特許 6117922 医療用マニピュレータおよびその作動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6117922

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】医療用マニピュレータおよびその作動方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/37 20160101AFI20170410BHJP

   B25J 13/00 20060101ALI20170410BHJP

【ＦＩ】

   A61B34/37

   B25J13/00 Z

【請求項の数】15

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2015-522258(P2015-522258)

(86)(22)【出願日】2013年6月13日

(86)【国際出願番号】JP2013003707

(87)【国際公開番号】WO2014199414

(87)【国際公開日】20141218

【審査請求日】2015年12月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000109543

【氏名又は名称】テルモ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(74)【代理人】

【識別番号】100134175

【弁理士】

【氏名又は名称】永川 行光

(72)【発明者】

【氏名】神野 誠

(72)【発明者】

【氏名】佐野 弘明

【審査官】 毛利 大輔

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３２９４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２４９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０６９２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１４８８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０７７５７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０３４６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１０４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２６４０６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ ３４／３７

Ｂ２５Ｊ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

医療器具を装着可能な多自由度アームを有する医療用マニピュレータであって、
前記多自由度アームに装着された医療器具を体内へ挿入するための挿入口の空間位置を示す挿入口位置を保持する保持手段と、
前記体内の外部において、前記医療器具の先端部と前記挿入口位置とを通る直線上に前記医療器具の長軸が一致するように前記医療器具の挿入姿勢を決定する決定手段と、
前記決定手段で決定された挿入姿勢となるように前記多自由度アームを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする医療用マニピュレータ。

【請求項2】

前記医療器具は、体内に挿入されるシャフト部分を有し、前記医療器具の長軸は前記シャフト部分の長軸と一致し、
前記決定手段は、ユーザにより指定された空間位置と前記挿入口位置とを結ぶ直線上に前記医療器具の前記シャフト部分の長軸が一致するように前記挿入姿勢を決定し、
前記制御手段は、前記挿入姿勢となるように、前記多自由度アームを全軸同期動作または直線補間動作により駆動することを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項3】

前記保持手段は、さらに前記挿入口位置が示す挿入口を通して前記医療器具を体内へ挿入するための挿入方向を前記挿入口位置に対応付けて保持し、
前記医療器具は、体内に挿入されるシャフト部分を有し、前記医療器具の長軸は前記シャフト部分の長軸と一致し、
前記決定手段は、前記挿入口位置を通る前記挿入方向の直線上に前記医療器具の前記長軸が一致するように前記挿入姿勢を決定し、
前記制御手段は、前記挿入姿勢となるように、前記多自由度アームを全軸同期動作または直線補間動作により駆動することを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項4】

前記決定手段は、前記多自由度アームのベース側の所定数の軸を固定し、固定されていない軸の回転を用いて実現される前記挿入姿勢を決定し、
前記制御手段は、前記所定数の軸を固定し、固定されていない軸の回転により前記挿入姿勢への移動を制御することを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項5】

前記制御手段は、前記固定されていない軸の回転を関節同期動作により行うことを特徴とする請求項４に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項6】

前記制御手段は、前記固定されていない軸の回転を、ユーザ操作に応じたジョグ動作によりおこなうことを特徴とする請求項４に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項7】

前記制御手段は、前記ジョグ動作において、前記固定されていない軸の前記挿入姿勢から遠ざかる方向への動作を禁止することを特徴とする請求項６に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項8】

前記制御手段は、前記固定されていない軸について、ユーザの手動操作による外力により回転できるように半固定とすることを特徴とする請求項４に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項9】

前記制御手段は、前記挿入姿勢から遠ざかる方向へはユーザが操作できないように前記半固定の軸をロックすることを特徴とする請求項８に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項10】

前記保持手段は、さらに前記挿入口位置が示す挿入口を通して前記医療器具を体内へ挿入するための挿入方向を前記挿入口位置に対応付けて保持し、
前記制御手段は、前記決定手段で決定された前記挿入姿勢による前記医療器具の前記長軸の前記挿入口位置への方向が、前記保持手段に保持されている前記挿入方向に対して許容範囲外となる場合に警告を行うことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項11】

前記制御手段は、前記多自由度アームの駆動において、前記挿入口位置を前記医療器具の一部が通過している状態を維持するように前記医療器具の移動を制限する動作制限のありの状態と、前記動作制限のない状態を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項12】

前記動作制限のない状態と前記動作制限のありの状態との間の遷移は、それぞれの移行動作を経てなされることを特徴とする請求項１１に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項13】

前記動作制限のない状態から前記動作制限のありの状態へ遷移する移行動作は、前記決定手段で決定された前記挿入姿勢に前記医療器具の位置、姿勢を合わせる姿勢合せ動作と、前記医療器具を移動して前記挿入口位置を通過させる動作とから構成されることを特徴とする請求項１２に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項14】

前記動作制限のありの状態から前記動作制限のない状態へ遷移させる移行動作は、前記医療器具を移動して前記挿入口位置から抜去する動作から構成されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の医療用マニピュレータ。

【請求項15】

医療器具を装着可能な多自由度アームを有する医療用マニピュレータの作動方法であって、
保持手段が、前記多自由度アームに装着された医療器具を体内へ挿入するための挿入口の空間位置を示す挿入口位置をメモリに保持する保持工程と、
決定手段が、前記体内の外部において、前記医療器具の先端部と前記挿入口位置とを通る直線上に前記医療器具の長軸が一致するように前記医療器具の挿入姿勢を決定する決定工程と、
制御手段が、前記決定工程で決定された挿入姿勢となるように前記多自由度アームを制御する制御工程と、を有することを特徴とする医療用マニピュレータの作動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、遠隔操作型手術システムにおける医療用マニピュレータおよびその制御方法に関し、特に腹腔鏡下手術、胸腹腔鏡下手術など、体内に内視鏡や鉗子などの医療器具を挿入して行う低侵襲手術を支援するのに好適な医療用マニピュレータおよびその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

低侵襲外科手術は、術後の痛みがより少ないこと、病院滞在がより短いこと、通常活動により早く復帰（社会復帰）できること、および組織の損傷がより少ないこと、など、伝統的な開腹手術技術に対して多くの利点を有する。一方で、外科医には、動作や視野、術具などの制約から、高度な手技や高い熟練性が要求される。結果として、そのような制約を回避できるロボット外科手術システムを用いる低侵襲外科手術の必要性は、強くかつ大きくなっている。

【0003】

腹腔鏡下手術は、低侵襲外科手術の１タイプである。腹腔鏡下手術では、患者の腹壁の小さな切開部位から腹壁をとおって腹腔に腹腔鏡および鉗子が挿入される。術者は、腹腔鏡により腹腔の組織を観察しながら、鉗子による手術を行う。腹腔は、通常、二酸化炭素などによって膨張させられる。これらを実現するために、トラカールと称される器具を腹壁の切開部位に挿入し、トラカールを介して腹腔鏡や鉗子が腹腔に挿入される。このようにして多くの外科手術手順が、大きなまたは開いた腔の外科手術の切開を必要とすることなく行われ得る。

