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JP4916011B2 - マスタ・スレーブ式マニピュレータシステム - Google Patents

マスタ・スレーブ式マニピュレータシステム Download PDF

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JP4916011B2 JP2007072447A JP2007072447A JP4916011B2 JP 4916011 B2 JP4916011 B2 JP 4916011B2 JP 2007072447 A JP2007072447 A JP 2007072447A JP 2007072447 A JP2007072447 A JP 2007072447A JP 4916011 B2 JP4916011 B2 JP 4916011B2
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Description

本発明は、マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムに関する。
操作手段をオペレ一夕が操作し、その操作に従ってスレーブマニピュレータが動作するマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムが数多く開発されている。対象物およびスレーブマニピュレータを観察手段であるカメラで見ながら、操作手段によりスレーブマニピュレータを操作する時、スレーブマニピュレータだけでなく、カメラ自体も操作したい場合がある。
操作しているスレーブマニピュレータが一台の場合は、右手でスレーブマニピュレータに対応した操作手段を操作し、左手でカメラに対応した操作手段を動かすといった方法がある。また、スレーブマニピュレータ２台をそれぞれに対応した操作手段２台で両手を使って操作している場合は、その操作手段から手を離して、カメラに対応した操作手段を操作するシステムが開発されている。
しかし、操作スピードが求められる場合や、操作中の操作手段から手を離したくない場合などがある。その場合には、操作中の手を使わないでカメラを動かす手段として、特開平７−３２８０１６号公報（特許文献１）、特開平７−３２８９７１号公報（特許文献２）などが案出されている。特許文献１では、ヘッドマウントディスプレイで画像を提供しながら、ヘッドマウントディスプレイの位置を検出し、頭の動きに応じてカメラ視野を変えている。特許文献２では、マニピュレータにカメラを取り付けることにより、マニピレータを自動的に作業に適正な位置に移動させて作業をスムーズに遂行し得るＴＶカメラ付マニピュレータを開示している
また、カメラによって撮像され映像内での作用具の動きと、操作入力装置の関係を対応させる手段として、特許文献１、特許３７６６８０５号公報（特許文献３）が案出されている。特許文献１では、カメラ画像を表示する画面上に、マニピュレータの動作座標系をスーパーインポーズさせて、操作支援を行うことを開示している。特許文献３では、画像上に表示されるマニピュレータの動作方向と、操作入力装置の動作方向を一致させることを開示している。
特開平７−３２８０１６号公報 特開平７−３２８９７１号公報 特許３７６６８０５号公報
上述したように、カメラを用いたマスタ・スレーブマニピュレータシステムでは、カメラの視野に制限があるため、作業対象の移動や、状況の変化などによりカメラの視野を変更したいことが多々起こる。
しかし、カメラの位置を変更する際、従来の技術では、スレーブマニピュレータ作業部が画面から外れてしまうことや、視野変更後、表示手段上に映されるスレーブマニピュレータ作業部の位置姿勢と操作手段の位置姿勢の一致が考慮されず、視野変更後のマスタ・スレーブ操作が操作しづらいことがあるといった課題があった。
また、ＧＵＩ（Graphical User Interface）上のポインタを、マウスにより動かす際、マウスの操作範囲の限界に達したときにマウスを空中に持ち上げて、操作しやすい位置にマウスを動かしてから、ＧＵＩのポインタを再び動かし始めるといった動作（以下、これをクラッチ操作と呼ぶ）を操作手段でも行えるようにすることが望まれる。つまり、操作手段の動作限界範囲の問題で、スレーブマニピュレータの位置はそのままで、操作手段を動かしやすい位置に戻すというようなクラッチ操作を行うことが望まれる。このようなクラッチ操作を行った場合、表示手段上に映されるスレーブマニピュレータの位置姿勢と操作手段の位置姿勢とがずれ、それにより、操作手段で操作する方向とマニピュレータが動作する方向とがずれるという問題が生ずる。この動作方向のずれは、操作者の負担を大きくし、複雑な操作を行うことを困難とさせてしまう。
