特許 7335026 手術ロボット、及び手術ロボットの制御ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-21

(45)【発行日】2023-08-29

(54)【発明の名称】手術ロボット、及び手術ロボットの制御ユニット

(51)【国際特許分類】

   A61B 34/37 20160101AFI20230822BHJP

【ＦＩ】

A61B34/37

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022579845

(86)(22)【出願日】2022-08-23

(86)【国際出願番号】 JP2022031775

【審査請求日】2022-12-22

【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】金澤 雅夫

【審査官】鈴木 敏史

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０６４２４８８５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２００９－２８５０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０２９１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０７１０７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ３４／３７

Ｂ２５Ｊ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

手術ロボットであって、
使用者から操作を受け付けると共に、前記操作を行っている前記使用者に対し反力を付与するよう構成されたマスタ部と、
前記マスタ部を制御し、前記反力を発生させるよう構成されたマスタ制御部と、
術具を作動させるスレーブ部と、
前記マスタ部が受け付けた前記操作に基づく前記術具の状態である目標状態に基づき前記スレーブ部を制御し、前記術具を作動させるよう構成されたスレーブ制御部と、
前記術具の状態である術具状態を検出するよう構成されたスレーブ検出部と、
を備え、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づき、前記術具を制御するためのスレーブ制御値を算出し、前記スレーブ制御値に基づき前記スレーブ部を制御するよう構成され、
前記マスタ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により中間値を算出し、前記中間値と、前記スレーブ制御部から取得した前記スレーブ制御値とを用いた演算により、前記反力を制御するためのマスタ制御値を算出し、前記マスタ制御値に基づき前記マスタ部を制御するよう構成される、
手術ロボット。

【請求項2】

請求項１に記載の手術ロボットにおいて、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態とに基づく積分を行うことで、前記スレーブ制御値を算出するよう構成される
手術ロボット。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の手術ロボットにおいて、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により、前記スレーブ制御値を算出するよう構成され、
前記マスタ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により、前記マスタ制御値を算出するよう構成され、
前記マスタ制御部での比例制御のゲインは、前記スレーブ制御部での比例制御のゲインよりも大きい
手術ロボット。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載の手術ロボットにおいて、
前記マスタ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により、前記マスタ制御値を算出するよう構成され、
前記比例制御のゲインを表示するよう構成された表示部と、
前記比例制御のゲインを変更するための操作を受け付けるよう構成された受付部と、
をさらに備える手術ロボット。

【請求項5】

請求項１又は請求項２に記載の手術ロボットにおいて、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により、前記スレーブ制御値を算出するよう構成され、
前記比例制御のゲインを表示するよう構成された表示部と、
前記比例制御のゲインを変更するための操作を受け付けるよう構成された受付部と、
をさらに備える手術ロボット。

【請求項6】

請求項５に記載の手術ロボットにおいて、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく積分制御をさらに行うことで、前記スレーブ制御値を算出するよう構成され、
前記表示部は、前記積分制御のゲインをさらに表示するよう構成され、
前記受付部は、前記積分制御のゲインを変更するための操作をさらに受け付けるよう構成される
手術ロボット。

【請求項7】

手術ロボットの制御ユニットであって、
使用者から操作を受け付けると共に、前記操作を行っている前記使用者に対し反力を付与するよう構成されたマスタ部を制御し、前記反力を発生させるよう構成されたマスタ制御部と、
術具を作動させるスレーブ部を、前記マスタ部が受け付けた前記操作に基づく前記術具の状態である目標状態に基づき制御し、前記術具を作動させるよう構成されたスレーブ制御部と、を備え、
前記スレーブ制御部は、スレーブ検出部により検出された前記術具の状態である術具状態と前記目標状態との差分に基づき、前記術具を制御するためのスレーブ制御値を算出し、前記スレーブ制御値に基づき前記スレーブ部を制御するよう構成され、
前記マスタ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により中間値を算出し、前記中間値と、前記スレーブ制御部から取得した前記スレーブ制御値とを用いた演算により、前記反力を制御するためのマスタ制御値を算出し、前記マスタ制御値に基づき前記マスタ部を制御するよう構成される、
手術ロボットの制御ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、マスタ・スレーブ型の手術ロボットに関する。

【背景技術】

【0002】

マスタ・スレーブ型の手術ロボットは、マスタにて医師等の医療従事者（以後、使用者）から操作を受け付けると共に、例えば鉗子やメス等といった手術用の器具である術具をスレーブとして用いる。そして、マスタで受け付けた操作に従いスレーブが制御され、患者（以後、対象者）の手術が行われる。また、このような手術ロボットにおいて、バイラテラル制御により、手術中に術具が受けた力をスレーブからマスタに帰還させることで、使用者に力覚フィードバックを行う技術が知られている（例えば、特許文献１）。

【0003】

このような力覚フィードバックを行う手術ロボットのマスタ及びスレーブでは、比例制御が行われている。そして、力覚フィードバックの感度を向上させるため、マスタの比例制御のゲインを向上させることが考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第７０４９０６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、例えば、術具に駆動力を伝達するためのワイヤのたるみや、術具と駆動力の伝達機構との間にギャップが存在する場合や、制御に遅延が生じる場合等には、マスタの比例制御ゲインを過度に向上させると術具の制御が困難になるおそれがある。このため、比例制御ゲインを向上させることには限界がある。

