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(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】
(24)【登録日】2022-10-05
(45)【発行日】2022-10-14
(54)【発明の名称】手術支援装置
(51)【国際特許分類】
A61B 34/30 20160101AFI20221006BHJP
A61B 90/50 20160101ALI20221006BHJP
B25J 9/06 20060101ALI20221006BHJP
【ＦＩ】
A61B34/30
A61B90/50
B25J9/06 B
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019013248
(22)【出願日】2019-01-29
(65)【公開番号】P2020120764
(43)【公開日】2020-08-13
【審査請求日】2020-11-18
【審判番号】
【審判請求日】2021-06-28
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】515075692
【氏名又は名称】リバーフィールド株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000578
【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】只野 耕太郎
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 真崇
【合議体】
【審判長】佐々木 正章
【審判官】内藤 真徳
【審判官】倉橋 紀夫
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／０５２７９６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１０－５０７７９２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
A61B 34/30
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
患者の体腔に端部が挿入される手術器具の保持が可能であり、前記手術器具の位置および姿勢の少なくとも一方の制御が可能な手術支援装置であって、一方の端部が土台に支持されるアームであって、少なくとも１自由度の動きを有する第１可動部を有する第１アームと、
前記第１アームの他方の端部に配置されるとともに、前記手術器具が保持可能とされた複数の第２アームであって、前記第２アームは合計して少なくとも５自由度となる動きを有するとともに、複数の第２可動部を有する第２アームと、
が設けられ、
前記第２アームは、少なくとも２つの前記第２可動部を含むジンバル部を有し、
前記ジンバル部には、互いに交差する回転軸線まわりに回転する２つの回転自由度が含まれ、前記２つの回転自由度のうちの１つは前記回転軸線が水平方向から斜め上方へ延び、
前記第２可動部は、前記体腔に挿入された状態の前記手術器具が前記患者の体表に設けられたトロッカー又はポート孔から加えられる外力に従って受動的に動作可能であることを特徴とする手術支援装置。
【請求項2】
前記第２アームにおける前記第１アームに隣接する前記第２可動部の自由度は、上下方向に延びる回転軸線まわりに回転する回転自由度であり、前記上下方向に延びる回転軸線まわりに回転する回転自由度に隣接する前記第２可動部、および、当該第２可動部に更に隣接する前記第２可動部の自由度は、前記上下方向に対して直交する方向に延びる回転軸線まわりに回転し、互いに平行な回転自由度であることを特徴とする請求項１記載の手術支援装置。
【請求項3】
前記第２可動部における変位の情報に基づいて、前記第２可動部の動きを一つの制御系統にて制御する制御部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の手術支援装置。
【請求項4】
前記手術器具は、端部が前記体腔に挿入される長軸形状のシャフト部と、
前記シャフト部の端部に配置され、手術操作に用いられる操作部と、
を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の手術支援装置。
【請求項5】
前記第２可動部の動きを制御する制御部が更に設けられ、前記制御部は、前記シャフト部の長軸上のいずれかの位置にピボット点を設定し、前記手術器具の姿勢および配置位置の少なくとも一方を変更する際に、前記ピボット点の位置が変化しないように前記第２可動部の動きを制御することを特徴とする請求項４記載の手術支援装置。
【請求項6】
前記第２可動部における変位を検知するセンサが設けられ、前記制御部は、前記センサにより検知された変位の情報に基づいて、前記ピボット点の位置を推定する演算処理を行うことを特徴とする請求項５記載の手術支援装置。
【請求項7】
前記複数の第２可動部は、前記手術器具における互いに交差する３つの方向への移動である３自由度と、前記シャフト部の中心軸線と交差するとともに互いに交差する２つの軸線まわりの回転である２自由度を有することを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の手術支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、手術支援装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、内視鏡下手術を支援するロボットである種々の手術支援ロボットが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。多くの場合、手術支援ロボットには、内視鏡や鉗子などの手術に用いられる器具の保持、および、手術器具の操作を行うロボットアーム（以下「アーム」とも表記する。）が設けられている。
