部材等を用いて機械的に関節をロックするような機構であっても良いし、リレー等を用いて電気的に関節をロックするような機構であっても良い。この他、遠位端の関節構造と対応していない関節が操作されても操作信号が出力されなくなるようにしたり、遠位端の関節構造と対応していない関節からの操作信号を無視するようにしても良い。

また、マスタスレーブマニピュレータの一例の全体構成は図１とほぼ同じものが適用できる。ただし、第２の実施形態においては、制御装置２０のマニピュレータ制御部２２は、スレーブマニピュレータ３０と通信してスレーブアーム３１の情報を取得し、取得したスレーブアーム３１の情報をマスタ制御部２１に出力するように構成されている。そして、ロック部１０２４は、必要に応じてマスタ制御部２１に保存されているスレーブアーム３１の情報を取得できるように構成されている。ここで、スレーブアーム３１の情報としては、スレーブアーム３１が遠位端に冗長関節を有しているか否かを示す情報、遠位端に冗長関節を有している場合にはその関節の構造がどのようになっているかを示す情報、を少なくとも含む。

図１６は、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータにおけるロック部１０２４の動作について説明するためのフローチャートである。
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの動作を開始させるにあたり、ロック部１０２４は、制御装置２０のマスタ制御部２１と通信を行い、スレーブアーム３１の情報を取得する（ステップＳ２１）。スレーブアーム３１の情報を取得した後、ロック部１０２４は、スレーブアーム３１が遠位端に冗長関節を有しているか否かを判定する（ステップＳ２２）。

ステップＳ２２の判定において、スレーブアーム３１が遠位端に冗長関節を有している場合に、ロック部１０２４は、スレーブアーム３１の情報から、スレーブアーム３１の遠位端の関節の構造を識別する（ステップＳ２３）。そして、ロック部１０２４は、関節１０２、１０２１、１０２２、１０２３のうち、スレーブアーム３１の遠位端の関節構造と対応していない関節を操作不能とするようにロック機構を動作させる（ステップＳ２４）。例えば、スレーブアーム３１が図３で示したような構造であれば、ロック部１０２４は、関節１０２１、１０２２、１０２３を操作不能とするようにロック機構を動作させる。その後は、図６で示した、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられている場合のマスタスレーブマニピュレータの制御装置２０の動作が行われる（ステップＳ２５）。

一方、ステップＳ２２の判定において、スレーブアーム３１が遠位端に冗長関節を有していない場合に、ロック部１０２４はロック機構を動作させない。その後は、図４で示した、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられていない場合のマスタスレーブマニピュレータの制御装置２０の動作が行われる（ステップＳ２６）。

以上説明したように、本実施形態においては、スレーブアーム３１の遠位端の関節を操作するための操作関節として複数の自由度に対応した関節を連接している。そして、スレーブアーム３１の遠位端の構造を識別し、操作部１１の関節のうちで必要な関節以外を操作不能としている。これにより、マスタ操作入力装置１０の構造を変えることなく、種々の構造のスレーブマニピュレータに対して第１の実施形態で説明した技術を適用することが可能である。

また、必要な関節以外は操作不能なようにロックしてしまうことにより、操作者が誤って必要な関節以外の関節を操作し、スレーブアーム３１が誤った挙動をしてしまう可能性もない。
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１７は、本発明の第３の実施形態に係る操作部１１の構成を示す模式図である。ここで、図１７において、図２と同一の構成については図２と同一の参照符号を付すことで説明を省略する。

図１７に示すように、第３の実施形態においては、スレーブアーム３１の遠位端の関節を操作するための操作関節が差し替え可能となっている。図１７では、差し替え可能な関節として、関節１０２、関節１０２１、関節１０２２、関節１０２３、関節１０２及び１０２３を例示している。
また、マスタスレーブマニピュレータの一例の全体構成は図１とほぼ同じものが適用できる。ただし、第３の実施形態においては、第２の実施形態と同様に、制御装置２０のマニピュレータ制御部２２は、スレーブマニピュレータ３０と通信してスレーブアーム３１の情報を取得し、取得したスレーブアーム３１の情報をマスタ制御部２１に出力するように構成されている。そして、マスタ操作入力装置１０は、必要に応じてマスタ制御部２１に保存されているスレーブアーム３１の情報を取得できるように構成されている。

図１８は、本実施形態のマスタスレーブマニピュレータにおける動作について説明するためのフローチャートである。
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータの動作を開始させるにあたり、マスタ操作入力装置１０は、スレーブアーム３１の情報を取得する（ステップＳ３１）。スレーブアーム３１の情報を取得した後、マスタ操作入力装置１０は、スレーブアーム３１が遠位端に冗長関節を有しているか否かを判定する（ステップＳ３２）。