【0004】

特許文献１には、上記のような腹腔鏡外科手術をより容易にかつ安全に実施できるように、腹腔に挿入されて処置を行うための鉗子を遠隔操作して行えるようにした遠隔操作型手術システムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００８−５２８１３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、複数アームを有する上述の遠隔操作型手術システムにおいては、トラカール位置の変更に対する対応について考慮されていない。トラカール位置が変更されると、それに応じてアームの機械的な設定や物理的な配置を変更する必要などが生じ、利便性に欠けていた。

【0007】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、腹腔鏡下手術における鉗子等の、挿入口から体内に医療器具を挿入して行われる手術において、挿入口位置の変更などに柔軟に対応可能な遠隔操作型手術システムを実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するための本発明の一態様による医療用マニピュレータは以下の構成を備える。すなわち、
医療器具を装着可能な多自由度アームを有する医療用マニピュレータであって、
前記多自由度アームに装着された医療器具を体内へ挿入するための挿入口の空間位置を示す挿入口位置を保持する保持手段と、
前記体内の外部において、前記医療器具の先端部と前記挿入口位置とを通る直線上に前記医療器具の長軸が一致するように前記医療器具の挿入姿勢を決定する決定手段と、
前記決定手段で決定された挿入姿勢となるように前記多自由度アームを制御する制御手段と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、鉗子等の医療器具の体内への挿入口位置の変更などに柔軟に対応可能な遠隔操作型手術システムを提供することができる。

【0010】

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。

【図面の簡単な説明】

【0011】

添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。

【図1】実施形態による遠隔操作型手術システムの構成を示す図である。

【図2】スレーブアームを説明する図である。

【図3】マスタアームを説明する図である。

【図4】ロボットコントローラの構成例を示すブロック図である。

【図5】遠隔操作による腹腔鏡下手術の支援動作を説明するフローチャートである。

【図6A】姿勢合わせ動作を説明するフローチャートである。

【図6B】姿勢合わせ動作を説明するフローチャートである。

【図7】挿入動作を説明するフローチャートである。

【図8】トラカール制限下におけるスレーブアームの駆動処理を説明するフローチャートである。

【図9】スレーブアームの姿勢合わせ動作を説明する図である。

【図10】トラカール制限下のマスタアームとスレーブアームの動作を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。

【0013】

図１は、実施形態による遠隔操作型手術システムの構成例を示す図である。図１に示される構成において、多自由度ロボットアームであるスレーブアーム２１はマスタアーム３１の動きに追従して動作する。術者がマスタアーム３１を操作することにより腹腔鏡下手術などの低侵襲手術が遠隔操作により実現される。

【0014】

ロボットコントローラ１１は、スレーブアーム２１の各軸の駆動を制御する。ロボットコントローラ１１には、必要に応じ、ティーチングペンダント１２、タッチパネルディスプレイ１３、キーボード１４などの操作インターフェースが接続される。ティーチングペンダント１２は、ロボットコントローラ１１に対して、ユーザ操作に従ってスレーブアーム２１のジョグ動作などの指示を行う。タッチパネルディスプレイ１３は、スレーブアーム２１の各種動作状態を表示したり、各種動作指示を行うためのグラフィカルユーザインターフェースを提供したりする。キーボード１４は、ロボットコントローラ１１への種々のデータ入力を行うのに用いられる。たとえば、ユーザは、キーボード１４を用いてスレーブアーム２１のティーチング位置の座標値を入力したり、ジョグ動作を指示したりすることができる。なお、ジョグ動作とは、ティーチングペンダント１２、タッチパネルディスプレイ１３、キーボード１４などの操作インターフェースから、ボタンのＯＮ／ＯＦＦ操作などにより、ロボットを所定の速度で所定の方向へ誘導したり、ロボットの所定の軸を所定の速度で駆動したりする動作のことを言う。

【0015】

スレーブアーム２１としては、例えば、産業用ロボットとして一般的な６軸の垂直多関節型ロボットアームを用いることができる。スレーブアーム２１の先端部には腹腔鏡下手術のための鉗子２２が装着されている。なお、スレーブアーム２１の自由度は６軸に限定されるものではなく、その自由度配置も限定されるものではないが、腹腔鏡下手術において必要な動作を実現できるだけの自由度と自由度配置を有している必要がある。スレーブアーム２１の詳細は図２により後述する。

【0016】

通常、手術ロボットに装着されている鉗子は多自由度鉗子であり、先端部にヨー軸・ロール軸やピッチ軸・ヨー軸およびグリッパ軸を有し、グリッパを腹腔内の任意の位置・姿勢に誘導できるようになっている。但し、手術ロボットにおいて、必ずしも多自由度鉗子である必要はないため、本明細書では、鉗子の先端部の自由度については、特に詳細を記載しない。ただし、手術手技を行う上で、グリッパ、ハサミ、Ｌ字フック、電気メス、エネルギーデバイスなど、何らかのエンドエフェクタは、先端部の関節やエンドエフェクタの自由度の有無に関わらず、当然必要である。また、内視鏡（腹腔鏡、胸腔鏡、子宮鏡、鼻腔鏡など体内観察可能な内視鏡）を保持させることで、内視鏡保持アームとして構成することも可能である。

【0017】

マスタアーム３１は、術者がスレーブアーム２１による鉗子２２の動きを指示するための操作部を提供する。座標出力装置３２は、マスタアーム３１によって指示される空間位置を３次元座標値としてロボットコントローラ１１に出力する。なお、座標出力装置３２は、ロボットコントローラ１１に内蔵されていてもよい。マスタアーム３１の構成や座標出力装置３２が出力する座標値の詳細については図３により後述する。フットスイッチ３３は、マスタアーム３１による操作の有効、無効を示す操作中信号をロボットコントローラ１１へ出力する。なお、このような操作中信号を発生する構成としては、フットスイッチに限られるものではなく、鉗子２２の空間位置を指定するためのユーザ操作以外のユーザ操作に応じて操作中信号を出力するものであればよい。たとえば、マスタアーム３１の把持部に操作中信号のオン、オフを行うためのスイッチを設けたものであってもよい。

【0018】

カメラ４１は、患者の腹腔内を撮影し、その映像信号をカメラコントローラ４２に送る。カメラコントローラ４２はカメラ４１から受信した映像信号をモニタ４３に表示する。術者は、スレーブアーム２１により動かされる鉗子２２の腹腔内の位置や患者の臓器（患部）の位置等をモニタ４３により確認しながらマスタアーム３１を操作することにより手術を実施することができる。したがって術者は、通常の腹腔鏡下手術と類似した環境下で手術を行うことが可能となる。