【0003】
内視鏡下手術の場合、体腔内に手術器具を挿入するセッティングが行われる。手術器具は、患者の体表に設けられたポート孔からトロッカーを介して、または、トロッカーを介することなく直接的に体腔内に挿入される。
【0004】
内視鏡下手術の術者は、手術支援ロボットを操作することにより手技を行う。術者の操作に従って、手術支援ロボットはピボット点を中心として保持した手術器具を操作する。ピボット点は、保持している手術器具に対しては所定箇所（例えば手術器具のシャフト軸上）に設定されている。なお、ピボット点は機構的に設定されている構成が普及している。また手術器具が挿入された患者に対しては、ポート孔内であって、腹壁や胸壁などの外面から内面までの中間位置に設定される。
【0005】
手術器具は、操作によって姿勢や配置位置が変更された場合、上述のように設定されたピボット点を通過する。このとき、手術器具はポート孔内に設定されたピボット点を中心として姿勢や配置位置を変更することとなり、患者の体表近辺の組織が受ける負荷が大きくなることが防がれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１２－０２０１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記の場合とは異なり、例えば、ピボット点の位置が手術器具のシャフト軸からずれていると、姿勢や配置位置の変更された手術器具がポート孔の内周面を圧迫する。その結果、患者の体表近辺の組織が受ける負荷が大きくなり、当該組織が損傷する可能性があった。
【0008】
そのために、内視鏡下手術のセッティングにおいて手術支援ロボットのアームや手術器具を適切な位置に配置することが重要となる。特許文献１では、配向プラットフォームと、配向プラットフォームに連結されたセットアップアームと、セットアップアームに支持されたマニピュレータを有する構成により、アームや手術器具を適切な位置に配置する技術が開示されている。
【0009】
具体的には、プラットホームリンケージに対して配向プラットフォームが移動可能に配置されていて、配向プラットフォームを移動させることにより、セットアップアーム、マニピュレータ、および、マニピュレータに保持された手術器具の大まかな位置合わせが行われる。
【0010】
その後、配向プラットフォームに対するセットアップアームの相対的な位置決めが行われ、マニピュレータの姿勢合わせが行われる。セットアップアームの位置決めと、マニピュレータの姿勢合わせの間に、手術術具がトロッカーに挿通される。
【0011】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、セッティングにおいて行われる位置決めや姿勢合わせの工程数が多く、セッティングが煩雑になるという問題があった。また、手術器具に対するピボット点が機械的に固定されてしまうため、患者に対するピボット点の位置を正確に合わせる必要があり、セッティングの利便性が損なわれやすいという問題もあった。
【0012】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、セッティングを行いやすくすることができる手術支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の手術支援装置は、患者の体腔に端部が挿入される手術器具の保持が可能であり、前記手術器具の位置および姿勢の少なくとも一方の制御が可能な手術支援装置であって、一方の端部が土台に支持されるアームであって、少なくとも１自由度の動きを有する第１可動部を有する第１アームと、前記第１アームの他方の端部に配置されるとともに、前記手術器具が保持可能とされた複数のアームであって、合計して少なくとも５自由度となる動きを有する複数の第２可動部を有する複数の第２アームと、が設けられていることを特徴とする。
本発明の手術支援装置は、患者の体腔に端部が挿入される手術器具の保持が可能であり、前記手術器具の位置および姿勢の少なくとも一方の制御が可能な手術支援装置であって、一方の端部が土台に支持されるアームであって、少なくとも１自由度の動きを有する第１可動部を有する第１アームと、前記第１アームの他方の端部に配置されるとともに、前記手術器具が保持可能とされた複数のアームであって、合計して少なくとも５自由度となる動きを有する複数の第２可動部を有する複数の第２アームと、が設けられていることを特徴とする。
【0014】
本発明の手術支援装置によれば、第１アームに配置された第２アームに少なくとも５自由度を実現する複数の第２可動部が設けられているため、第２アームのみを操作することでセッティングを行うことが可能となる。例えば、特許文献１に記載された技術のようにセットアップアームおよびマニピュレータの両者を操作することによりセッティングを行う場合と比較して、操作を行うマニピュレータの数が少なくセッティングを容易に行うことが可能となる。
【0015】