さらに、視野を変更している間、作業を実行するスレーブマニピュレータが停止してしまうことにより、作業効率が悪化し、作業時間が延びるという課題もある。特に、近年の医療分野では、患者の体への負担を低減するために、患者の体に小さな穴を開け、そこから術具や内視鏡を挿入して、患部や術具の様子を内視鏡画像で観察しながら、治療を行う低侵襲手術が広まっている。スレーブマニピュレータを用いる手術においても、同様に小さな切開部からスレーブマニピュレータの術具を挿入して、内視鏡画像を基にして治療行為を行う。このような状況下においては、自由度が制限されるため、操作者に負担をかけるような操作方法は好ましくなく、操作者の意思を正確に反映したスレーブマニピュレータの動作を容易に実現できることが望ましい。
上述した特許文献１では、両手を使わずにカメラの視野を変えているが、視野変更後のマスタを持っている手の位置姿勢と画面上に見えるスレーブマニピュレータ作業部との位置姿勢のずれについては考慮されていない。
上述した特許文献２では、スレーブマニピュレータをカメラが常に映すように考えられているが、表示手段に映されたスレーブマニピュレータと操作手段の関係については考慮されていない。
上述した特許文献３では、手術用マニピュレータと遠隔操作手段との動作方向を一致させることを開示しているが、内視鏡画像を動かす手段およびその際の表示画像上のマニピュレータの動作方向と操作手段の操作方法を一致させることについては言及されていない。また、クラッチ操作についても考慮されていない。
つまり、これら従来技術では、カメラの視野を変更したり、クラッチ操作を起こしたりした際には、カメラによって撮影されるスレーブマニピュレータ作業部の姿勢と操作手段の姿勢に相違が生じて操作がしづらいといった問題があった。
本発明の目的は、クラッチ操作を行ってもあるいはカメラ視野を移動させても、カメラ画像上に映されるスレーブマニピュレータ作業部の位置姿勢と操作手段の位置姿勢との関係が保たれ、直感的に操作手段を操作することが可能なマスタ・スレーブ動作に移行できるマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムを提供することにある。
即ち、本発明の第１の目的は、クラッチ操作を行って操作手段の位置を動かしても、表示手段を見ながら操作手段を容易に操作でき、安全性、作業性および操作性に優れたマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムを提供することである。
本発明の第２の目的は、クラッチ操作を行っても、カメラの視野を変更しても、表示手段を見ながら操作手段を容易に操作でき、安全性、作業性および操作性に優れたマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムを提供することである。
本発明の第３の目的は、カメラの視野を変更している間も、操作者に混乱をもたらすことなく、マニピュレータの操作を可能とし、操作者の意図に応じた視野変更とマニピュレータの操作を同時に実行できるようにすることにより、安全性、作業性および操作性に優れたマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムを提供することである。
前記第１の目的を達成するための本発明の第１の態様は、操作指令を生成するために操作する操作手段と、その操作指令を読み取り第１の制御指令を送る操作手段制御部と、前記第１の制御指令に基づきスレーブマニピュレータの各関節を制御するための第２の制御指令を出力するマニピュレータ制御部と、前記第２の制御指令に基づいて動作する前記スレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータの動作を観察する観察手段と、
前記観察手段の視野を変更する視野変更手段と、前記視野変更手段を制御する視野変更制御部と、前記観察手段で観察したマニピュレータの映像を画面に表示する表示手段とを備えたマニピュレータシステムにおいて、前記スレーブマニピュレータを制御するマスタ・スレーブモードと、前記操作手段から前記スレーブマニピュレータへの操作指令の伝達を切断して前記操作手段を任意の位置姿勢に移動する観察手段視野追従クラッチモードとを切り替えるモード切替手段と、前記モード切替手段の信号を読み取り前記操作手段制御部にモード信号を送る切替器制御部と、前記操作手段制御部で読み取った観察手段視野追従クラッチモード時の操作指令に基づき、前記表示手段に表示されるスレーブマニピュレータの映像の動作方向と前記操作手段の操作方向とを一致させるように、前記マニピュレータ制御部に第３の制御指令を送ると共に前記視野変更制御部に第４の制御指令を送る視野変換部とを備えたことにある。