【0006】

本開示の一態様では、力覚フィードバックの感度を向上させるのが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様は、手術ロボットであって、マスタ部と、マスタ制御部と、スレーブ部と、スレーブ制御部と、スレーブ検出部と、を備える。マスタ部は、使用者から操作を受け付けると共に、操作を行っている使用者に対し反力を付与するよう構成される。マスタ制御部は、マスタ部を制御し、反力を発生させるよう構成される。スレーブ部は、術具を作動させる。スレーブ制御部は、マスタ部が受け付けた操作に基づく術具の状態である目標状態に基づきスレーブ部を制御し、術具を作動させるよう構成される。スレーブ検出部は、術具の状態である術具状態を検出するよう構成される。スレーブ制御部は、術具状態と目標状態とに基づき、術具を制御するためのスレーブ制御値を算出し、スレーブ制御値に基づきスレーブ部を制御するよう構成される。マスタ制御部は、術具状態及び目標状態と、スレーブ制御部から取得したスレーブ制御値とに基づき、反力を制御するためのマスタ制御値を算出し、マスタ制御値に基づきマスタ部を制御するよう構成される。

【0008】

上記構成によれば、スレーブ制御値を加味してマスタ制御値が算出され、マスタ制御値により使用者への反力が制御される。これにより、スレーブ制御値の変化をより迅速にマスタ制御値に反映でき、その結果、力覚フィードバックの感度が向上する。

【0009】

本開示の一態様では、スレーブ制御部は、術具状態と目標状態とに基づく積分を行うことで、スレーブ制御値を算出するよう構成されてもよい。

【0010】

上記構成によれば、スレーブ制御部における外乱（換言すれば、定常偏差）を抑制できる。このため、より精度良くスレーブ制御値を算出できる。

【0011】

本開示の一態様では、スレーブ制御部は、術具状態と目標状態との差分に基づく比例制御により、スレーブ制御値を算出するよう構成されてもよい。マスタ制御部は、術具状態と目標状態との差分に基づく比例制御により、マスタ制御値を算出するよう構成されてもよい。マスタ制御部での比例制御のゲインは、スレーブ制御部での比例制御のゲインよりも大きくてもよい。

【0012】

上記構成によれば、力覚フィードバックの感度が向上する。

【0013】

本開示の一態様は、マスタ制御部は、術具状態と目標状態との差分に基づく比例制御により、マスタ制御値を算出するよう構成されてもよい。手術ロボットは、表示部と、受付部と、をさらに備えてもよい。表示部は、比例制御のゲインを表示するよう構成される。受付部は、比例制御のゲインを変更するための操作を受け付けるよう構成される。

【0014】

上記構成によれば、力覚フィードバックの感度を調整可能となる。

【0015】

本開示の一態様は、スレーブ制御部は、術具状態と目標状態との差分に基づく比例制御により、スレーブ制御値を算出するよう構成されてもよい。手術ロボットは、表示部と、受付部と、をさらに備えてもよい。表示部は、比例制御のゲインを表示するよう構成される。受付部は、比例制御のゲインを変更するための操作を受け付けるよう構成される。

【0016】

上記構成によれば、より好適に術具を制御できるようにカスタマイズすることが可能となる。

【0017】

本開示の一態様では、スレーブ制御部は、術具状態と目標状態との差分に基づく積分制御をさらに行うことで、スレーブ制御値を算出するよう構成されてもよい。表示部は、積分制御のゲインをさらに表示するよう構成されてもよい。受付部は、積分制御のゲインを変更するための操作をさらに受け付けるよう構成されてもよい。

【0018】

上記構成によれば、より好適に術具を制御できるようにカスタマイズすることが可能となる。

【0019】

本開示の一態様は、手術ロボットの制御ユニットであって、マスタ制御部と、スレーブ制御部と、を備える。マスタ制御部は、使用者から操作を受け付けると共に、操作を行っている使用者に対し反力を付与するよう構成されたマスタ部を制御し、反力を発生させるよう構成される。スレーブ制御部は、術具を作動させるスレーブ部を、マスタ部が受け付けた操作に基づく術具の状態である目標状態に基づき制御し、術具を作動させるよう構成される。また、スレーブ制御部は、スレーブ検出部により検出された術具の状態である術具状態と目標状態とに基づき、術具を制御するためのスレーブ制御値を算出し、スレーブ制御値に基づきスレーブ部を制御するよう構成される。マスタ制御部は、術具状態及び目標状態と、スレーブ制御部から取得したスレーブ制御値とに基づき、反力を制御するためのマスタ制御値を算出し、マスタ制御値に基づきマスタ部を制御するよう構成される。

【0020】

上記構成によれば、スレーブ制御値を加味してマスタ制御値が算出され、マスタ制御値により使用者への反力が制御される。これにより、スレーブ制御値の変化をより迅速にマスタ制御値に反映でき、その結果、力覚フィードバックの感度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】手術ロボットの説明図である。