なお、第１可動部および第２可動部は、手術支援装置の外部から加えられる外力に従って動作するものであってもよいし、手術支援装置に設けられたアクチュエータや電動機などの動力発生部から伝達された動力によって動作するものであってもよい。
【0016】
さらに、複数の第２可動部の全ては、手術器具が体腔に挿入された状態において動作可能とされていることが好ましい。言い換えると、手術器具が体腔に挿入された状態において動作が固定される第２可動部がないことが好ましい。動作が固定されるとは、手術手技が行われる間は動作が必要ない、または、許容されないことを言う。
【0017】
複数の第２可動部の全ては、手術器具が体腔に挿入された状態において動作可能とされることにより、特許文献１に記載された技術と比較して、手術器具が移動可能な範囲を確保しやすい。例えば、患者の体表に設けられたポート孔に挿入された手術器具を、他のポート孔に移動させやすい。また、患者の体腔中のガスの増減等の理由により、手術支援装置に対するポート孔の相対位置が変動しても、手術器具を追従させやすい。
【0018】
上記発明において前記第２アームにおける前記第１アームに支持される一方の端部とは反対側の他の端部には、前記手術器具を保持する保持部が設けられていることが好ましい。
【0019】
このように第２アームの先端である他の端部において手術器具を保持可能とすることにより、特許文献１に記載された技術と比較して、手術器具が移動可能な範囲を確保しやすい。
【0020】
上記発明において前記手術器具は、端部が前記体腔に挿入される長軸形状のシャフト部と、前記シャフト部の端部に配置され、手術操作に用いられる操作部と、を有していることが好ましい。
【0021】
このように手術器具がシャフト部と操作部とを有するものであることにより、患者の体表に設けられたポート孔にシャフト部を挿入し、操作部を患者の体腔内に配置しやすくなる。
【0022】
上記発明においては、前記第２可動部の動きを制御する制御部が更に設けられ、前記制御部は、前記手術器具の姿勢および配置位置の少なくとも一方を変更する際に、前記シャフト部に予め定められたピボット点が位置するように、前記第２可動部の動きを制御することが好ましい。
【0023】
このようにシャフト部にピボット点が位置するように第２可動部の動きを制御することにより、手術器具の姿勢や配置位置を変更した場合であっても、シャフト部がピボット点を通過することが可能となる。言い換えると、ピボット動作を可能とする。
【0024】
上記発明においては、前記第２可動部における変位を検知するセンサが設けられ、前記制御部は、前記センサにより検知された変位の情報に基づいて、前記ピボット点の位置を推定する演算処理を行うことが好ましい。
【0025】
このように第２可動部における変位の情報に基づいてピボット点の位置を推定することにより、第２アームにおけるピボット動作を行いやすくなる。また、複数の第２可動部における変位の情報の全てに基づいて制御部による第２可動部の動きを制御することが可能になる。言い換えると、複数の第２可動部の一部の制御と、残りの制御が異なる制御部によって行われることがない。すなわち、前記第２可動部における変位の情報の全てに基づいて制御部による第２可動部の動きを一つの制御系統にて制御する構成となっている。
【0026】
上記発明において前記複数の第２可動部は、前記手術器具における互いに交差する３つの方向への移動である３自由度と、前記シャフト部の中心軸線と交差するとともに互いに交差する２つの軸線まわりの回転である２自由度を有することが好ましい。
【0027】
このように手術器具における互いに交差する３つの方向への移動である３自由度と、シャフト部の中心軸線と交差するとともに互いに交差する２つの軸線まわりの回転である２自由度と、を有することにより、第２アームのみを操作することでセッティングを行うことが可能となる。
【発明の効果】
【0028】
本発明の手術支援装置によれば、第１アームに配置された第２アームに少なくとも５自由度を実現する複数の第２可動部を設けることにより、手術支援装置のセッティングが行いやすくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明の一実施形態に係る手術支援ロボットの構成を説明する斜視図である。
【図4】ピボット位置を記述する式を説明する図である。
【図5】ピボット位置の推定を行う演算処理について説明するフローチャートである。
【図6】ピボット位置の推定を行う演算処理を説明する模式図である。
【図7】ピボット位置の推定を行う演算処理を説明する他の模式図である。
【図8】ピボット位置の推定を行う演算処理を説明する更に別の模式図である
【発明を実施するための形態】
【0030】
この発明の一実施形態に係る手術支援ロボット（手術支援装置）１について、図１から図８を参照しながら説明する。本実施形態の手術支援ロボット１は、内視鏡下手術を支援するロボットである。具体的には、図１および図２に示すように、患者９０の腹壁９１内の空間である体腔９２に端部が挿入される手術器具７０の保持が可能であり、手術器具７０の位置および姿勢の少なくとも一方の制御が可能なものである。
【0031】
手術支援ロボット１には、図１および図２に示すように、土台１０と、第１アーム２０と、複数の第２アーム３０と、制御部５０と、が主に設けられている。本実施形態では、３つの第２アーム３０を有する例に適用して説明するが、第２アーム３０の数は、３よりも多くてもよいし、少なくてもよい。
【0032】