【0019】

図２は本実施形態によるスレーブアーム２１を説明する図である。上述したように、スレーブアーム２１は６軸の多関節型アームであり、図２の２ａに示されるようにベース２０１の側から順に第１軸、第２軸、…、第６軸を有する。各軸は例えばサーボモータにより回転駆動される。図２の２ｂは、スレーブアーム２１の各軸およびアームを模式的に表記した図であり、θ1〜θ6は第１軸〜第６軸のそれぞれの軸周りの回転角度（位置）を示すものとする。

【0020】

鉗子２２の先端部の位置は３次元座標（x,y,z）で表され、鉗子２２の姿勢は例えば、ｘｙｚ軸周りの角度（Rx,Ry,Rz）で表される。鉗子２２の位置姿勢は（x,y,z,Rx,Ry,Rz）により一意に定まり、逆運動学計算によりその位置姿勢を実現する第１軸〜第６軸の各軸の角度（θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6）が算出される。また、第１軸〜第６軸の各軸の角度（θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6）から、順運動学計算により鉗子２２の位置姿勢（x,y,z,Rx,Ry,Rz）を求めることができる。

【0021】

スレーブアーム２１の先端部には鉗子装着部２０２が設けられており、鉗子２２が装着される。鉗子２２は、鉗子装着部２０２に対して着脱自在な構成とすることにより、手技に応じて、適宜、交換できる構成とすることができる。ここで、第６軸（回転軸）と鉗子２２のシャフト（鉗子シャフト）、すなわち鉗子２２の長軸とを一致させると、鉗子シャフトの回転動作を第６軸の駆動のみで実現することができ、好都合である。すなわち、第１軸〜第５軸を動かさずに鉗子シャフトを回転させることができ、鉗子シャフトを回転する際にアーム全体は動かない。そのため、スレーブアームを複数台設置したような場合に他のアームとの干渉のリスクを低減でき、関節の駆動範囲や関節の動作速度のリミットを緩くすることができる。また、鉗子先端部にグリッパ軸などのエンドエフェクタを有することで、患者腹腔内での鉗子先端部のエンドエフェクタの位置決めと鉗子シャフト周りの回転を行なうことが可能となり、通常の、腹腔鏡下の手技の実現が可能となる。

【0022】

図３は実施形態によるマスタアーム３１を説明する図である。マスタアーム３１はマスタ鉗子ハンドル３０１、マスタ鉗子シャフト３０２、仮想トラカール部３０３、ベース３０４、位置伝達機構３０６を有する。マスタ鉗子ハンドル３０１は、術者がマスタ鉗子シャフト３０２を操作するために把持する部分である。鉗子２２がグリッパや鉗子先端部の関節軸などの駆動部を有する場合に、マスタ鉗子ハンドル３０１にその駆動部を操作するためのユーザインターフェースを設けてもよい。

【0023】

マスタ鉗子シャフト３０２は、仮想トラカール部３０３によりベース３０４に対して、２軸回転支持されるとともに、円筒スライド支持される。この２軸回転支持により、マスタ鉗子シャフト３０２は鉛直軸周りの回転３１１と水平軸周りの回転３１２が可能に支持される。また、円筒スライド支持により、マスタ鉗子シャフト３０２は、シャフト軸方向３１３へのスライド、シャフトの回転３１４が可能に支持される。

【0024】

以上の構成により、術者はマスタ鉗子シャフト３０２の先端部３０５を３次元空間の任意の位置に移動することができる。位置伝達機構３０６が、６軸垂直多関節型ロボットアームと同様の構成の場合、先端部３０５の３次元空間の位置（空間位置）は、位置伝達機構３０６を介して座標出力装置３２へ伝えられ、座標出力装置３２はこの３次元位置に対応する座標値（x,y,z）をロボットコントローラ１１へ出力することが可能となる。なお、シャフトの回転３１４の回転角度（r）も座標出力装置３２を介してロボットコントローラ１１へ出力される。

【0025】

また、検出されるシャフトの空間位置は、先端部３０５に限られるものではなく、ユーザが操作するシャフトの特定の部位の空間位置であればよい。ただし、仮想トラカール部３０３は、ユーザがマスタ鉗子シャフト３０２を把持する部位（マスタ鉗子ハンドル３０１）と空間位置が検出される特定の部位との間とすることが望ましい。また、仮想トラカール部３０３の２軸回転支持（鉛直軸、水平軸）と円筒スライド支持（鉗子挿入方向、鉗子シャフト周り回転軸）にセンサを配置し、マスタ鉗子シャフト３０２の特定の部位の位置を検出するようにしてもよい。このような構成によっても、先端部３０５の３次元空間の位置（空間位置：３次元位置に対応する座標値（x,y,z））およびシャフトの回転３１４の回転角度（r）を、ロボットコントローラ１１へ出力することが可能となることは明らかである。

【0026】

術者は、モニタ４３を見ながらマスタ鉗子ハンドル３０１を把持して仮想トラカール部３０３により支持されたマスタ鉗子シャフト３０２を操作することにより、スレーブアーム２１に装着された鉗子２２を用いた手術を行う。このように仮想トラカール部３０３により支持されたマスタ鉗子シャフトを操作するため、従来の腹腔鏡下手術において行う鉗子操作と類似の操作感覚で、遠隔操作による手術を実現できる。さらに、手術台越しに無理な姿勢で鉗子を操作すること無く、また、助手医師との干渉も無く、常に、鉗子操作のし易い最適な姿勢での鉗子操作が可能となる。

【0027】

図４は、ロボットコントローラ１１の構成例を示すブロック図である。ロボットコントローラ１１は、制御部４１０、メモリ４２０、外部インターフェース（外部Ｉ／Ｆ）４３０、サーボドライバ４４０を有する。制御部４１０は不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有し、後述する各処理を実現するためのティーチング処理部４１１、姿勢合わせ処理部４１２、挿入抜去処理部４１３、制限動作処理部４１４、座標処理部４１５として機能する。たとえば、ＣＰＵがＲＯＭあるいはＲＡＭに格納されたプログラムを実行することにより、各処理部が実現される。各処理部の詳細な動作は、以下の説明により明らかとなる。

【0028】

メモリ４２０は、たとえばハードディスクあるいは半導体メモリ等により構成される２次記憶装置であり、トラカール位置保持部４２１、挿入開始位置保持部４２２、待機位置保持部４２３、鉗子テーブル４２４を有する。トラカール位置保持部４２１は、腹腔鏡下手術の際に患者の体内へ鉗子を挿入する位置（トラカール位置）の座標と挿入姿勢を保持する。トラカール位置と挿入姿勢は、腹腔へ鉗子２２を挿入するためのトラカールの空間位置（３次元座標）とそのトラカールへの鉗子２２の挿入方向の基準であり、ティーチング処理部４１１の制御下でユーザがティーチング操作することにより指定される。

【0029】

なお、トラカールは、一般的に鉗子挿入部（開口部）と、腹壁に挿入される筒状部から構成されるが、ここでいうトラカール位置とは、腹壁部の筒状部が挿入されている近傍、すなわち、腹壁部と筒状部の交点近傍であり、鉗子シャフトを腹腔内に挿入した際の支点（不動点）の位置を意味している。