【図2】手術ロボットのブロック図である。

【図3】１自由度系でモデル化されたマスタ・スレーブの説明図である。

【図4】非対称側バイラテラル制御のブロック線図である。

【図5】ゲインの設定画面の説明図である。

【符号の説明】

【0022】

１…手術ロボット、２…ロボットアーム、２０…接続部、２１…アーム、２２…関節部、２３～２５…第１～第３駆動部、２６…センサ部、３…制御ユニット、３０…マスタ制御部、３１…スレーブ制御部、３２…ゲイン調整部、３３…記憶装置、４…操作ユニット、４０…操作装置、４１…位置操作部、４１Ａ…可動部、４１Ｂ…駆動部、４２…把持操作部、４２Ａ…可動部、４２Ｂ…駆動部、４３…表示部、４４…受付部、５…術具、５０…把持部、５０Ａ…センサ部、５１…開閉機構、５２…リスト部、５２Ａ…センサ部、５３…シャフト、５４…アダプタ、６…トロッカー、７…設定画面、７０～７５…表示領域、７６…カーソル。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本開示の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本開示の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

【0024】

［１．概要］
本実施形態の手術ロボット１は、同一の構成を有する２つのロボットアーム２、制御ユニット３、及び操作ユニット４を備える（図１、２参照）。また、各ロボットアーム２には、術具５が搭載される。なお、ロボットアーム２の数は、１つ又は３つ以上であっても良い。

【0025】

手術ロボット１は、マスタ・スレーブ型のロボットシステムとして構成される。手術ロボット１は、使用者による操作ユニット４の操作部（換言すれば、マスタ）の操作に応じて、ロボットアーム２及び術具５（換言すれば、スレーブ）を作動させ、対象者の手術を行う。また、手術ロボット１は、力覚フィードバックを行うよう構成されている。詳細は後述するが、手術ロボット１は、手術の際、使用者の操作に従い作動した術具が受けた力を、操作ユニット４の操作部を介して使用者に知覚させるよう構成されている。

【0026】

［２．術具］
術具５は、対象者の腹部などに穿刺されたトロッカー６を介して、先端が対象者の体内に挿入され、先端に設けられた部位を体内で作動させることで処置を行うよう構成される（図１参照）。本実施形態では、一例として、術具５として鉗子が用いられる。しかし、これに限らず、例えばメス等といった鉗子以外の術具が用いられても良い。

【0027】

術具５は、把持部５０、開閉機構５１、リスト部５２、シャフト５３、及びアダプタ５４を備える（図１、２参照）。

【0028】

シャフト５３は、細長い筒状の部位であり、先端の反対側の端部にアダプタ５４が設けられている。

【0029】

把持部５０は、シャフト５３の先端に設けられており、トロッカー６を介して対象者の体内に挿入され、例えば、対象者の体内の組織を把持する等の処置を行う。把持部５０は、第１及び第２部分と開閉機構５１とを備え、開閉機構５１は第１及び第２部分を接近及び離間（以後、開閉動作とも記載）させるよう構成される。第１及び第２部分が接近することで物体が把持され、第１及び第２部分が離間することで把持していた物体を開放する。

【0030】

また、把持部５０は、開閉動作の状態（以後、開閉状態）を検出するセンサ部５０Ａを有する（図２参照）。具体的には、例えば、センサ部５０Ａは、第１部分と第２部分との間の距離、及び／又は、第１部分と第２部分との間の角度を、開閉状態として検出しても良い。

【0031】

リスト部５２は、シャフト５３における把持部５０の近傍に設けられ、少なくとも１つの箇所にて回転可能であり、該箇所にて回転することで把持部５０の向き（換言すれば、姿勢）を変化させる。また、リスト部５２は、把持部５０の向きを検出するセンサ部５２Ａを有する。

【0032】

なお、センサ部５０Ａ、５２Ａは、検出結果を示すセンサ信号を制御ユニット３に出力する。

【0033】

筒状のシャフト５３の内側には、把持部５０、及びリスト部５２を作動させるため、これらの部位に駆動力を伝達する複数のワイヤが設けられている。

【0034】

［３．ロボットアーム］
ロボットアーム２は、先端に搭載された術具５を所定の位置にて保持すると共に、使用者による操作に応じて当該ロボットアーム２の姿勢を変化させ、術具５の位置及び向き（換言すれば、姿勢）を調整するよう構成される（図１参照）。

【0035】

ロボットアーム２の先端には、術具５のアダプタ５４に着脱可能な接続部２０が設けられており、接続部２０を介して術具５が搭載される。ロボットアーム２の接続部２０には、複数の種類の鉗子や、鉗子以外の術具が搭載可能となっている。

【0036】

ロボットアーム２は、リンク機構として構成されており、複数のアーム２１と、アーム２１の端部に設けられ、各アーム２１を回転させる複数の関節部２２（換言すれば、ジョイント）を有する。また、各アーム２１は、関節部２２を介して他のアーム２１と接続されている。

【0037】

また、ロボットアーム２は、第１～第３駆動部２３～２５を備える（図２参照）。なお、第１～第３駆動部２３～２５、例えば、少なくとも１つの空気圧式のアクチュエータや、少なくとも１つのモータ等を有していても良い。