土台１０は、第１アーム２０、複数の第２アーム３０を支持するものである。本実施形態では、患者９０が横たわるベッド５に隣接する位置に土台１０が配置されている例に適用して説明する。土台１０には、床面に設置される底部１１と、底部１１から上方に延びる柱状に形成された柱部１２と、が設けられている。
【0033】
柱部１２の形状は、図１に示すように円柱状であってもよいし、角柱状であってもよい。なお、柱部１２が角柱状である場合には、第１アーム２０および角柱部１２の少なくとも一方に、第１アーム２０が柱部１２の延びる方向を中心とした回転を許容する構成が設けられていることが好ましい。
【0034】
第１アーム２０は、土台１０および複数の第２アーム３０との間に配置されるものである。言い換えると、第１アーム２０は土台１０に支持されるものであり、複数の第２アーム３０を支持するものである。
【0035】
第１アーム２０には、土台１０側のアーム部２１と、第２アーム３０側のアーム部２２と、アーム部２１およびアーム部２２の間の関節部（第１可動部）２３と、が主に設けられている。
【0036】
アーム部２１は棒状に延びる部材であって、土台１０側の端部（一方の端部）には土台１０の柱部１２に取り付けられる取り付け部（第１可動部）２４が設けられている。取り付け部２４は、柱部１２に沿って上下方向に配置位置が変更可能であると共に、柱部１２を中心としてアーム部２１の延びる方向が変更可能、言い換えると回転可能とする構成を有している。つまり取り付け部２４は、２自由度の動きを実現する構成を有するものである。取り付け部２４の構成としては、取り付け部２４に設けられた貫通孔に柱部１２が挿通される構成など、公知の構成を用いることができる。
【0037】
アーム部２２は棒状にのびる部材であって、第２アーム３０側の端部（他方の端部）には、複数の第２アーム３０が配置されている。アーム部２２は、第２アーム３０を上下方向に延びる軸線まわりに回転可能に支持するものである。
【0038】
関節部２３は、アーム部２１およびアーム部２２の間に設けられる構成であって、上下方向にのびる軸線まわりにアーム部２１およびアーム部２２を互いに回転可能とする構成を有するものである。つまり関節部２３は、１自由度の動きを実現する構成を有するものである。関節部２３の具体的な構成としては、公知の回転可能な関節の構成を用いることができる。
【0039】
第２アーム３０は、手術器具７０の位置および姿勢を変更可能に支持するものである。また、第２アーム３０は、手術器具７０の位置や姿勢を変更しても、手術器具７０が第２アーム３０に対する所定の相対位置であるピボット位置Ｐｐを通過するように制御されている。ピボット位置Ｐｐは、内視鏡外科手術の対象である患者９０の腹壁９１に配置されたトロッカー７５の配置位置と概ね一致している。
【0040】
なお、トロッカー７５が配置される位置は、上述のように患者９０の腹壁９１であってもよいし、胸壁であってもよい。また、ピボット位置Ｐｐは、トロッカー７５が配置される場合にはトロッカー７５の配置位置と概ね一致され、トロッカー７５が配置されない場合には腹壁９１に設けられた貫通孔であるまたはポート孔の位置と概ね一致するようにされてもよい。
【0041】
第２アーム３０は、第１アーム２０および手術器具７０との間に配置されるものである。言い換えると、第２アーム３０は第１アーム２０に支持されるものであり、手術器具７０を保持可能とされたものである。
【0042】
第２アーム３０は、図１に示すように、第１アーム２０の土台１０とは反対側の端部である先端部（他方の端部）に配置されるとともに、手術器具７０が保持可能とされた複数のアームである。複数の第２アーム３０は同じ構成を有するため、以下では複数の第２アーム３０を区別することなく説明する。
【0043】
なお、本実施形態では、第１アーム２０の先端部に複数の第２アーム３０のみが配置されている例に適用して説明するが、第２アーム３０および第２アームとは異なるアーム装置が混在して配置されていてもよい。
【0044】
第２アーム３０には、図２に示すように、回転部（第２可動部）３１と、第１リンク部３５と、第２リンク部３６と、ジンバル部４１と、把持部（保持部）４５と、が主に設けられている。回転部３１、第１リンク部３５および第２リンク部３６は、第２アーム３０の制御部５０から入力される制御信号に基づいて、駆動制御されるものである。
【0045】
回転部３１は、第２アーム３０が第１アーム２０に固定される部分に配置される関節であり、アクチュエータ３１ａにより駆動されるものである。回転部３１としては、上下方向に延びる回転軸線まわりに回転駆動が可能な構成を有するものである。回転部３１は１自由度の動きを実現する構成を有するものである。
【0046】
回転部３１は公知の構成を用いることができ、具体的な構成を限定するものではない。回転部３１には、回転部３１の回転角度を検出する回転センサ（センサ）３１ｓが設けられている。
【0047】
第１リンク部３５は、第１関節部４２と第２リンク部３６との間に配置され、アクチュエータ３５ａにより駆動されるものである。第１リンク部３５は、一対の並行なバー３５ｂを２組有した矩形状に形成され、バー３５ｂとバー３５ｂとの交点は、１自由度の回転を許容するピン（第２可動部）３５ｐにより結合された構成を有している。
【0048】
また、第１リンク部３５には、所定のピン３５ｐにおける回転角度を検出する第１リンクセンサ（センサ）３５ｓが設けられている。本実施形態では、第１リンク部３５が上下方向へ延びた姿勢に配置される例に適用して説明する。
【0049】