【0030】

トラカール位置保持部４２１には複数のトラカール位置と対応する挿入姿勢を保持することができ、タッチパネルディスプレイ１３やキーボード１４によるユーザ入力によりこれら複数のトラカール位置から所望のトラカール位置を選択することができる。挿入開始位置保持部４２２は、選択されたトラカール位置へ向けて鉗子２２を挿入する際の、挿入動作の開始位置と姿勢を保持する。待機位置保持部４２３は、スレーブアーム２１の待機状態の位置と姿勢を保持し、この位置においてユーザは鉗子２２の装着や交換をすることができる。鉗子テーブル４２４には、鉗子の種別と鉗子シャフトの長さ、または、鉗子座標系が対応付けて記録されている。鉗子座標系は、スレーブアームの基準位置、たとえば、機械インターフェースに対する位置・姿勢により定義することが可能である。

【0031】

サーボドライバ４４０は、スレーブアーム２１の第１軸から第６軸に対応したサーボモータの駆動を制御する。制御部４１０は、サーボドライバ４４０に対して各軸の駆動量を指示したり、各軸の回転位置（θ1〜θ6）を取得したりする。外部Ｉ／Ｆ４３０には、ティーチングペンダント１２、タッチパネルディスプレイ１３、キーボード１４、座標出力装置３２、フットスイッチ３３が接続される。なお、たとえば、鉗子先端部に関節軸やグリッパ軸を有する場合は、鉗子先端部の関節軸やグリッパ軸を駆動するためのサーボドライバを、サーボドライバ４４０内に付加しても良い。

【0032】

次に、以上のような構成を備えた本実施形態の遠隔操作型手術システムにおける動作について説明する。図５は、本実施形態のロボットコントローラ１１による腹腔鏡下手術モードにおける動作を説明するフローチャートである。

【0033】

腹腔鏡下手術においては、まず、患者の腹腔への鉗子挿入位置であるトラカール位置と、鉗子の挿入方向である挿入姿勢をティーチングによりロボットコントローラ１１（トラカール位置保持部４２１）に記憶させる必要がある。タッチパネルディスプレイ１３により提供される不図示のユーザインターフェース（以下、ＧＵＩ）によってティーチングモードが指定されると、ステップＳ５０１においてティーチング処理部４１１がティーチング処理を実行し、トラカール位置と挿入姿勢のティーチング結果（３次元座標値および挿入方向を表すベクトル）をトラカール位置保持部４２１に保持する。

【0034】

トラカール位置、挿入姿勢のティーチングにおいては、例えば、ティーチングペンダント１２の操作あるいは手動によりスレーブアーム２１を動かし、患者の鉗子挿入位置に鉗子２２の先端部を合わせるとともに鉗子２２の挿入姿勢を調整し、その状態でＧＵＩを操作して決定を指示する。この指示に応じて、ティーチング処理部４１１はその時点の各軸の回転角度（θ1〜θ6）と装着されている鉗子２２の長さ（鉗子座標系）から、鉗子２２の先端部の３次元座標（x,y,z）を算出し、トラカール位置保持部４２１に保持する。また、鉗子２２の軸方向を表すベクトル、例えば、（Rx,Ry,Rz）を算出して、挿入姿勢としてトラカール位置保持部４２１に保持する。なお、（Rx,Ry,Rz）は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転角度を示す。なお、トラカール位置や挿入姿勢のティーチング方法は、これに限られるものではなく、鉗子挿入位置の３次元座標や挿入姿勢をキーボード１４から入力するようにしてもよい。また、装着されている鉗子２２の長さ（鉗子座標系）は、ユーザによる鉗子２２の種別の入力により鉗子テーブル４２４から取得されるものとする。なお、鉗子２２の長さの取得は上記に限られるものではなく、装着されている鉗子２２の長さをキーボード１４から直接入力するようにしてもよい。

【0035】

このほか、ロボットのベース座標系または、ワールド座標系（通常、ロボットのベース座標系はワールド座標系に対して定義されている）に対するトラカールの３次元位置・姿勢を取得できる位置・姿勢計測システムにより取得しても良い。また、取得するべきデータは、基本的にトラカールの３次元位置であれば良いが、姿勢情報も取得することで、鉗子挿入方向が適切であるかなどの判断に利用することが可能となり（詳細は後述）、より安全なシステムを構築することが可能となる。また、スレーブアーム２１の可動域が各トラカール位置に対して挿入の許容範囲を超えるような位置を取りえないような場合にも、トラカール位置に対する挿入姿勢にかかる制御は不要となる。

【0036】

次に、ＧＵＩを介して挿入姿勢への移行が指示されると、ステップＳ５０２において姿勢合わせ処理部４１２がスレーブアーム２１を挿入姿勢へ移動する。挿入姿勢とは、鉗子２２の先端部とトラカール位置とを通る直線上に鉗子２２の長軸（鉗子シャフト）が一致する姿勢である。この姿勢が、トラカール位置に対応してトラカール位置保持部４２１に記憶されている挿入姿勢によって示される方向を基準として所定の範囲（許容範囲）に入っていれば、挿入姿勢への姿勢合わせが完了したことになる。挿入姿勢への姿勢合わせを終えると、鉗子２２の長軸方向へ鉗子２２を平行移動することで鉗子２２がトラカール位置から患者の腹腔へと挿入されることになる。なお、姿勢合わせ処理の結果の鉗子２２の方向が上記許容範囲に入っていない場合は、その旨がユーザに通知される。

【0037】

本実施形態では、スレーブアーム２１の挿入姿勢への姿勢合わせ処理として、以下の４つのモードを持つ。すなわち、
・自動モード：第１軸〜第５軸の関節同期動作もしくは直線補間動作により、挿入開始位置保持部４２２に保持されている３次元位置に鉗子２２の先端部を合わせた挿入姿勢へスレーブアーム２１を移動する。
・関節同期動作モード：第１〜第３軸を固定し、第４、第５軸の関節同期動作により鉗子２２の長軸方向にトラカール位置が来るように姿勢合わせを行う。
・ジョグ動作モード：第１〜第３軸を固定し、第４、第５軸のジョグ動作により鉗子２２の長軸方向にトラカール位置が来るように姿勢合わせを行う。
・手動モード：第１〜第３軸を固定し、第４、第５軸の手動動作により、鉗子２２の長軸方向にトラカール位置が来るように姿勢合わせを行う。

【0038】

なお、上記の動作モードにおいて、第６軸は、挿入姿勢に直接関与はしないが、エンドエフェクタの姿勢を（シャフト回転軸）限定する必要があるような場合は、第６軸を含めても良い。また、鉗子先端関節軸やグリッパ軸を有する場合は、姿勢合せ処理と同時またはその前後に、挿入可能な姿勢（たとえばピッチ軸やヨー軸をシャフトと同方向に真っ直ぐな状態とし、グリッパは閉じた状態とする）に誘導する必要がある。なお、鉗子先端関節軸やグリッパ軸の挿入姿勢のティーチングは、スレーブアーム２１と同様に自動動作やＪＯＧ動作、手動動作で誘導することなどが考えられる。