【0038】

第１駆動部２３は、使用者による操作に応じて各関節部２２を駆動するよう構成され、第１駆動部２３が生じる駆動力は、複数のワイヤ及び複数のプーリを含む伝達機構を介して各関節部２２に伝達される。第１駆動部２３が各関節部２２を駆動することで、各アーム２１が変位してロボットアーム２の姿勢が変化し、これにより、術具５の向き及び位置が変化する。

【0039】

また、第２駆動部２４は、使用者の操作に応じて術具５のリスト部５２を駆動させるよう構成され、第２駆動部２４が生じる駆動力は、伝達機構を介してリスト部５２に伝達される。第２駆動部２４がリスト部５２を駆動することで、把持部５０の向きが変化する。

【0040】

また、第３駆動部２５は、使用者の操作に応じて術具５の開閉機構５１を駆動させるよう構成され、第３駆動部２５が生じる駆動力は、伝達機構を介して開閉機構５１に伝達される。第３駆動部２５が開閉機構５１を駆動することで、把持部５０の開閉状態が変化する。

【0041】

また、ロボットアーム２は、ロボットアーム２の姿勢を検出するセンサ部２６を備える。センサ部２６は、例えば、各関節部２２が回転した角度を検出しても良いし、各関節部２２を駆動する第１駆動部２３の状態（例えば、圧縮空気の圧力等）を検出しても良い。また、センサ部２６は、検出結果を示すセンサ信号を、制御ユニット３に出力する。

【0042】

［４．操作ユニット］
操作ユニット４は、使用者からロボットアーム２及び術具５の操作を受け付けるよう構成されており、各ロボットアーム２に対応して設けられる２つの操作装置４０と、表示部４３と、受付部４４とを備える（図２参照）。また、各操作装置４０は、位置操作部４１と把持操作部４２とを備える。

【0043】

位置操作部４１は、当該位置操作部４１が設けられた操作装置４０に対応するロボットアーム２に搭載された術具５の把持部５０の位置及び向きを調整するための操作を受け付ける。つまり、位置操作部４１への操作に応じて、ロボットアーム２の姿勢が変化して術具５の位置や向きが調整されたり、術具５のリスト部５２が作動して把持部５０の向きが調整されたりする。

【0044】

把持操作部４２は、当該把持操作部４２が設けられた操作装置４０に対応するロボットアーム２に搭載された術具５の把持部５０に、開閉動作を実行させる操作を受け付ける。

【0045】

そして、操作装置４０は、位置操作部４１及び把持操作部４２が受け付けた操作の内容を示す操作信号を、制御ユニット３に出力する。

【0046】

また、上述したように、手術ロボット１は力覚フィードバックを行うよう構成されている。このため、使用者の操作に従い術具５が作動することで対象者等から術具５が受けた力に応じた反力が、位置操作部４１及び把持操作部４２により使用者に付与される。

【0047】

具体的には、位置操作部４１及び把持操作部４２は、それぞれ、可動部４１Ａ、４２Ａと駆動部４１Ｂ、４２Ｂとを備える。駆動部４１Ｂ、４２Ｂは、例えば、空気圧式のアクチュエータやモータ等により可動部４１Ａ、４２Ａを駆動する。そして、位置操作部４１の駆動部４１Ｂは、制御ユニット３から入力された制御信号に従い可動部４１Ａを変位させることで、当該位置操作部４１を操作している使用者に反力を付与する。同様に、把持操作部４２の駆動部４２Ｂは、制御ユニット３から入力された制御信号に従い可動部４２Ａを変位させることで、当該把持操作部４２を操作している使用者に反力を付与する。

【0048】

表示部４３は、一例として液晶ディスプレイとして構成され、制御ユニット３からの制御信号に従い作動し、例えば、設定画面、対象者の内視鏡画像、ロボットアーム２及び術具５の状態、又は、手術ロボット１の操作に必要な情報を表示する。なお、内視鏡画像は、例えば、患者の腹部などに穿刺された他のトロッカーを介して患者の体腔内に挿入された内視鏡から取得された、患者の体腔内の画像であっても良い。また、この内視鏡は、図示しない他のロボットアーム又は内視鏡保持装置によって保持されても良い。

【0049】

受付部４４は、使用者等からの操作を受け付ける装置であり、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、又はフットスイッチ等を有する。受付部４４は、受け付けた操作の内容を示す操作信号を制御ユニット３に出力する。

【0050】

［５．制御ユニット］
［（１）全体構成］
制御ユニット３は、各ロボットアーム２、各術具５、及び操作ユニット４を制御するよう構成される（図２参照）。制御ユニット３は、プロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バス、及び入出力部等を備えるコンピュータシステムとして構成される。制御ユニット３の機能は、ＲＯＭ又はＲＡＭに保存されたプログラムによりプロセッサが動作することで実現される。なお、プロセッサにより実現される機能の一部又は全部を、少なくとも１つのＩＣ等のハードウェアにより実現しても良い。

【0051】

制御ユニット３は、マスタ制御部３０、スレーブ制御部３１、ゲイン調整部３２、及び記憶装置３３を備える。

【0052】

記憶装置３３は、ハードディスクやフラッシュメモリ等の不揮発性の記憶媒体であり、制御ユニット３による処理に必要なプログラムや、手術ロボット１の操作に関する設定情報等が保存される。