ステップＳ３２の判定において、スレーブアーム３１が遠位端に冗長関節を有している場合に、マスタ操作入力装置１０は、スレーブアーム３１の情報から、スレーブアーム３１の遠位端の関節の構造を識別する（ステップＳ３３）。そして、マスタ操作入力装置１０は、識別した情報を例えば表示部１２に表示させる。表示部１２に表示された情報を見て、操作者は、把持部１０１の近傍に配置される遠位端の冗長関節操作用の関節を、スレーブアーム３１の遠位端の関節構造と対応した関節に差し替える（ステップＳ３４）。その後は、図６で示した、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられている場合のマスタスレーブマニピュレータの制御装置２０の動作が行われる（ステップＳ３５）。

一方、ステップＳ３２の判定において、スレーブアーム３１が遠位端に冗長関節を有していない場合には、差し替えを行う必要がない。この場合に、操作者は、先端効果器操作部１０３が設けられた任意の構造の関節を把持部１０１に装着する。勿論、関節を装着しなくとも良い。その後は、図４で示した、スレーブアーム３１に冗長関節が設けられていない場合のマスタスレーブマニピュレータの制御装置２０の動作が行われる（ステップＳ３６）。

以上説明したように、本実施形態においても、第２の実施形態と同様に、マスタ操作入力装置１０の構造を変えることなく、種々の構造のスレーブマニピュレータに対して第１の実施形態で説明した技術を適用することが可能である。
ここで、上述の例では、冗長関節を操作するための操作関節の差し替えを操作者が行う例を示している。この差し替えを自動的に行うようにしても良い。
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本実施形態は、手術中に術具交換を行い、スレーブマニピュレータ３０の関節構造が変化するような医療用マスタスレーブマニピュレータにおいて、特にその効果を発揮する。マスタスレーブ操作中に、スレーブマニピュレータ３０の先端効果器の関節構成を変更しても、上述の図８に示すようにスレーブマニピュレータ３０への指令値を制御部で変更することにより、術中リアルタイムに変更することができる。

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。
さらに、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。

１０…マスタ操作入力装置、１１…操作部、１２…表示部、２０…制御装置、２１…マスタ制御部、２２…マニピュレータ制御部、２３…画像処理部、３０…スレーブマニピュレータ、３１…スレーブアーム、１０１…把持部（第１の操作部）、１０２…第１ロール関節（第２の操作部）、１０３…先端効果器操作部（第２の操作部）、１０４…第２ロール関節、１０５…第１ヨー関節、１０６…ピッチ関節、１０７…第１直動関節、１０８…第２直動関節、１０９…第２ヨー関節

Claims

複数の自由度に対応した関節を有するスレーブマニピュレータと、
操作者が位置姿勢を一意に入力可能で、その位置姿勢情報を出力可能な第１の操作部と、前記第１の操作部をベースとして前記第１の操作部とは独立して入力可能な関節を有し、その関節入力量を出力可能な第２の操作部と、を有するマスタ操作入力装置と、
前記スレーブマニピュレータが冗長関節を有していない場合は、前記第２の操作部の位置姿勢を、前記スレーブマニピュレータ先端への位置姿勢入力指令値として前記スレーブマニピュレータの各関節の駆動量を算出して関節駆動指令値を生成し、前記スレーブマニピュレータが冗長関節を有している場合は、前記第１の操作部の位置姿勢を、冗長関節のうち遠位端部を固定関節と仮定し仮想的に冗長関節を有していないスレーブマニピュレータ先端への位置姿勢入力指令値として各関節の駆動量を算出し、前記第２の操作部の関節の駆動量を前記固定関節と仮定した遠位端の冗長関節への指令値としたものと合わせて関節駆動指令値を生成し、前記関節駆動指令値に基づいてスレーブマニピュレータを制御する制御部と、
を有することを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。
前記第２の操作部と前記冗長関節とは同構造であ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。
前記第２の操作部は、
前記スレーブマニピュレータの複数の自由度に対応しており、独立して操作自在に構成された複数の操作関節と、
前記スレーブマニピュレータの冗長関節と対応していない操作関節を操作不能なようにロックするロック部と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
前記第２の操作部は、前記スレーブマニピュレータの冗長関節と同構造の関節に差し替え可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
前記スレーブマニピュレータは、交換可能な先端効果器を有し、
前記制御部は、前記先端効果器の交換に応じて、前記スレーブマニピュレータが冗長関節を有しているか否かを判定し、該判定結果に応じて、前記関節駆動指令値を生成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
請求項１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を備えることを特徴とする医療用マスタスレーブマニピュレータ。