前記第２の目的を達成するための本発明の第２の態様は、操作指令を生成するために操作する操作手段と、その操作指令を読み取り第１の制御指令を送る操作手段制御部と、前記第１の制御指令に基づきスレーブマニピュレータの各関節を制御するための第２の制御指令を出力するマニピュレータ制御部と、前記第２の制御指令に基づいて動作する前記スレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータの動作を観察する観察手段と、前記観察手段の視野を変更する視野変更手段と、前記視野変更手段を制御する視野変更制御部と、前記観察手段で観察したマニピュレータの映像を画面に表示する表示手段とを備えたマニピュレータシステムにおいて、前記スレーブマニピュレータを制御するマスタ・スレーブモードと、前記操作手段から前記スレーブマニピュレータへの操作指令の伝達を切断して前記操作手段を任意の位置姿勢に移動する観察手段視野追従クラッチモードと、前記操作手段によって操作する対象を観察手段視野とする観察手段視野追従マスタ・スレーブモードとを切り替える切替手段と、前記モード切替手段の信号を読み取り前記操作手段制御部にモード信号を送る切替器制御部と、前記操作手段制御部で読み取った観察手段視野追従クラッチモード時の操作指令に基づき、前記表示手段に表示されるスレーブマニピュレータの映像の動作方向と前記操作手段の操作方向とを一致させるように、前記マニピュレータ制御部に第３の制御指令を送ると共に前記視野変更制御部に第４の制御指令を送る視野変換部とを備えたことにある。
前記第３の目的を達成するための本発明の第３の態様は、前記本発明の第１または第２の態様において、前記操作手段として２腕の操作手段を用いると共に、前記スレーブマニピュレータとして２台以上のマニピュレータを用い、前記２腕の操作手段の位置指令入力部間の距離の差分の正負に応じて、前記観察手段による視野のズームアウトとズームインを実現する前記観察手段視野追従クラッチモードとしたことにある。
前記第３の目的を達成するための本発明の第４の態様は、前記操作手段として２腕の操作手段を用いると共に、前記スレーブマニピュレータとして２台以上のマニピュレータを用い、前記２腕の操作手段の位置指令入力部間の距離の差分の正負に応じて、前記観察手段による視野のズームアウトとズームインを実現する前記観察手段視野追従マスタ・スレーブモードとしたことにある。
本発明のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムによれば、クラッチ操作を行ってもあるいはカメラ視野を移動させても、カメラ画像上に映されるスレーブマニピュレータ作業部の位置姿勢と操作手段の位置姿勢との関係が保たれ、直感的に操作手段を操作することが可能なマスタ・スレーブ動作に移行できる。
以下、本発明のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムの一実施形態として、手術支援システムを例にとり、図１から図１２を参照しながら説明する。
まず、マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムの全体に関して、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムの全体構成図である。
患者４は手術台５上に配置されている。手術台５の上方に取り付けられたスレーブマニピュレータ１、２および内視鏡マニピュレータ３は、患者４の患部に向けて配置されている。内視鏡マニピュレータ３は、観察手段である内視鏡を内視鏡視野変更手段であるマニピュレータにより保持する構成となっている。内視鏡マニピュレータ３が保持する内視鏡により撮像された画像は、伝送路１９を通ってマスタコンソール７に配置された表示手段であるモニタ６上に表示される。操作者８は、モニタ６を見ながら、マスタコンソール７に取り付けられた操作手段であるマスタデバイス９、１０を用いて、モニタ６上に映されているスレーブマニピュレータ１、２の先端部を操作する。
マスタデバイス９、１０の動作量は、伝送路２０、２１を通って操作手段制御部１５に送られる。