第２リンク部３６は、第１リンク部３５とジンバル部４１との間に配置され、アクチュエータ３６ａにより駆動されるものである。第２リンク部３６は、第１リンク部３５と同様に、一対の並行なバー３６ｂを２組有した矩形状に形成され、隣接する２つのバー３６ｂは１自由度の回転を許容するピン（第２可動部）３６ｐにより結合された構成を有している。
【0050】
また、第２リンク部３６には、所定のピン３６ｐにおける回転角度を検出する第２リンクセンサ（センサ）３６ｓが設けられている。本実施形態では、第２リンク部３６が横方向（上下方向と交差する面に沿った方向）へ延びた姿勢に配置される例に適用して説明する。
【0051】
ジンバル部４１は、第２リンク部３６と把持部４５との間に配置されるものである。ジンバル部４１は、回転軸線が互いに交差する第１関節部（第２可動部）４２、第２関節部（第２可動部）４３および第３関節部（第２可動部）４４と、第１関節部４２の回転角度を検出する第１関節センサ（センサ）４２ｓ、第２関節部４３の回転角度を検出する第２関節センサ（センサ）４３ｓ、および第３関節部４４の回転角度を検出する第３関節センサ（センサ）４４ｓと、から主に構成されている。
【0052】
第１関節部４２、第２関節部４３および第３関節部４４はそれぞれ、アクチュエータ４２ａ、アクチュエータ４２ｂ、および、アクチュエータ４２ｃにより駆動されるものである。
【0053】
第１関節部４２は、第２リンク部３６と隣接する位置に配置されるものである。第１関節部４２は、その回転軸線が水平方向から斜め上方へ延びる姿勢に配置されている。より好ましくは、水平方向から４５°の角度で斜め上方へ延びる姿勢に配置されている。
【0054】
第２関節部４３は、第１関節部４２と第３関節部４４との間に配置されるものである。第３関節部４４は、把持部４５に隣接する位置に配置されるものである。第１関節部４２、第２関節部４３および第３関節部４４は、回転軸回りの回転を可能とする構成、１自由度の動きを許容する構成を有するものである。なお、第１関節部４２、第２関節部４３および第３関節部４４としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
【0055】
把持部４５は、ジンバル部４１と隣接する位置、言い換えると第２アーム３０の先端に配置されるものである。把持部４５としては、手術器具７０を把持することができる構成であればよく、具体的な構成を限定するものではない。
【0056】
手術器具７０は、内視鏡外科手術に用いられるものである。手術器具７０には、図２に示すように、本体部７１と、端部が体腔に挿入される長軸形状のシャフト部７２と、シャフト部７２の端部に配置され、手術操作に用いられる操作部７３と、が主に設けられている。
【0057】
本実施形態では、操作部７３が鉗子である例に適用して説明する。なお、手術器具７０は、本実施形態のように鉗子を有するものであってもよいし、内視鏡などのように内視鏡外科手術に用いられる他の器具であってもよい。
【0058】
本体部７１は、第２アーム３０によって把持される部分であって、操作部７３を駆動させる駆動力を操作部７３伝達する機構が収納されるものである。なお、駆動力を伝達する機構としては公知の機構が用いられる。
【0059】
シャフト部７２は、筒状または棒状に延びる部材であって、トロッカー７５に挿通されて患者の腹壁９１の内部に挿入されるものである。また、シャフト部７２は、本体部７１から操作部７３へ駆動力の伝達に用いられる空間などの構成が設けられている。
【0060】
制御部５０は、第２アーム３０に把持された手術器具７０におけるピボット位置Ｐｐの推定を行うものであり、第２アーム３０の動作を制御するものである。制御部５０により推定された手術器具７０におけるピボット位置Ｐｐは、少なくとも第２アーム３０の制御に用いられる。ここで、制御部５０により推定されるピボット位置Ｐｐは、第２アーム３０に関する座標系で表現されるものである。
【0061】
制御部５０は、図３に示すように、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有するコンピュータ等の情報処理装置である。上述のＲＯＭ等の記憶装置に記憶されているプログラムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースを協働させて、少なくとも取得部５１、記憶部５２、垂直ベクトル算出部５３、内積算出部５４、修正演算部５５、および、出力部５６として機能させるものである。
【0062】
取得部５１は、回転センサ３１ｓ、第１リンクセンサ３５ｓ、第２リンクセンサ３６ｓ、第１関節センサ４２ｓ、第２関節センサ４３ｓおよび第３関節センサ４４ｓから出力される回転角度の情報を取得するものである。
【0063】
取得部５１は、取得した回転角度の情報に基づいて、第２アーム３０の把持部４５、または、手術器具７０の向きを表すベクトルｎに関する情報であるベクトル情報を算出する。また、後述する仮のピボット位置Ｐｐ´の移動を表す第１移動ベクトルΔＰｐ´の情報、および、手術器具７０における把持部４５側の端部である後端部Ｐｒの移動を表す第２移動ベクトルΔＰｒの情報も同様に算出する。
【0064】
なお、本実施形態では、第２移動ベクトルΔＰｒが、手術器具７０における後端部Ｐｒの移動を表すものに適用して説明するが、第２移動ベクトルΔＰｒは後端部Ｐｒにおける移動を表すものに限定されるものではなく、仮のピボット位置Ｐｐ´とは異なる位置における移動を表すものであればよい。
【0065】
記憶部５２は、予め定められた仮距離ｄ´の値が記憶されるものである。仮距離ｄ´は、第２アーム３０の先端位置と、手術器具７０の向きを表すベクトルｎとともに、第２アーム３０に対するピボット位置Ｐｐの推定に用いられるものである。