【0053】

一方、マスタ制御部３０及びスレーブ制御部３１の機能は、プロセッサが動作することで実現される。マスタ制御部３０は、操作ユニット４を制御するよう構成され、スレーブ制御部３１は、各ロボットアーム２と、各ロボットアーム２に搭載された術具５とを制御するよう構成される。また、詳細は後述するが、マスタ制御部３０及びスレーブ制御部３１は、マスタ・スレーブ制御を行うことで、マスタの駆動力τｍ（換言すれば、マスタ制御値）とスレーブの駆動力τｓ（換言すれば、スレーブ制御値）とを算出する。

【0054】

なお、マスタの駆動力τｍとは、操作ユニット４の各操作装置４０における位置操作部４１及び把持操作部４２の駆動部４１Ｂ、４２Ｂの駆動力を意味する。また、スレーブの駆動力τｓとは、各ロボットアーム２における第１～第３駆動部２３～２５の駆動力を意味する。

【0055】

マスタ制御部３０は、位置操作部４１及び把持操作部４２の駆動部４１Ｂ、４２Ｂに制御信号を出力し、駆動部４１Ｂ、４２Ｂの各々が、駆動力τｍにて可動部４１Ａ、４２Ａを作動させるよう制御することで、反力を発生させる。

【0056】

また、マスタ制御部３０は、操作ユニット４からの操作信号に基づき、使用者が位置操作部４１及び把持操作部４２に対して行った操作を検出する。そして、マスタ制御部３０は、検出した操作に基づき、把持部５０の現在の位置及び向きと、開閉動作とについての目標状態（換言すれば、Ｘｍ）を特定する。なお、目標状態及びＸｍの詳細については、後述する。

【0057】

一方、スレーブ制御部３１は、ロボットアーム２の第１～第３駆動部２３～２５に制御信号を出力する。これにより、スレーブ制御部３１は、第１及び第２駆動部２３、２４が、駆動力τｓにて複数の関節部２２及びリスト部５２を作動させるよう制御する。また、スレーブ制御部３１は、第３駆動部２５が、駆動力τｓにて開閉機構５１を作動させるよう制御する。

【0058】

また、スレーブ制御部３１は、術具５の把持部５０に設けられたセンサ部５０Ａからのセンサ信号に基づき、把持部５０の開閉動作の現在の状態を、術具状態（換言すれば、Ｘｓ）として特定する。また、スレーブ制御部３１は、術具５のリスト部５２に設けられたセンサ部５２Ａからのセンサ信号と、ロボットアーム２に設けられたセンサ部２６からのセンサ信号とに基づき、把持部５０の現在の位置及び向きを、術具状態（換言すれば、Ｘｓ）として特定する。なお、術具状態及びＸｓの詳細については、後述する。

【0059】

［（２）非対称型のバイラテラル制御］
本実施形態のマスタ・スレーブは、図３に示す１自由度系でモデル化できる。この時、マスタ及びスレーブのダイナミクスは、以下の式で表される。

【0060】

【数1】

【0061】

【数2】

ここで、把持部５０の位置及び向きの制御においては、操作に用いられる位置操作部４１がマスタに相当し、把持部５０がスレーブに相当する。また、把持部５０の開閉動作の制御においては、操作に用いられる把持操作部４２がマスタに相当し、把持部５０がスレーブに相当する。

【0062】

また、Ｘｍは、使用者からの操作により定められるマスタの現在の状態に基づき定められる、スレーブが到達すべき状態（換言すれば、スレーブの目標状態）を意味する。より詳しくは、把持部５０における位置及び向きの目標値及び開閉状態の目標値が、目標状態に相当し得る。また、Ｍｍはマスタの質量を、Ｄｍはマスタ側のダンパの粘性摩擦係数を、Ｆｍは使用者の操作によりマスタに加えられる外力をそれぞれ意味する。また、上述したように、τｍは、位置操作部４１及び把持操作部４２において、反力を発生させるために駆動部が可動部を作動させる際の駆動力を意味する。

【0063】

また、Ｘｓは、スレーブの現在の状態（換言すれば、術具状態）を意味する。より詳しくは、把持部５０における現在の位置及び向きを示す値、及び、現在の開閉状態を示す値が、術具状態に相当する。また、Ｍｓはスレーブの質量を、Ｄｓはスレーブ側のダンパの粘性摩擦係数を、Ｆｓは作動中に対象者からスレーブに加えられる外力をそれぞれ意味する。また、上述したように、τｓは、把持部５０の位置及び向きを目標状態に到達させるため、第１及び第２駆動部２３、２４が関節部２２及びリスト部５２を作動させる際の駆動力を意味する。また、τｓは、把持部５０の開閉状態を目標状態に到達させるため、第３駆動部２５が開閉機構５１を作動させる際の駆動力を意味する。

【0064】

そして、マスタ制御部３０及びスレーブ制御部３１は、図４のブロック線図が示す非対称型のバイラテラル制御を行う。該制御では、加合せ点３ＡにてＸｍからＸｓを減算して差分が算出され、該差分は伝達要素３Ｂに入力される。また、伝達要素３Ｂは、該差分に基づく比例制御及び積分制御によりスレーブの駆動力τｓを算出し、駆動力τｓを、スレーブを示す伝達要素３Ｃと、加合せ点３Ｅとに出力する。伝達要素３Ｃは、加合せ点３Ａに向けてＸｓを出力する。