本システムでは、切替器として、マスタ・スレーブモード切替器１２と、内視鏡モード切替器１３というオン／オフ式の二つのフットスイッチを備えている。これらのモードの詳細説明については後述する。なお、切替器は二つに分けなくてもよい。
マスタ・スレーブモード切替器１２のオン／オフ情報は伝送路２２を通って切替器制御部１４に送られる。マスタ・スレーブモード切替器１２がオンの時、切替器制御部１４によりマスタ・スレーブモードが選択され、マスタ・スレーブモードオンという情報が切替器制御部１４から伝送路２４を通して操作手段制御部１５に送られる。これによって、マスタデバイス９、１０の動作量情報は、操作手段制御部１５で適切な座標変換が行われた後、伝送路２６を通ってマニピュレータ制御部１７に送られる。
マニピュレータ制御部１７は、マスタデバイス９、１０の動きに応じてスレーブマニピュレータ１、２が動くように逆運動学を解き、算出されたマニピュレータの各関節制御指令を伝送路２８、２９を通してスレーブマニピュレータ１、２に送り、そのスレーブマニピュレータ１、２の動作を制御する。スレーブマニピュレータ１、２の各関節値は、図示していないエンコーダから取得され、伝送路２８、２９を通してマニピュレータ制御部１７に送られ、制御に用いられる。
内視鏡モード切替器１３のオン／オフ情報は伝送路２３を通して切替器制御部１４に送られる。内視鏡モード切替器１３がオンの時、切替器制御部１４により内視鏡モードが選択され、内視鏡モードオンという情報が切替器制御部１４から伝送路２４を通して操作手段制御部１５に送られる。これによって、マスタデバイス９、１０による操作指令値は、伝送路２５を通して視野変換部４０に送られ、モニタ６上に表示されるスレーブマニピュレータ１、２先端の位置姿勢とマスタデバイス９、１０の位置姿勢との関係が一致するように、つまりマスタデバイス９、１０による操作方向、スレーブマニピュレータ１、２先端の動作方向が一致するように、内視鏡視野を動かすための指令値を算出し、視野変更制御部１８に送る。同時に、マニピュレータ制御部１７に対し、内視鏡の姿勢の変化に対応できるように、マニピュレータ先端部姿勢指令値を操作手段制御部１５から伝送路３５を通してマニピュレータ制御部１７に送る。視野変更制御部１８では、逆運動学を計算して内視鏡マニピュレータ３の各関節値を計算し、内視鏡マニピュレータ３を動作制御する。
図１では、一つの制御装置１６の中に、切替器制御部１４、操作手段制御部１５、視野変更制御部１８、マニピュレータ制御部１７、視野変換部４０が含まれているが、複数の制御装置に分かれていてもよい。なお、視野変換部４０が実行する詳細内容については、図３以降を用いて後述する。
次に、図２を参照しながら、マスタコンソール７に関して具体的に説明する。図２は操作者８がマスタコンソール７に取り付けられたマスタデバイス９によりスレーブマニピュレータ１、２、３の操作を行っている本実施形態の様子を示す斜視図である。
操作者８は、椅子１１に座り、肘置き６０に肘あるいは前腕を置き、マスタデバイス９の入力インタフェースである入力装置把持部５０を握る。操作者８は、モニタ６を見ながら入力装置把持部５０を動かすことにより、モニタ６上に表示されているスレーブマニピュレータ１、２の手先部あるいはモニタ６に画像を送っている内視鏡マニピュレータ３を動かすことができる。なお、モニタ６は、３次元立体表示モニタが好ましいが、２次元表示モニタでもよい。
入力装置把持部５０は、リンク５１、５２、ロッド５３、ロッド直動軸受け５４、ロッド５５、図示していないｘｙテーブル等の移動機構を介してマスタコンソール７に繋がっている。それぞれの部材同士は回転関節あるいは直動関節として繋がっており、図示していないエンコーダやポテンショメータにより各関節値が取得でき、マスタデバイス９の運動学を計算することにより、位置姿勢の６自由度とグリッパ開閉を操作できる。図２では、マスタデバイス９は操作者８の右腕用しか図示されていないが、同様の入力インタフェースは左腕用にもある。マスタコンソール７には、マスタ・スレーブモード切替器１２、内視鏡モード切替器１３として、それぞれフットスイッチが配置されている。
なお、肘置き６０は、マスタコンソール７の中央の柱から伸びて設置されているが、マスタデバイス９の動作範囲とは物理的に干渉しないように配置されている。マスタコンソール７の中央柱と肘置き６０をつないでいる部材上には、図示していないがコマンド入力用スイッチが設置されおり、この図２ではフットスイッチとして配置されている切替器のスイッチとしてもよい。また、入力装置把持部５０上に配置されている図示していないスイッチを切替用スイッチとしてもよい。