【0039】

また、鉗子シャフト回転軸と第６軸が一致していない場合は、第４、第５軸だけで、姿勢あわせの姿勢を一意に決定することはできないため、鉗子シャフト回転軸の姿勢を含めて決定する必要がある。そのような場合は、第１〜第６軸による自動動作を行う自動モードを用いる。また、第１〜第３軸を固定した関節同期動作モード、ジョグ動作モード、手動モードにおいて、姿勢合わせ処理の結果、鉗子２２の方向が上述した許容範囲外になる場合には、自動モードによる姿勢合わせ処理を指示するようにユーザを促すようにしてもよい。

【0040】

以下、図６Ａ、図６Ｂを参照して、本実施形態による姿勢合わせ処理についてさらに説明する。まず、挿入姿勢への移行指示に応じて、姿勢合わせ処理部４１２は、トラカール位置をトラカール位置保持部４２１から読み出す（ステップＳ６０１）。トラカール位置保持部４２１に複数のトラカール位置が保持されている場合には、ＧＵＩにより、所望のトラカール位置をユーザに選択させる。または、前回、挿入または抜去した際のトラカール位置を記憶しておき、そのトラカール位置をデフォルト位置としても良い。以下、鉗子２２を挿入するべく指定されたトラカール位置の３次元座標を（xt,yt,zt）とする。

【0041】

自動モードが選択されている場合、処理はステップＳ６０２からステップＳ６０３へ進む。ステップＳ６０３において、姿勢合わせ処理部４１２は挿入開始位置保持部４２２から挿入開始位置を読み出す。挿入開始位置保持部４２２に複数の挿入開始位置が保持されている場合には、ＧＵＩにより、所望の挿入開始位置をユーザに選択させる。または、前回、挿入または抜去した際の位置を記憶して置き、挿入開始位置のデフォルト位置としても良い。以下、読み出された、あるいは、選択された挿入開始位置の３次元座標を（xs,ys,zs）とする。なお、挿入開始位置保持部４２２には、トラカール位置からその挿入方向に沿って５０〜１００ｍｍ程度離れた位置が自動的に算出され、保持されているものとする。この場合、ユーザが、トラカール位置からの離間距離を指定できるようにしてもよい。或いは、ユーザがマニュアルでトラカール位置に対する挿入開始位置（３次元座標）を入力するようにしてもよい。この場合、ユーザが指定した挿入開始位置が、トラカール位置に対応した挿入方向を基準とした許容範囲に収まるかどうかを判断し、指定した挿入開始位置が許容範囲外であればユーザに挿入開始位置の再設定を促すようにしてもよい。

【0042】

ステップＳ６０４において、姿勢合わせ処理部４１２は、トラカール位置（xt,yt,zt）と挿入開始位置（xs,ys,zs）を通るベクトル方向を、例えば、ｘ，ｙ，ｚ軸の回転角度（Rxs,Rys,Rzs）として算出する。ベクトル方向は、姿勢として表すことができる他の表現方法でも良い。そして、姿勢合わせ処理部４１２は、このベクトル方向と鉗子２２の長軸方向を合わせた鉗子２２の位置姿勢（xs、ys、zs、Rxs,Rys,Rzs）を挿入姿勢に決定する。ステップＳ６０５において、姿勢合わせ処理部４１２は、ステップＳ６０４で決定された挿入姿勢へスレーブアーム２１を移動する。移動を完了すると、処理はステップＳ６４１へ進み、挿入姿勢への姿勢合わせの完了を、ＧＵＩを介してユーザに通知する。

【0043】

挿入開始位置保持部４２２に、挿入開始位置（xs,ys,zs）だけでなく、姿勢も含めた挿入開始位置姿勢（xs,ys,zs,Rxs,Rys,Rzs）を保持している場合は、直接、挿入開始位置姿勢（xs,ys,zs,Rxs,Rys,Rzs）へ関節同期動作もしくは直線補間動作で誘導してもよい。この場合、ステップＳ６０４の処理は省略可能となる。

【0044】

図９の９ａに自動モードによる姿勢合わせ動作の様子を示す。各軸の同期動作により、任意の位置姿勢（x,y,z,Rx,Ry,Rz）にあった鉗子２２の先端部９０１は、挿入姿勢（xs、ys、zs、Rxs,Rys,Rzs）へと移動する。挿入姿勢において、鉗子２２の長軸は、鉗子２２の先端部９０１とトラカール位置９０２を結ぶ方向のベクトル９０３と一致している。

【0045】

なお、挿入姿勢（xs,ys,zs,Rxs,Rys,Rzs）を導出した際に、その後の動作が安全に遂行できるかの判断機能を付加しても良い。たとえば、挿入姿勢（xs,ys,zs,Rxs,Rys,Rzs）が、スレーブロボットがとり得る位置姿勢であるか（各関節の動作範囲内であるか。途中で動作範囲外にならないか）、トラカール（患者）と鉗子が干渉または接近しすぎないか、姿勢合わせ動作後鉗子挿入が可能であるか（各関節の動作範囲内であるか、途中で動作範囲外にならないか）などを、計算する。そして、その計算の結果、その後の動作が安全に遂行できない可能性があると判定される場合には、注意や警告をユーザに明示するようにしても良い。

【0046】

他方、自動モード以外の場合、処理はステップＳ６０２からステップＳ６０６へ進む。ステップＳ６０６において、姿勢合わせ処理部４１２は、第１軸〜第３軸を固定（サーボロック）する。次に、ステップＳ６０７において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸および第５軸の目標位置（角度）を算出する。第１軸〜第３軸の現在の回転角度を不動として、鉗子装着部２０２の位置とトラカール位置を結ぶベクトル方向に鉗子２２の長軸が一致するように第４軸および第５軸の目標位置（角度）が算出される。たとえば、図９の９ｂに示されるように、鉗子装着部２０２の位置、先端部９０１の位置、トラカール位置９０２の位置が一直線上に並ぶように鉗子装着部２０２を移動するための、第４軸と第５軸の回転量（回転位置）が算出される。

【0047】

ステップＳ６０８において、姿勢合わせ処理部４１２は、姿勢合わせ処理のモードが関節同期動作モード、ジョグ動作モード、手動モードのいずれであるかを判定する。関節同期動作モードの場合、処理はステップＳ６１１に進む。ステップＳ６１１において、姿勢合わせ処理部４１２は、スレーブアーム２１の第４軸、第５軸を駆動して、ステップＳ６０７で算出された目標位置へ鉗子装着部２０２（鉗子２２の先端部９０１）を関節同期動作により移動する。目標位置への移動を終えると、ステップＳ６１２において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸、第５軸を固定（サーボロック）し、ステップＳ６４１において姿勢合わせの完了を、ＧＵＩを介してユーザに通知する。こうして、図９の９ｂに示すように、姿勢合わせ処理による第４軸と第５軸の駆動により、スレーブアーム２１は、鉗子装着部２０２の先端部９０１とトラカール位置９０２を結ぶ方向のベクトル９０３と、鉗子２２の長軸方向が一致した挿入姿勢へ移動する。