【0065】

また、加合せ点３Ａで算出されたＸｍとＸｓとの差分は、比例制御を行う伝達要素３Ｄに入力されると共に、伝達要素３Ｄは、該差分に基づく比例制御によりτｍ´を算出し、τｍ´を加合せ点３Ｅに出力する。加合せ点３Ｅでは、τｍ´からスレーブの駆動力τｓを減算することでマスタの駆動力τｍが算出され、駆動力τｍは、マスタを示す伝達要素３Ｆに出力される。伝達要素３Ｆは、加合せ点３Ａに向けてＸｍを出力する。

【0066】

なお、伝達要素３Ｂは、スレーブ制御部３１での処理に相当し、Ｋｐｓをゲインとする比例制御と、Ｋｉｓをゲインとする積分制御とを行う。また、伝達要素３Ｄ及び加合せ点３Ｅは、マスタ制御部３０での処理に相当し、伝達要素３Ｄでは、－Ｋｐｍをゲインとする比例制御が行われる。

【0067】

つまり、マスタ制御部３０は、Ｘｍ及びＸｓと、スレーブ制御部３１から取得したスレーブの駆動力τｓとに基づき、マスタの駆動力τｍを算出する。また、－Ｋｐｍの絶対値（以後、｜Ｋｐｍ｜）は、Ｋｐｓの絶対値（以後、｜Ｋｐｓ｜）よりも大きい。より詳しくは、一例として、｜Ｋｐｍ｜は、｜Ｋｐｓ｜の２倍以上３倍以下となっていても良い。しかし、これに限らず、｜Ｋｐｍ｜及び｜Ｋｐｓ｜は、適宜定められ得る。また、例えば、｜Ｋｐｍ｜は｜Ｋｐｓ｜よりも小さくても良い。

【0068】

また、スケーリングを行った駆動力τｍを、マスタを示す伝達要素３Ｆに入力しても良い。なお、スケーリングとは、マスタの駆動力τｍに対し１を超える所定値の係数を乗算することを意味する。このようなスケーリングにより、スレーブが受けた力よりも大きな反力を使用者に付与することができ、使用者は、対象者の体内における微小な部位に対する処置や、緻密な処置を好適に行うことができる。

【0069】

図３のブロック線図は、以下の式（３）、（４）により表される。

【0070】

【数3】

【0071】

【数4】

ここで、式（１）、（２）に式（３）、（４）を代入し、ラプラス変換を行うと、以下の式（５）が得られる。

【0072】

【数5】

但し、Ｇ（ｓ）は以下の式（６）を満たす。

【0073】

【数6】

ここで、Ｔ、ａが式（７）、（８）を満たすとすると、式（９）が成り立つ。

【0074】

【数7】

【0075】

【数8】

【0076】

【数9】

つまり、式（９）から、非対称型のバイラテラル制御は、位相進み補償特性を有していることがわかる。したがって、マスタの比例制御のゲイン｜Ｋｐｍ｜を、スレーブの比例制御のゲイン｜Ｋｐｓ｜よりも高くすることで、Ｇ（ｓ）のゲインは、高周波領域ではａとなり、低周波領域では１となる。つまり、スレーブが対象物に接触した瞬間のように、スレーブに加えられる外力Ｆｓの変化が大きいときには、ａ倍された力がマスタにフィードバックされ、定常時には１倍の力がマスタにフィードバックされる。このため、非対称型のバイラテラル制御により、積分制御によるスレーブの高精度な追従性能と、高感度な力覚フィードバックとが両立するよう促される。

【0077】

［（３）マスタ・スレーブ制御の変形例］
式（１０）、（１１）に示すように、式（３）、（４）において、それぞれ、加速度及び速度を用いて慣性力及び粘性力を補償しても良い。

【0078】

【数10】

【0079】

【数11】

式（１０）、（１１）から、式（１２）が得られる。

【0080】

【数12】

式（１２）から、式（１０）、（１１）のように補償を加えることで、マスタとスレーブとにおけるダイナミクスの影響を抑制できることがわかる。

【0081】

この他にも、スレーブ制御部３１では、比例制御と積分制御とによりスレーブの駆動力τｓが算出される。しかし、積分制御に替えて、外乱オブザーバによりスレーブの駆動力τｓが算出されても良い。

【0082】

また、非対称型のバイラテラル制御では、マスタ制御部３０は、伝達要素３Ｄから出力されたτｍ´からスレーブの駆動力τｓを減算することで、マスタの駆動力τｍを算出する。しかし、これに限らず、τｍの算出方法は適宜定められ得る。具体的には、例えば、スレーブの駆動力τｓに基づき所定の計算を行うことでτｓ´を算出し、τｍ´からからτｓ´を減算することで、τｍが算出されても良い。なお、所定の計算とは、例えば、τｓに対し所定の係数を乗算又は加算することであっても良い。また、例えば、τｍ´に対し、τｓ（又は、τｓ´）を乗算したり、除算したり、加算したりすることで、τｍが算出されても良い。