【0066】
具体的には仮距離ｄ´は、第２アーム３０の先端位置から仮のピボット位置Ｐｐ´までの距離を表すものである。本実施形態では、第２アーム３０の先端位置が、第２アーム３０に把持される手術器具７０の後端側の基準点、例えば本体部７１の後端部Ｐｒである例に適用して説明する。つまり、手術器具７０の後端部Ｐｒから仮のピボット位置Ｐｐ´までの長さが仮距離ｄ´となる。
【0067】
ここで、仮のピボット位置Ｐｐ´は、予め定められるものであり、真のピボット位置Ｐｐの推定を行う際に用いられるものである。そのため、真のピボット位置Ｐｐと、仮のピボット位置Ｐｐ´とは、一致しているか否かを問うものではない。なお、推定を行うために仮のピボット位置Ｐｐ´は、手術器具７０上に設定されていることが好ましい。
【0068】
なお、第２アーム３０の先端位置を、手術器具７０の先端側の基準点、例えば先端部としてもよい。この場合、仮距離ｄ´は、手術器具７０の先端部から仮のピボット位置Ｐｐ´までの長さが仮距離ｄ´となる。
【0069】
垂直ベクトル算出部５３は、手術器具７０の軸線Ｌ方向を算出するものであり、第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´および第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥を算出するものである。ここで、手術器具７０の軸線Ｌ方向は、ベクトル情報に基づいて算出される。また、第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´および第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥は、それぞれ、第１移動ベクトルΔＰｐ´および第２移動ベクトルΔＰｒにおける軸線Ｌ方向に対する垂直成分である。
【0070】
内積算出部５４は、第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´および第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥の内積の値を算出するものである。
修正演算部５５は、内積の値に所定の係数ｋを乗じた値を、記憶部５２に記憶されている仮距離ｄ´に加える演算を行うものである。さらに、記憶されていた仮距離ｄ´の値を、当該演算により求められた新たな仮距離ｄ´の値に更新する処理を行うものである。
修正演算部５５は、内積の値に所定の係数ｋを乗じた値を、記憶部５２に記憶されている仮距離ｄ´に加える演算を行うものである。さらに、記憶されていた仮距離ｄ´の値を、当該演算により求められた新たな仮距離ｄ´の値に更新する処理を行うものである。
【0071】
出力部５６は、回転センサ３１ｓ、第１リンクセンサ３５ｓ、第２リンクセンサ３６ｓ、第１関節センサ４２ｓ、第２関節センサ４３ｓおよび第３関節センサ４４ｓから出力される回転角度の情報に基づいて、第２アーム３０の動きを一つの制御系統にて制御するものである。言い換えると、第２アーム３０の動きは出力部５６のみで制御される。
【0072】
出力部５６は、推定されたピボット位置（ピボット点）Ｐｐにも基づいて第２アーム３０の姿勢および配置位置の少なくとも一方を制御する制御信号を出力するものである。本実施形態では、アクチュエータ３１ａ、アクチュエータ３５ａ、アクチュエータ３６ａ、アクチュエータ４２ａ、アクチュエータ４２ｂ、および、アクチュエータ４２ｃを駆動させる制御信号を出力する例に適用して説明する。
【0073】
具体的には、シャフト部７２の長軸上のいずれかの位置に設定されるピボット位置Ｐｐが、手術器具７０の姿勢および配置位置の少なくとも一方を変更する際に変化しないように制御する制御信号を出力するものである。出力部５６における制御信号を生成する具体的な演算処理内容や情報処理内容としては、公知の処理内容を用いることができ、特に限定するものではない。
【0074】
なお、ピボット位置Ｐｐの位置が変化しないとは、ピボット位置Ｐｐの移動範囲が予め定められた許容範囲内に収まることを言う。許容範囲内としては、患者９０に配置されたトロッカー７５（またはポート孔）内であって、の腹壁９１や胸壁における外面と内面の中間位置を含む範囲であって、ピボット位置Ｐｐの移動範囲によって患者９０の体表近辺の組織が受ける負荷が、当該組織が損傷しない程度に収まる範囲を例示することができる。
【0075】
なお、本実施形態では、制御部５０が第２アーム３０の姿勢および配置位置の少なくとも一方を制御するものの例に適用して説明するが、外部から加えられる力によって第２アーム３０の姿勢が制御されるものであってもよい。言い換えると、制御部５０が第２アーム３０の姿勢を能動的に変更するものであってもよいし、第２アーム３０の姿勢が受動的に変更されるものであってもよい。
【0076】
ここで、外部から加えられる力としては、トロッカー７５と手術器具７０との接触により第２アーム３０に加えられる力や、内視鏡手術を行う術者、術者を補助する補助者が第２アーム３０の姿勢を変えるために加える力を例示することができる。
【0077】
次に、上記の構成からなる制御部５０におけるピボット位置Ｐｐの推定を行う演算処理について説明する。まず、図４を参照しながら、ピボット位置Ｐｐを記述する式について説明する。ピボット位置Ｐｐは、後端部Ｐｒ（第２アーム３０の先端位置）と、ベクトルｎと、距離ｄを用いて以下の式（１）により記述される。
【0078】
【数1】
【0079】