【0048】

モードがジョグ動作モードであった場合、処理はステップＳ６０８からステップＳ６２１へ進む。ステップＳ６２１において、姿勢合わせ処理部４１２は、ティーチングペンダント１２の操作入力に従って、第４軸、第５軸をジョグ動作する。このとき、ステップＳ６０７で算出した目標位置から遠ざかる方向へのジョグ動作を禁止するようにすることで、効率よく姿勢合わせ処理を実施することが可能となる。ステップＳ６２２において、姿勢合わせ処理部４１２は、目標位置に到達した軸があれば、その軸を固定（サーボロック）する。固定された軸についてはジョグ動作が禁止される。ステップＳ６２３において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸、第５軸がともに目標位置で固定されているかどうかを判断する。少なくとも一方の軸が目標位置に到達していなければ処理をステップＳ６２１に戻す。両方の軸が目標時位置に到達して固定されていれば、処理はステップＳ６４１へ進み、姿勢合わせ処理部４１２は姿勢合わせの完了を、ＧＵＩを介してユーザに通知する。この時のスレーブアーム２１の動作の様子は図９の９ｂに関して上述した通りである。

【0049】

モードが手動モードであった場合、処理はステップＳ６０８からステップＳ６３１へ進む。ステップＳ６３１において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸、第５軸を操作者の手動による外力による移動を可能に制御する。このとき、目標位置から遠ざかる方向へは手動で動かせないようにサーボモータを制御することで、効率よく姿勢合わせ処理を実施することが可能となる。ステップＳ６３２において、姿勢合わせ処理部４１２は、目標位置に到達した軸があれば、その軸を固定（サーボロック）する。これにより、固定された軸については、手動動作ができなくなる。ステップＳ６３３において、姿勢合わせ処理部４１２は、第４軸、第５軸がともに目標位置で固定されているかどうかを判断する。少なくとも一方の軸が目標位置に到達していなければ処理をステップＳ６３１に戻す。両方の軸が目標時位置に到達して固定されていれば、処理はステップＳ６４１へ進み、姿勢合わせの完了を、ＧＵＩを介してユーザに通知する。この時のスレーブアーム２１の動作の様子は図９の９ａに関して上述した通りである。

【0050】

なお、ステップＳ６４１において、姿勢合わせが完了した鉗子２２の方向が、トラカール位置保持部４２１においてトラカール位置に対応して保持されている挿入方向を基準とした許容範囲内にあるかどうかを判断し、許容範囲外の場合にはその旨の警告を出す。この場合、許容範囲外であることの警告とともに、たとえばユーザに自動モードによる姿勢合わせを実行するように促してもよい。また、上述したステップＳ６０７において目標位置を算出した時点で、姿勢合わせを行った後の鉗子２２の方向が上記許容範囲にあるかを判断してもよい。この場合、挿入方向が許容範囲外であれば、その旨を警告し、関節同期動作モード、ジョグ動作モード、手動モードによる動作の実行を禁止するようにできる。

【0051】

図５に戻り、姿勢合わせ処理部４１２による姿勢合わせを完了すると、処理はステップＳ５０３へ進む。ステップＳ５０３において、ＧＵＩから鉗子２２の挿入が指示されると（挿入指示）、挿入抜去処理部４１３は、鉗子２２をその長軸方向に沿って平行移動するようにスレーブアーム２１を駆動し、トラカール位置より患者の腹腔へ鉗子２２を挿入する。

【0052】

図７は、鉗子２２の挿入動作を説明するフローチャートである。挿入抜去処理部４１３はステップＳ７０１においてＧＵＩより挿入指示を受け付けると、ステップＳ７０２において鉗子２２の長軸方向（図９のベクトル９０３の方向）へ沿って鉗子２２が移動するようにスレーブアーム２１の各軸の駆動を制御する。姿勢合わせ処理部４１２により上述したように鉗子２２の姿勢合わせが完了しているため、ステップＳ７０２の平行移動により鉗子２２はトラカール位置へ向かって進むことになる。なお、鉗子２２はトラカール位置へ向かっているかの判断を適宜行なうことで、より安全なシステムを構築することが可能となる。この判断は、たとえば、鉗子シャフトの方向とトラカール位置とのズレ（距離）を算出することにより実現され得る。鉗子シャフトの方向は直線の方程式として得られ、トラカール位置は座標値として得られるため、直線と点の距離（垂直距離：最短距離）を求め、その距離が０（または所定距離未満）の時、鉗子２２はトラカール位置へ向かっていると判断するようにすればよい。

【0053】

鉗子２２の先端部がトラカール位置を通過し、所定の深さまで進むと、処理はステップＳ７０３からステップＳ７０４へ進み、挿入抜去処理部４１３はスレーブアーム２１の動作を停止する。そして、ステップＳ７０５において、挿入抜去処理部４１３は、挿入動作の完了をＧＵＩを介してユーザに通知する。または、鉗子２２の先端がトラカール位置を通過して所定の深さまで進むと、ユーザによる挿入動作の完了の判断を待つようにしても良い。この場合、ユーザはＧＵＩを介して挿入動作の完了確認を入力することで、挿入動作が完了となる。ユーザが完了確認を入力するまでは、挿入を中断し、抜去することを可能としても良い。

【0054】

トラカールの筒部の長さは通常１００ｍｍ程度以下であるため、筒部の腹腔内、腹腔外の筒部の領域を考慮すると、５０ｍｍ程度の深さまで挿入した状態を、所定の深さまで挿入した状態とみなしてよい。もちろん、１０ｍｍ程度の挿入量であってもよいし、鉗子シャフト長が一般的に３００ｍｍ〜４００ｍｍ程度であることを考慮すると、３０ｍｍから４０ｍｍ程度の深さまで挿入した状態を、所定の深さまで挿入した状態としてもよい。挿入が完了した以降は、鉗子２２がトラカール位置を通過した状態を維持しながら動作する、トラカール制限動作が行われる（制限動作ありの状態へ移行する）ことになる。

【0055】

図５に戻り、挿入動作が完了すると、処理はステップＳ５０４からステップＳ５０５へ進む。ステップＳ５０５において、制限動作処理部４１４は、座標出力装置３２からの３次元位置とフットスイッチ３３からの操作中信号により、トラカール制限下で、スレーブアーム２１をマスタアーム３１の操作に追従させる。トラカール制限下では、鉗子２２がトラカール位置を通過した状態を維持しながら、マスタアーム３１により指定された３次元位置へ鉗子２２の先端部を移動するようにスレーブアーム２１が制御される。また、マスタアーム３１の操作への追従は、フットスイッチ３３からの操作中信号がオン状態である間のみ実行される。