【0083】

また、伝達要素３Ｂでは、積分制御及び外乱オブザーバを用いることなく、τｓが算出されても良い。また、伝達要素３Ｂ、３Ｄでは、それぞれ、さらに微分制御を行うことで、τｓ又はτｍ´が算出されても良い。

【0084】

［（４）ゲインの調整］
ゲイン調整部３２の機能は、制御ユニット３のプロセッサが動作することで実現される（図２参照）。ゲイン調整部３２は、受付部４４を介して使用者等から受け付けた操作に従い、非対称型のバイラテラル制御における比例制御及び積分制御のゲインを調整する。

【0085】

すなわち、記憶装置３３には、各ロボットアーム２に対応して、マスタ制御部３０における比例制御のゲインＫｐｍと、スレーブ制御部３１における比例制御のゲインＫｐｓ及び積分制御のゲインＫｉｓとが保存されている。そして、例えば、手術ロボット１の起動時等には、制御ユニット３は、各ロボットアーム２に対応するＫｐｍ、Ｋｐｓ、及びＫｉｓを記憶装置３３から読み出し、以後、読み出したＫｐｍ、Ｋｐｓ、及びＫｉｓを用いて上述したバイラテラル制御を行う。

【0086】

また、ゲイン調整部３２は、ゲインの調整の指示を指示する操作信号を受付部４４から受け付けると、表示部４３に対し制御信号を出力し、ゲインの設定画面７を表示部４３に表示する（図５参照）。ゲインの設定画面７は、各ロボットアーム２に対応して設けられており、対応するロボットアーム２のバイラテラル制御におけるゲインを調整するために用いられる。ゲイン調整部３２は、受付部４４から入力された操作信号に従い、表示部４３に表示されているゲインの設定画面７を、異なるロボットアーム２に対応するゲインの設定画面７に切り替えるよう、表示部４３に対し制御信号を出力する。

【0087】

ゲインの設定画面７は、把持部５０の位置及び向きの制御におけるスレーブの比例制御のゲイン及び積分制御のゲインの表示領域７０、７１と、マスタの比例制御のゲインの表示領域７２とを有する。また、ゲインの設定画面７は、把持部５０の開閉状態の制御におけるスレーブの比例制御のゲイン及び積分制御のゲインの表示領域７３、７４と、マスタの比例制御のゲインの表示領域７５とを有する。ゲイン調整部３２は、表示部４３に対し制御信号を出力し、これらの表示領域７０～７５に、対応する比例制御又は積分制御におけるゲインの現在の値を表示させる。

【0088】

また、ゲインの設定画面７には、表示領域７０～７５のいずれかに重ねてカーソル７６が表示される。ゲイン調整部３２は、受付部４４から入力された操作信号に従い、表示領域７０～７５のうちのいずれかを選択すると共に、表示部４３に対し制御信号を出力し、選択した表示領域に重ねてカーソル７６を表示させる。また、ゲイン調整部３２は、受付部４４から入力された操作信号に従い、選択中の表示領域に表示されているゲインの値の変更を受け付け、表示部４３に対し制御信号を出力することで、変更後のゲインの値を該表示領域に表示させる。

【0089】

そして、ゲイン調整部３２は、受付部４４から、ゲインの値の確定を指示する操作信号が入力されると、表示領域７０～７５に対応する比例制御又は積分制御のゲインの値を、該表示領域に表示されているゲインの値に更新する。以後、バイラテラル制御では、更新後のゲインの値が用いられる。また、ゲイン調整部３２は、更新後の各ゲインの値を記憶装置３３に保存する。

【0090】

［６．効果］
（１）従来のバイラテラル制御では、比例制御及び微分制御を用いた対称型又は力帰還型の方式が多く用いられていた。そして、制御の精度向上のためには、術具として鉗子が用いられる場合であれば、鉗子の先端に大きな外力（例えば、５～２０Ｎ程度の外力）がかかった場合であっても誤差を極力抑える必要がある。そのためには、スレーブの制御における比例制御ゲインを大きくする必要があるが、上述したように、比例制御ゲインを向上させることには限界がある。そこで、積分制御や外乱オブザーバ等といった積分を用いた方式によりスレーブを制御する必要があるが、このような方式を導入すると、力覚フィードバックが遅延する恐れがある。

【0091】

これに対し、本実施形態における非対称型のバイラテラル制御では、スレーブ制御部３１では、比例制御及び積分制御によりτｓが算出される。このため、スレーブ制御部３１にて外乱を良好に抑圧でき、τｓの精度が向上する。また、マスタ制御部３０は、スレーブ制御部３１から取得したτｓに基づきτｍを算出し、τｍによりマスタである位置操作部４１及び把持操作部４２にて生成される反力を制御する。このため、力覚フィードバックの感度が向上する。つまり、本実施形態では、積分を用いた方式によりスレーブを制御しているにも関わらず、力覚フィードバックの遅延を抑制できる。