図３を参照しながら、入力装置把持部と、モニタと、患部と、マニピュレータの先端部およびグリッパと、内視鏡視野の関係を説明する。図３（ａ）では、患部１００とスレーブマニピュレータ１、２の先端部１０４、１０６およびグリッパ１０２、１０６と内視鏡視野１１０との関係を示し、図３（ｂ）では、その時のモニタ６上に表示された患部１２０とマニピュレータ先端部１１４、１１６およびグリッパ１１２、１１６との関係を示し、図３（ｃ）では、その時のスレーブマニピュレータ１を操作している入力装置把持部５０およびそれを握って操作している操作者の手１２４と、その時のマニピュレータ２を操作している入力装置把持部７０およびそれを握って操作している操作者の手１２８との関係を示している。
図３（ａ）は、マニピュレータ先端部１０４、１０６およびグリッパ１０２、１０６が患部１００に対して設置されている様子である。マニピュレータ先端部１０４、１０８にはそれぞれ術具であるグリッパ１０２、１０６がついており、マニピュレータ先端部１０４、１０８で位置を規定し、グリッパ１０２、１０６で姿勢を規定している。患部１００を内視鏡マニピュレータ３が撮像しており、わかりやすいように仮想的に内視鏡の視野を１１０として図示している。
図３（ｂ）は、患部１００が内視鏡により撮像され、モニタ６上に表示されている様子である。患部１００はモニタ６上の患部１２０として映されている。マニピュレータ先端部１０４、１０６およびグリッパ１０２、１０６は、モニタ６上のマニピュレータ先端部１１４、１１６およびグリッパ１１２、１１６として表示される。
図３（ｃ）は、操作者の手１２４、１２８が入力装置把持部５０、７０を握っている様子である。入力装置把持部５０、７０の位置姿勢の関係と、モニタ６上のマニピュレータ先端部１１４、１１８およびグリッパ１１２、１１６の位置姿勢との関係は、設定したスケール比にしたがって同様に提示され、入力装置把持部５０、７０の動きと同じように、モニタ６上のマニピュレータ先端部１１４、１１８およびグリッパ１１２、１１６が動く。
図１で示したように、スレーブマニピュレータ１、２および内視鏡マニピュレータ３は、同じ手術台５上に設置されているため、それぞれの座標系および原点を手術台５上のある点に一致させれば、スレーブマニピュレータ１、２および内視鏡マニピュレータ３の先端位置姿勢は、同じ座標系で計算できる。このため、マニピュレータ先端部１０４、１０８の位置姿勢の関係と入力装置把持部５０、７０をあるスケール比にしたがって、同じように配置することが可能である。同様に、入力装置把持部５０、７０の位置姿勢関係と同じようにモニタ６上のマニピュレータ先端部１１４、１１８およびグリッパ１１２、１１６が映るように、内視鏡マニピュレータ３の位置姿勢を定めることも可能となる。
なお、スレーブマニピュレータ１、２および内視鏡マニピュレータ３は、同じ手術台５上に配置する構成により、各座標系を一致させているが、上述した特許３７６６８０５号公報で開示されているような方法で、モニタ表示と入力装置把持部の位置姿勢とを一致させてもよい。
図３のような状態で、入力装置把持部５０の動作限界、あるいは操作者の手１２４が操作者の体に対して前に出すぎていて腕をこれ以上伸ばせない等の理由から、操作しやすい位置に戻してから操作したいという場合がある。この場合には、マスタとスレーブの間の情報の連結を切って、スレーブを動かさずにマスタを操作しやすい位置に戻して、再び操作を開始したい（クラッチ操作）という要求がある。
従来技術で、この動作を実行すると、図４のような状態になる。なお、クラッチモードへの切替は、フットスイッチや手元のスイッチなどを用いて行う。図４（ａ）では、患部１００とマニピュレータ先端部１０４、１０８およびグリッパ１０２、１０６と内視鏡視野１１０との関係を示し、図４（ｂ）では、その時のモニタ６上に表示された患部１２０とマニピュレータ先端部１１４、１１８およびグリッパ１１２、１１６との関係を示し、図４（ｃ）では、その時のスレーブマニピュレータ１、２を操作している入力装置把持部５０、１５０、７０、１７０とそれを握って操作している操作者の手１２４、２２４、１２８、２２８との関係を示している。