【0056】

図８のフローチャートを参照して、トラカール制限下動作の処理を説明する。ステップＳ８０１において、制限動作処理部４１４はフットスイッチ３３からの操作中信号がオンか否かを判定する。操作中信号がオンになると、処理はステップＳ８０２へ進み、座標処理部４１５は座標出力装置３２からの座標値を取得し、これを前回座標（初期座標）とする。なお、ここで取得される座標出力装置３２からの座標値は、マスタ鉗子シャフト３０２の先端部３０５の３次元位置に対応する位置（x,y,z）と、マスタ鉗子シャフト３０２の回転角度（r）である。前回座標を取得してから所定のサンプル間隔が経過してサンプルタイミングになると、処理はステップＳ８０３からステップＳ８０４へ進む。

【0057】

ステップＳ８０４において、座標処理部４１５は、座標出力装置３２からの座標値を現在座標として取得する。そして、座標処理部４１５は、前回座標と現在座標の差分を算出して、サンプル間隔におけるマスタ鉗子シャフト３０２の先端部３０５の移動量（Δx、Δy、Δz）およびマスタ鉗子シャフト３０２の回転量（Δr）を得て、これら移動量と回転量を制限動作処理部４１４へ出力する。この様子を図１０に示す。座標処理部４１５は、マスタアーム３１の操作による先端部３０５の移動量１００（（Δx、Δy、Δz）と（Δr））を算出する。

【0058】

次に、ステップＳ８０５において、制限動作処理部４１４は、スレーブアーム２１に装着されている鉗子２２の現在の先端部位置１００１の３次元座標（xm,ym,zm）を第１軸〜第５軸の回転位置（θ1〜θ5）と鉗子２２の長さ（鉗子座標）に基づいて取得する。そして、ステップＳ８０６において、制限動作処理部４１４は、現在の先端部位置１００１（xm,ym,zm）と座標処理部４１５から取得された移動量（Δx、Δy、Δz）に基づいて、目標の先端部位置１００２の３次元座標（xn,yn,zn）を算出する。さらに、制限動作処理部４１４は、目標の３次元座標（xn,yn,zn）とトラカール位置１０００とを結ぶ方向のベクトル１００４（Rxn,Ryn,Rzn）を算出する。こうして、マスタアーム３１の移動量（Δx、Δy、Δz）に応じた鉗子２２の目標の位置姿勢（xn,yn,zn,xn,Ryn,Rzn）が決定される。以上のようにして、ユーザ操作によるマスタアーム３１の操作量（変化量）に応じた、鉗子２２の先端部の移動先の空間位置が決定される。

【0059】

ステップＳ８０７において、制限動作処理部４１４は、鉗子２２がトラカール位置１０００を通る状態を維持しながら、すなわちトラカール位置の制限下で、鉗子２２を目標の位置姿勢へ移動する。そして、ステップＳ８０８において、制限動作処理部４１４は、マスタ鉗子シャフト３０２の回転量（Δr）に応じて第６軸を回転する。こうして、トラカール位置の制限下で鉗子２２がマスタアーム３１により指示された位置へ移動するとともに、マスタアーム３１により指示された鉗子シャフトの回転動作が実行される。

【0060】

なお、ステップＳ８０８の処理は、ステップＳ８０６と同時に行なうことができることは言うまでもない。これにより、鉗子２２の目標の位置姿勢への移動処理をより効率的に行なうことができる。

【0061】

なお、上述のトラカール制限動作の実行中には、鉗子２２の目標の位置姿勢の計算処理を実施すると共に、トラカール位置に対して鉗子２２が所定量挿入されているか（最小挿入量より多く挿入されているか）を確認することが望ましい。鉗子挿入量が少ない状態で、鉗子先端部を所定の速度で誘導する場合、鉗子装着部２０２の移動が速くなると共に、スレーブアームの各軸の動作が極端に早くなる可能性があるためである。スレーブアームの各軸の動作速度が所定の速度を超えた場合、各関節は目標値に追従できず、結果として、鉗子シャフトがトラカール位置を維持した状態での動作が不可能となる可能性がある。したがって、安全な動作を確保するために、トラカール位置に対して鉗子が所定量挿入されているかを確認する必要がある。

【0062】

そして、トラカール位置に対して鉗子２２が上記所定量（最小挿入量）だけ挿入されている状態から抜去する方向へ目標値が生成された場合に、目標値を前回の目標値（トラカール位置に対して鉗子が所定量挿入されている状態）に戻すなどの処理を行う。このような処理により、トラカール位置に対して鉗子２２が所定量以上挿入されている状態を保つことが可能である。また、操作者に対して、トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態から、抜去する方向へ目標値が生成されたことを、何らかの方法で提示することが望ましい。このためには、例えば、力覚、聴覚、視覚による提示が考えられる。

【0063】

なお、前述の鉗子挿入の際の、はステップＳ７０３からステップＳ７０４への移行の際の判断の閾値として、上述したような、最小挿入量、または、該最小挿入量よりも大きい挿入量を採用することにより、スムーズなトラカール制限下への制御への移行が可能となる。

【0064】

また、前述と同様に、トラカールの筒部の長さは通常１００ｍｍ程度以下であるため、筒部の腹腔内、腹腔外の筒部の領域を考慮すると、上述の最小挿入量を５０ｍｍ程度としてよい。もちろん、スレーブアーム２１の追従性が十分得られるのであれば、１０ｍｍ程度の挿入量を最小挿入量としてもよい。また、鉗子シャフト長が一般的に３００ｍｍ〜４００ｍｍ程度であることを考慮すると、その１割程度、すなわち、３０ｍｍから４０ｍｍ程度を最小挿入量としてもよい。この場合、装着された鉗子の長さに応じて最小挿入量が変化することになる。

【0065】

さらに、ロボットの鉗子装着部（鉗子シャフト部外）とトラカールとの衝突を避けるためや、必要以上に鉗子を挿入し不用意に臓器に接触・損傷することを避けるために、最大挿入量を指定してもよい。鉗子シャフト長が一般的に３００ｍｍ〜４００ｍｍ程度であることを考慮すると、２５０ｍｍから３００ｍｍ程度の深さまで挿入した状態を、最大挿入量として設定することができる。もちろん、動作領域を確保するために、最大挿入量は上述の所定挿入量（最小挿入量）以上とする必要がある。トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態から、最大挿入量よりさらに挿入する方向へ目標値が生成された場合、目標値を前回の目標値（トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態）に戻すなどの処理を行うことで、トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態を保つことが可能である。また、操作者に対して、トラカールに対して鉗子が所定量挿入されている状態から、最大挿入量を超える挿入方向へ目標値が生成されたことを、何らかの方法で提示することが望ましい。例えば、力覚、聴覚、視覚による提示が考えられる。