【0092】

（２）また、マスタの比例制御のゲイン｜Ｋｐｍ｜は、スレーブの比例制御のゲイン｜Ｋｐｓ｜よりも大きい。このため、力覚フィードバックの感度が向上する。

【0093】

（３）また、ゲイン調整部３２では、受付部４４を介して受け付けた操作に従い、各ボットアームに対応するバイラテラル制御における各ゲインを調整する。このため、力覚フィードバックの感度を調整したり、より好適に術具を制御できるようにカスタマイズしたりすることができる。

【0094】

［７．他の実施形態］
上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

【0095】

［８．文言の対応関係］
操作装置４０の位置操作部４１及び把持操作部４２が、マスタ部の一例に相当する。また、ロボットアーム２の第１～第３駆動部２３～２５が、スレーブ部の一例に相当し、ロボットアーム２のセンサ部２６及び術具のセンサ部５０Ａ、５２Ａが、スレーブ検出部の一例に相当する。

【0096】

［９．本明細書が開示する技術思想］
［項目１］
手術ロボットであって、
使用者から操作を受け付けると共に、前記操作を行っている前記使用者に対し反力を付与するよう構成されたマスタ部と、
前記マスタ部を制御し、前記反力を発生させるよう構成されたマスタ制御部と、
術具を作動させるスレーブ部と、
前記マスタ部が受け付けた前記操作に基づく前記術具の状態である目標状態に基づき前記スレーブ部を制御し、前記術具を作動させるよう構成されたスレーブ制御部と、
前記術具の状態である術具状態を検出するよう構成されたスレーブ検出部と、
を備え、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態とに基づき、前記術具を制御するためのスレーブ制御値を算出し、前記スレーブ制御値に基づき前記スレーブ部を制御するよう構成され、
前記マスタ制御部は、前記術具状態及び前記目標状態と、前記スレーブ制御部から取得した前記スレーブ制御値とに基づき、前記反力を制御するためのマスタ制御値を算出し、前記マスタ制御値に基づき前記マスタ部を制御するよう構成される、
手術ロボット。

【0097】

［項目２］
項目１に記載の手術ロボットにおいて、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態とに基づく積分を行うことで、前記スレーブ制御値を算出するよう構成される
手術ロボット。

【0098】

［項目３］
項目１又は項目２に記載の手術ロボットにおいて、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により、前記スレーブ制御値を算出するよう構成され、
前記マスタ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により、前記マスタ制御値を算出するよう構成され、
前記マスタ制御部での比例制御のゲインは、前記スレーブ制御部での比例制御のゲインよりも大きい
手術ロボット。

【0099】

［項目４］
項目１から項目３のうちのいずれか１項に記載の手術ロボットにおいて、
前記マスタ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により、前記マスタ制御値を算出するよう構成され、
前記比例制御のゲインを表示するよう構成された表示部と、
前記比例制御のゲインを変更するための操作を受け付けるよう構成された受付部と、
をさらに備える手術ロボット。

【0100】

［項目５］
項目１から項目４のうちのいずれか１項に記載の手術ロボットにおいて、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく比例制御により、前記スレーブ制御値を算出するよう構成され、
前記比例制御のゲインを表示するよう構成された表示部と、
前記比例制御のゲインを変更するための操作を受け付けるよう構成された受付部と、
をさらに備える手術ロボット。

【0101】

［項目６］
項目５に記載の手術ロボットにおいて、
前記スレーブ制御部は、前記術具状態と前記目標状態との差分に基づく積分制御をさらに行うことで、前記スレーブ制御値を算出するよう構成され、
前記表示部は、前記積分制御のゲインをさらに表示するよう構成され、
前記受付部は、前記積分制御のゲインを変更するための操作をさらに受け付けるよう構成される
手術ロボット。

【0102】

［項目７］
手術ロボットの制御ユニットであって、
使用者から操作を受け付けると共に、前記操作を行っている前記使用者に対し反力を付与するよう構成されたマスタ部を制御し、前記反力を発生させるよう構成されたマスタ制御部と、
術具を作動させるスレーブ部を、前記マスタ部が受け付けた前記操作に基づく前記術具の状態である目標状態に基づき制御し、前記術具を作動させるよう構成されたスレーブ制御部と、を備え、
前記スレーブ制御部は、スレーブ検出部により検出された前記術具の状態である術具状態と前記目標状態とに基づき、前記術具を制御するためのスレーブ制御値を算出し、前記スレーブ制御値に基づき前記スレーブ部を制御するよう構成され、
前記マスタ制御部は、前記術具状態及び前記目標状態と、前記スレーブ制御部から取得した前記スレーブ制御値とに基づき、前記反力を制御するためのマスタ制御値を算出し、前記マスタ制御値に基づき前記マスタ部を制御するよう構成される、
手術ロボットの制御ユニット。

【要約】

手術ロボットは、マスタ部と、マスタ制御部と、スレーブ部と、スレーブ制御部と、を備える。スレーブ制御部は、マスタ部が受け付けた操作に基づく術具の状態である目標状態と、術具状態とに基づき、術具を制御するためのスレーブ制御値を算出し、スレーブ制御値に基づきスレーブ部を制御するよう構成される。マスタ制御部は、術具状態及び目標状態と、スレーブ制御部から取得したスレーブ制御値とに基づき、反力を制御するためのマスタ制御値を算出し、マスタ制御値に基づきマスタ部を制御するよう構成される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】