従来のクラッチ操作では、図３の状態から、図４（ｃ）に示すように、入力装置把持部５０、７０およびそれを握っている手１２４、１２８の位置から、操作しやすい位置、例えば入力装置把持部１５０、１７０およびそれを握っている手２２４、２２８の位置にマスタを動かしても、患部１００およびマニピュレータ先端部１０４、１０８（図４（ａ））およびそれらがモニタ６上に写る様子（図４（ｂ））は、図３（ａ）および図３（ｂ）と変わらない。この状態から、切替器を使って再びマスタ・スレーブモードに切り替えたとすると、図４（ｂ）および図４（ｃ）の状態からマスタ・スレーブ動作を動かすことになるが、操作者の手２２４、２２８あるいは入力装置把持部１５０、１７０の位置姿勢の関係は、モニタ６上に映っているマニピュレータ先端部１１４、１１８およびそのグリッパ１１２、１１６の位置姿勢の関係と異なっており、操作しづらいという問題がある。
また、図３の状態から、内視鏡の視野を回転させたいという要望があった場合、従来技術では、例えばヘッドマウントディスプレイに取り付けたジャイロセンサによる回転角に応じて内視鏡視野の回転、あるいはマニピュレータを操作しているマスタデバイス以外の別の内視鏡操作に対応したデバイスで操作、あるいは音声認識による内視鏡の操作、あるいはフットスイッチによる内視鏡操作などによって図５のように内視鏡視野を回転させる。
図５（ａ）では、患部１００とマニピュレータ先端部１０４、１０８およびグリッパ１０２、１０６と内視鏡視野２１０との関係を示し、図５（ｂ）では、その時のモニタ６上に表示された患部２２０とマニピュレータ先端部２１４、２１８およびグリッパ１１２、１１６との関係を示し、図５（ｃ）では、その時のスレーブマニピュレータ１、２を操作している入力装置把持部５０、７０とそれを握って操作している操作者の手１２４、１２８との関係を示している。
マスタデバイス９、１０の位置姿勢は動かさず、図５（ａ）の矢印２００の向きにマスタデバイス９、１０による操作以外の手法で内視鏡視野２１０を動かすと、視野は内視鏡視野２１０のように動き、モニタ６上に患部２２０のように表示され、モニタ６上で、マニピュレータ先端部２１４、２１８およびグリッパ２１２、２１６のように表示される。この時、モニタ６上に表示されるマニピュレータ先端部２１４、２１８およびグリッパ２１２、２１６は、図５（Ｃ）に示す装置把持部５０、７０およびそれを握っている手１２４、１２８の位置姿勢とは異なっている。このような状態から、マスタ・スレーブを始めると操作の違和感が生じ、操作しづらいという課題がある。
そこで、本実施形態では、スレーブマニピュレータ１、２を操作するのに用いるマスタデバイス９、１０を用いて、内視鏡の視野移動を操作する、あるいは、クラッチ操作に追従した内視鏡視野変更を実現し、マスタ・スレーブモードに復帰した際には、モニタ上に表示されるマニピュレータ先端部の位置姿勢と、入力装置把持部の位置姿勢の関係が対応し、動作方向を一致させることができるようにしてある。以下に、具体的に説明する。
本実施形態による新たなクラッチ操作モードを内視鏡視野追従クラッチモードと呼ぶ。モード切替器１２、１３によりモードを切り替えるが、本実施形態では、二つのフットスイッチ１２、１３を切替器として利用し、それぞれの組み合わせでモードを切り替える。モード切替器１２、１３の組み合わせを図６に示す。
図６に示すように、内視鏡モード切替器１３をオンの状態にして、マスタ・スレーブモード切替器１２をオンにすると、スレーブマニピュレータ１、２の動きに内視鏡視野が追従する内視鏡視野追従マスタ・スレーブモードとなる。内視鏡モード切替器１３をオンの状態にして、マスタ・スレーブモード切替器１２をオフにすると、内視鏡視野追従クラッチモードとなる。内視鏡モード切替器１３をオフの状態にして、マスタ・スレーブモード切替器１２をオンにすると、内視鏡視野は変わらず、マスタデバイス９、１０の操作に従ってスレーブマニピュレータ１、２が動く通常のマスタ・スレーブ操作となる。内視鏡モード切替器１３をオフの状態にして、マスタ・スレーブモード切替器１２をオフにすると、全ての接続が切断され、マスタデバイス９、１０を動かしても、何も動かないモードとなる。このモードは従来のクラッチモードともいえる。
なお、本実施形態では二つのフットスイッチを用いて、モード切替器１２、１３を実現したが、モードを切り替える手段は、フットスイッチに限らない。
上述した内視鏡視野追従クラッチモードについて、図７から図１０を用いて説明する。
図３の状態からクラッチ操作によりマスタデバイス９、１０を操作しやすい位置に移動する時、操作者はマスタ・スレーブモード切替器１２によって内視鏡視野追従クラッチモードを選択する。図７（ｃ）のように、入力装置把持部５０、７０を手１２４、１２８で握っており、そこから入力装置把持部３５０、３７０および手３２４、３２８の位置に移動したとする。この時、入力装置把持部（３５０、３７０）の移動距離、移動姿勢を図示していないエンコーダにより時々刻々計測し、二つの入力装置把持部（３５０、３７０）の位置姿勢をそれぞれ算出し、その中点６０の移動量と、二つの入力装置把持部（３５０、３７０）を結んだ直線が成す角度θを計算する。