【0066】

ステップＳ８０９において、座標処理部４１５はステップＳ８０４で取得された現在座標を前回座標として保持する。そして、処理はステップＳ８０３へ戻り、上述の処理が繰り返される。次のサンプルタイミングを待つ間に操作中信号がオフになると、処理はステップＳ８１０からステップＳ８０１へ戻る。こうして、スレーブアーム２１は、フットスイッチ３３により操作中信号がオン状態の間だけ、マスタアーム３１の先端部の動きに追従するようになる。上述の実施形態では、各サンプリングごとの前回座標との前回座標の相対的な移動量により目標値を生成するアルゴリズムを示したが、もちろん、サンプリングごとでは無く、あるタイミングでの座標を基準（初期座標）としてもよい。たとえば、操作中信号がＯＮになった時の座標を初期座標として、操作中信号がＯＮの間は、その初期座標からの相対座標により目標値を生成しても良い。

【0067】

図５に戻り、ＧＵＩを介して鉗子２２の抜去が指示されると、処理はステップＳ５０６からステップＳ５０７へ進む。ステップＳ５０７において、挿入抜去処理部４１３は、その時点の鉗子２２の長軸方向へ沿って、鉗子２２を患者の体外へ引き出す。鉗子２２の先端部がトラカール位置を通過してトラカール位置から所定距離離れると、抜去動作を完了し（ステップＳ５０８）、待機位置への移動指示を待つ（ステップＳ５０９）。この時点で、トラカール制限動作が解除される。ＧＵＩより待機指示が入力されると、スレーブアーム２１は待機位置保持部４２３に保持されている所定の待機位置へ移動する（ステップＳ５０９）。

【0068】

ここで、抜去動作が安全に遂行できるかの判断機能を付加しても良い。たとえば、鉗子２２の先端部がトラカール位置を通過してトラカール位置から所定距離離れる動作に対して、スレーブロボットがとり得る位置姿勢であるか（各関節の動作範囲内であるか、途中で動作範囲外にならないか）などを、計算しその後の抜去動作が安全に遂行できない可能性がある場合には、注意や警告をユーザに明示するようにしても良い。

【0069】

なお、上述したように、ステップＳ５０７における抜去動作の完了時の鉗子２２の位置姿勢とトラカール位置を、自動モードで鉗子挿入を行う際の挿入姿勢として記憶しておき、上述の姿勢合わせ（ステップＳ５０２）で利用できるようにしてもよい。このようにすれば、たとえば使用する鉗子を交換した後に同じトラカール位置から鉗子を再挿入する場合等において、トラカール位置および挿入開始位置姿勢を簡単に選択することができ、便利である。また、この場合、記憶された挿入姿勢をそのまま用いるのでステップＳ６０４における挿入姿勢の算出も不要となる。

【0070】

なお、スレーブアーム２１のトラカール制限下の動作において、鉗子２２のシャフト軸（以下、鉗子シャフト軸）がトラカール位置を誤差なく、または、許容値以下の誤差で、通過している状態を保つことが必要である。誤差が過大な場合、患者腹壁に過大な力が発生し、好ましくない状態が生じる可能性があるからである。しかしながら、高速動作時やいわゆるロボットの特異姿勢および近傍では、スレーブアームの目標軌道に対する追従性の低下により、必ずしも、鉗子シャフト軸がトラカール位置を、誤差なく通過している状態を保つことができるとは限らない。したがって、トラカール位置と、鉗子シャフト軸との距離（たとえば垂直距離）を導出し、その距離が所定量以下であることを監視することが必要となる。また、トラカール位置と、鉗子シャフト軸との距離が、所定量以上の状態にとなった時、所定量以上であることを、操作者に明示することが必要である。さらに、トラカール位置と、鉗子シャフト軸との距離が、所定量以上の時、所定量以下に回避する制御、たとえば、スレーブアームの速度を強制的に低下させる、または、停止させるなどの制御を実行することにより、より安全なシステムを構築することが可能となる。

【0071】

また、座標処理部４１５においてマスタアーム３１の移動量（Δx、Δy、Δz）を縮小、拡大して鉗子２２の動きに反映させるようにしてもよい。移動量の縮小、すなわち動作縮小（マスタ鉗子シャフト３０２の先端部３０５の移動量に対し、スレーブアーム２１による鉗子２２の先端の移動量を縮小すること）を行うことにより手振れを防止できる。

【0072】

また、座標処理部４１５にカメラ４１の撮影方向とスレーブアーム２１の位置との関係を示す情報を入力することにより、座標処理部４１５がマスタアーム３１の移動量が示す移動方向を入力された関係に基づいて変換するようにしてもよい。例えば、モニタ４３における映像の水平／垂直方向と、マスタアーム３１の操作における水平／垂直方向を略一致させることができる。このようにすれば、モニタ４３に表示されている鉗子２２の移動方向とマスタアーム３１の先端部の移動方向を略一致させることができ、術者の操作性が向上する。

【0073】

また、マスタアーム３１は、構造が単純でコンパクトであるため、任意の位置に設置することができ、術者は、手術台や患者、助手などの位置によって不安定な姿勢での手術を行わなければならないといったことから解放され、常に最適な姿勢での操作が可能となる。

【0074】

また、上記実施形態では特に座標系について記載していないが、ワールド座標系でのｘ、ｙ、ｚを用いるようにすれば、複数台のスレーブアームを用いた場合に有利である。

【0075】

以上のように、上記実施形態によれば、いわゆる産業用ロボットを用いて腹腔鏡下手術の支援システムを構築することができるため安価であるとともに、術者の操作に対し柔軟性に優れたシステムを得ることができる。たとえば、産業用ロボット（スレーブアーム）の動作領域内であれば、アームの設置位置を変えずにトラカール位置を変えることができ、１台のスレーブアームで複数のトラカール位置に柔軟に対応することができる。

【0076】

また、上記実施形態では、マスタアーム３１により指示された空間位置へ鉗子２２の先端を合わせるように説明したが、これに限られるものではなく、鉗子２２の所定部位を合わせるようにしてもよいことは言うまでもない。例えば、鉗子２２の先端部にグリッパが設けられており、このグリッパがロール軸とヨー軸の２つの回転軸周りに回転可能な構成の場合に、グリッパの回転部分をマスタアーム３１により指示された空間位置へ合わせる部位としてもよい。

【0077】

なお、上記実施形態では、エンドエフェクタを鉗子として説明したが、これに限らないことは上述したとおりである。例えば、エンドエフェクタは、内視鏡（腹腔鏡、胸腔鏡）、その他術具（エネルギーデバイス、処置具）であっても構わない。また、上記実施形態では、医療用マニピュレータを腹腔内における手術へ適用した例を説明したが、胸腹腔、頭蓋骨内部、心臓内部などにおける手術にも適用可能であることは言うまでもない。すなわち、より小さな挿入口から医療器具を体内へ挿入して行われる、より体への負担が少ない低侵襲手術であれば、どの部位でも構わない。

【0078】

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】