次に、ピボット位置Ｐｐの推定を行う演算処理について説明する。制御部５０は、図５に示すピボット位置Ｐｐの推定を行う演算処理が開始されると、予め定められたサンプリング周期に従って、繰り返し推定の演算処理を行う。推定の演算処理は、少なくとも、第２アーム３０の操作が終了するまで継続される。
【0080】
まず、制御部５０は、取得部５１を用いて第２アーム３０における手術器具７０を把持する把持部４５または手術器具７０の向きを表すベクトルｎに関する情報であるベクトル情報を取得する処理を行う（Ｓ１１）。
【0081】
具体的には、取得部５１は、回転センサ３１ｓ、第１リンクセンサ３５ｓ、第２リンクセンサ３６ｓ、第１関節センサ４２ｓ、第２関節センサ４３ｓおよび第３関節センサ４４ｓ（以後「回転センサ３１ｓ等」とも表記する。）から出力される回転角度の情報を取得する処理を行う。その後、取得した回転角度の情報に基づいて、第２アーム３０の把持部４５、または、手術器具７０の向きを表すベクトルｎに関する情報であるベクトル情報を算出する演算処理を行う。
【0082】
次に、取得部５１は、第１移動ベクトルΔＰｐ´の情報、および、第２移動ベクトルΔＰｒの情報を取得する処理を行う（Ｓ１２）。具体的には、取得部５１は、直近に取得した回転センサ３１ｓ等から出力された回転角度の情報と、それ以前（例えば更に前のサンプリング周期）で取得した回転センサ３１ｓ等から出力された回転角度の情報と、に基づいて、第１移動ベクトルΔＰｐ´の情報、および、第２移動ベクトルΔＰｒの情報を算出する演算処理を行う。
【0083】
その後、制御部５０は、垂直ベクトル算出部５３により第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´および第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥を算出する演算処理を行う（Ｓ１３）。具体的には、制御部５０は、まずベクトルｎに関する情報であるベクトル情報に基づいて手術器具７０の軸線Ｌ方向を算出する演算処理を行う。
【0084】
次いで、第１移動ベクトルΔＰｐ´の情報、第２移動ベクトルΔＰｒの情報、および手術器具７０の軸線Ｌ方向に基づいて、手術器具７０の軸線Ｌ方向に対する垂直成分である第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´および第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥をそれぞれ算出する演算処理を行う（図５参照。）。
【0085】
第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´および第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥を算出すると、制御部５０は、内積算出部５４により第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´および第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥の内積の値Δｄ´を算出する演算処理を行う（Ｓ１４）。
【0086】
例えば、図６に示すように、仮距離ｄ´が、真の値である距離ｄよりも大きい場合、言い換えると、仮のピボット位置Ｐｐ´が、ピボット位置Ｐｐよりも手術器具７０の先端側に位置する場合には、第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´の向きと、第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥の向きとは逆方向となる。そのため、両者の内積の値Δｄ´は負の値となる。
【0087】
その一方で、図７に示すように、仮距離ｄ´が、真の値である距離ｄよりも小さい場合、言い換えると、仮のピボット位置Ｐｐ´が、ピボット位置Ｐｐよりも後端部Ｐｒ側に位置する場合には、第１垂直ベクトルΔＰｐ⊥´の向きと、第２垂直ベクトルΔＰｒ⊥の向きとは同方向となる。そのため、両者の内積の値Δｄ´は正の値となる。
【0088】
内積の値Δｄ´を算出すると、制御部５０は、修正演算部５５により仮距離ｄ´を修正して更新する演算処理を行う（Ｓ１５）。具体的には、修正演算部５５は、内積の値Δｄ´に所定の係数ｋ（但しｋは正の値）を乗じた値を、記憶部５２に記憶されている仮距離ｄ´に加えて修正する演算を行う。さらに修正演算部５５は、記憶されていた仮距離ｄ´の値を、当該演算により求められた新たな仮距離ｄ´の値に更新する処理を行う。
【0089】
例えば、図６に示す場合には、仮距離ｄ´を小さくする修正が行われ、真の値である距離ｄに近づく修正が行われる。その一方で、図７に示す場合には、仮距離ｄ´を大きくする修正が行われ、真の値である距離ｄに近づく修正が行われる。
【0090】
所定の係数ｋは、所望の値に設定することができる。例えば、所定の係数ｋの値を大きくすると仮距離ｄ´が真の値である距離ｄに早く近づくようになるが、真の値である距離ｄに収束しにくくなる可能性がある。また、値を小さくすると、仮距離ｄ´が真の値である距離ｄにゆっくりと近づくようになるが、真の値である距離ｄに収束しやすくなる。
【0091】
なお、仮距離ｄ´が手術器具７０の先端部から仮のピボット位置Ｐｐ´までの距離を表す場合には、図８に示すように、Ｓ１５における仮距離ｄ´を修正する際の増減が逆になる。そのため、所定の係数ｋは負の値を有していることが好ましい。
【0092】