図７（ｃ）の場合、入力装置把持部（３５０、３７０）の移動が中点６０は移動していないため、移動前の入力装置把持部５０、７０を結んだ仮想的な直線６５と移動後の入力装置把持部３５０、３７０を結んだ仮想的な直線３６５との成す角度θ分だけ、図７（ａ）のように回転の向きを逆にして内視鏡視野３１０を回転させる。さらに、マニピュレータ先端部１０４、１０８は変えずに、モニタ６上で表示されるグリッパ３１２、３１６の姿勢が入力装置把持部３５０、３７０の姿勢と同じくなるように、グリッパ３０２、３０６の姿勢を角度θ分動かす。これにより、図７（ｂ）のモニタ６上に表示されるマニピュレータ先端部３１４、３１８およびグリッパ３１２、３１６の位置姿勢の関係は、入力装置把持部３５０、３７０の位置姿勢の関係と同様になる。
これにより、クラッチ操作後、すぐにマスタ・スレーブ動作に移行しようとしても、クラッチ操作終了時の手３２４、３２８および入力装置把持部３５０、３７０の位置姿勢と、モニタ６上に表示されるマニピュレータ先端部３１４、３１８及びグリッパ３１２、３１６の位置姿勢とが一致しているため、違和感なくマスタ・スレーブ操作が実行できる。
さらに、入力装置把持部４５０、４７０が図８（ｃ）の位置に操作者の手４２４、４２８によって動かされた時、移動前の入力装置把持部５０、７０を結んだ仮想的な直線６５およびその中点６０は、移動後の入力装置把持部４５０、４７０を結んだ仮想的な直線４６５およびその中点４６０へ動く。この時の動作変位ｄｘ（４８０）、ｄｙ（４８５）を図示していないエンコーダから算出し、この値に対応した移動量ｋｄｘ（４９０）、ｋｄｙ（４９５）分、図８（ａ）に示すように、内視鏡視野３１０から内視鏡視野４１０へ動かす。これにより、モニタ６上では、図７（ｂ）から図８（ｂ）に示すように内視鏡視野は平行移動し、物理空間上の入力装置把持部４５０、４７０に対応した位置姿勢に、マニピュレータ先端部４１４、４１８およびグリッパ４１２、４１６が表示される。なお、入力装置把持部中点の移動量と、内視鏡視野の移動量のスケール比ｋは、対象患部やシチュエーションにより変更可能である。
これらより、クラッチ操作時の入力装置把持部の動きが、回転および平行移動を伴っていても、クラッチ操作後マスタ・スレーブ動作に移行する際、クラッチ操作終了時の手４２４、４２８および入力装置把持部４５０、４７０の位置姿勢と、モニタ６上に表示されるマニピュレータ先端部４１４、４１８及びグリッパ４１２、４１６の位置姿勢が一致し、操作方向と動作方向が一致するため、違和感なくマスタ・スレーブ操作が実行できる。
図９、図１０に入力装置把持部を動かした際の内視鏡あるいは、カメラの動きについて述べる。対象観察手段が内視鏡で、内視鏡下手術を対象とした場合、図９に示すように、内視鏡の軸は体表５００により拘束され、体表刺入点５０５を中心にしたピボット運動と軸回転しか内視鏡は動かせない。
そのため、図８（ａ）で説明したような内視鏡視野３１０、４１０の動きは、図９に示すような内視鏡５１０、５２０の動きによって視野変更される。図３の視野状態を実現する内視鏡の位置を５１０とすると、図８（ｃ）の入力装置把持部の変位ｄｘ（４８０）、ｄｙ（４８５）に伴い、設定されたスケール比と内視鏡のズーム比から計算される係数ｓを掛けたｓｄｘ（５４０）、ｓｄｙ（５５０）の動作量で５２０の位置に内視鏡を動かし、患部５９０を撮像する。また、図７で示した視野の回転θは、図９の矢印５３０で示されるように内視鏡軸を回転させて実現する。
内視鏡手術以外の場合、例えば胸にある程度の大きさの穴を開けて行う手術や、手術に限らず、カメラ視野の動きが限定されないマスタ・スレーブ作業の場合は、双腕の入力装置把持部の中点の移動量ｄｘ（６５０）、ｄｙ（６５５）、ｄｚ（６６０）に応じてカメラ視野を平行移動し、双腕の入力装置把持部を結んだ線の姿勢の変位をロール、ピッチ、ヨーで計算し、その角度偏差にあわせて、カメラ軸を移動することにより視野を変更することも可能である。その場合の実施形態の一つを図１０に示し、以下に説明する。