上記の構成の手術支援ロボット１によれば、第２アーム３０に少なくとも５自由度を実現する回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４が設けられているため、第２アーム３０のみを操作することでセッティングを行うことが可能となる。例えば、特許文献１に記載された技術のようにセットアップアームおよびマニピュレータの両者を操作することによりセッティングを行う場合と比較して、操作を行うマニピュレータの数が少なくセッティングを容易に行うことが可能となる。
【0093】
さらに、回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４の全ては、手術器具７０が体腔に挿入された状態において動作可能とされていることが好ましい。言い換えると、手術器具７０が体腔に挿入された状態において動作が固定される回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、または、第３関節部４４がないことが好ましい。動作が固定されるとは、手術手技が行われる間は動作が必要ない、または、許容されないことを言う。
【0094】
回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４の全ては、手術器具７０が体腔に挿入された状態において動作可能とされることにより、特許文献１に記載された技術と比較して、手術器具７０が移動可能な範囲を確保しやすい。
【0095】
例えば、患者９０の体表に設けられたトロッカー７５やポート孔に挿入された手術器具７０を、他のトロッカー７５やポート孔に移動させやすい。また、患者９０の体腔中のガスの増減等の理由により、手術支援ロボット１に対するトロッカー７５やポート孔の相対位置が変動しても、手術器具７０を追従させやすい。
【0096】
第２アーム３０の先端である他の端部において手術器具７０を保持可能とすることにより、特許文献１に記載された技術と比較して、手術器具７０が移動可能な範囲を確保しやすい。
【0097】
手術器具７０がシャフト部７２と操作部７３とを有するものであることにより、患者９０の体表に設けられたトロッカー７５やポート孔にシャフト部７２を挿入し、操作部７３を患者９０の体腔内に配置しやすくなる。
【0098】
制御部５０は、シャフト部７２にピボット位置Ｐｐが位置するように回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４の動きを制御する。そのため、手術器具７０の姿勢や配置位置を変更した場合であっても、シャフト部７２がピボット位置Ｐｐを通過することが可能となる。言い換えると、ピボット動作を可能とする。
【0099】
回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４における変位の情報に基づいてピボット位置Ｐｐの位置を推定することにより、第２アーム３０におけるピボット動作を行いやすくなる。また、回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４における変位の情報の全てに基づいて制御部５０による回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４の動きの制御が可能になる。言い換えると、回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４の一部の制御と、残りの制御が制御部５０とは異なる制御部によって行われることがない。すなわち、回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４における変位の情報の全てに基づいて回転部３１、ピン３５ｐ、ピン３６ｐ、第１関節部４２、第２関節部４３、および、第３関節部４４の動きを一つの制御系統にて制御する構成となっている。
【0100】
第２アーム３０は、手術器具７０における互いに交差する３つの方向への移動である３自由度と、シャフト部７２の軸線Ｌと交差するとともに互いに交差する２つの軸線まわりの回転である２自由度と、を有する。そのため、第２アーム３０のみを操作することでセッティングを行うことが可能となる。
【0101】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態においては、この発明が手術支援ロボット１である例に適用して説明したが、ロボットの形式に限定されるものではなく、ロボット以外の各種の装置にも適用できるものである。
【符号の説明】
【0102】
１…手術支援ロボット（手術支援装置）、 ２０…第１アーム、 ２３…関節部（第１可動部）、 ２４…取り付け部（第１可動部）、 ３０…第２アーム、 ３１…回転部（第２可動部）、 ３１ｓ…回転センサ（センサ）、 ３５ｐ…ピン（第２可動部）、 ３５ｓ…第１リンクセンサ（センサ）、 ３６ｐ…ピン（第２可動部）、 ３６ｓ…第２リンクセンサ（センサ）、 ４２…第１関節部（第２可動部）、 ４２ｓ…第１関節センサ（センサ）、 ４３…第２関節部（第２可動部）、 ４３ｓ…第２関節センサ（センサ）、 ４４…第３関節部（第２可動部）、 ４４ｓ…第３関節センサ（センサ）、 ４５…把持部（保持部）、 ５０…制御部、 ７０…手術器具、 ７２…シャフト部、 ７３…操作部、 ９０…患者、 ９２…体腔、 Ｐｐ…ピボット位置（ピボット点）、 Ｌ…軸線（中心軸線）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