内視鏡視野追従クラッチモードを選択し、入力装置把持部の中点６８０が、新たな中点６９０に移動した際の変位が、物理座標系６８０上で、ｄｘ（６５０）、ｄｙ（６５５）、ｄｚ（６６０）として算出されるとする。また、この時の入力装置把持部を結ぶ直線の姿勢変化のロール、ピッチ、ヨー（α、β、γ）（６７０）を算出する。ただし、直線の軸回転の姿勢は、入力装置把持部を結んだ直線というだけでは定まらないので、固定としてもよい。この情報に基づき、対象６００を撮像するカメラを、モーションスケール比ｋに従ってｋｄｘ（６２５）、ｋｄｙ（６３０）、ｋｄｚ（６３５）動かし、さらに、姿勢変化分のロールピッチヨー（α、β、γ）（６４０）動かすことにより、内視鏡を６１０から６２０に動かす。これにより、モニタ６上では、操作入力装置の平行移動量と内視鏡視野の回転（ヨー回転）だけでなく、ロールピッチにも対応した内視鏡視野を提供でき、把持入力装置の操作方向とモニタ上のマニピュレータの動作方向の一致性が高まる。
次に、内視鏡視野の変更を行ってもマスタとモニタ上のスレーブの位置姿勢関係が保たれ、内視鏡視野からマニピュレータ先端部が外れない本実施形態の手法について、図１１、１２を用いて説明する。この手法は、図６で説明した内視鏡視野追従マスタ・スレーブモードを選択した際に起動される。
内視鏡視野追従マスタ・スレーブモードは、マスタ・スレーブの接続を保ったまま、内視鏡の視野も変更するというものである。
通常は、図５で説明したように、モニタ６上のスレーブマニピュレータの位置姿勢と、入力装置把持部の位置姿勢の関係がずれてしまい、動作方向と操作方向が一致しなくなる。内視鏡視野の回転については、内視鏡視野追従クラッチモードと同じ手法を用いて図７で説明したように、モニタ上に表示されるマニピュレータ位置姿勢と、マスタの入力装置把持部の位置姿勢の対応を一致させる。
図１１を用いて、内視鏡視野の平行移動について、内視鏡が体表に拘束され、平面２自由度方向および直動あるいはズーム機能と、内視鏡軸回転しかできない場合について説明する。図１１（ａ）は、患部７００を内視鏡視野７２０（わかりやすいように仮想的に表示）により撮像している様子である。図１１（ｂ）は、その時の入力装置把持部の様子である。
内視鏡視野追従マスタ・スレーブモードにおいては、内視鏡視野平面（仮に座標系をＯｓ（７９０）とする）と対応した物理空間平面（座標系をＯｍ（７８０）とする）においての双腕の入力装置把持部７６５、７７５の移動偏差ベクトルＶｒ（７６０）、Ｖｌ（７７０）を計算する。この移動偏差ベクトルＶｒ（７６０）、Ｖｌ（７７０）にモーションスケール比ｋをかけたｋＶｒ（７１０）、ｋＶｌ（７３５）ベクトル分、スレーブマニピュレータ先端は７０５から７１５へ、および７３０から７４０へ移動する。この時、内視鏡視野７２０は、ベクトルｋ（Ｖｒ＋Ｖｌ）／２ （７４５）分、移動して、内視鏡視野７２５となることにより、マニピュレータ先端部の移動を追従する。
しかし、図１２（ｃ）に示すようにベクトルＶｒ（８７５）とＶｌ（８９０）の向きが逆方向を向いている場合、内視鏡視野は動かず、画面から外れる方向に、マニピュレータ先端部が動く可能性も考えられる。そこで、図１２（ｃ）に示すように、二つの入力装置把持部８８０、８８５の距離ｍ（８９５）を計算し、この距離の差分Δｍの正負によって、ズームイン・ズームアウトあるいは、内視鏡軸直動で対象に近づく・内視鏡軸直動で対象から遠ざかるという動作を行う。
図１２（ａ）は、図１２（ｃ）の状態で入力装置把持部８８０、８８５が保持されているときに、患部８００とスレーブマニピュレータ８１５、８２０がモニタ８１０に表示されている様子である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の状態のときのマニピュレータ先端部８４５、８６０が、内視鏡視野追従モードの使用により、マニピュレータ先端が８５０および８６５の方向に移動し、内視鏡画像がズームアウトしたときの患部８３０およびマニピュレータ８５５、８７０のモニタ８４０に表示された様子である。
距離の差分Δｍが正、つまり二つの入力装置把持部の距離ｍ（８９５）が大きくなる場合、二つの入力装置把持部の動きにより、マニピュレータ先端部も８４５から８５５、８６０から８７０へと遠ざかる動きとなり、内視鏡視野つまり、モニタ画面内からはずれる方向に動くことになる。そのため、内視鏡追従マスタ・スレーブモードでは、Δｍが大きくなるにしたがって、ズームアウトあるいは内視鏡軸直動で対象から遠ざかるという動きを行う。これにより、常にモニタ８４０上にマニピュレータ先端部が表示されるように内視鏡視野を動かすことができる。
距離の差分Δｍが負、つまり二つの入力装置把持部の距離ｍ（８９５）が小さくなる場合、二つの入力装置把持部の動きにより、マニピュレータ先端部は接近する方向となる。この場合は、Δｍの値に従って内視鏡をズームインあるいは内視鏡軸直動を対象に近づける動きを行う。マニピュレータ先端部同士が近づいている部分とは、注視したい対象であり、ズームインして、詳細が見たいという人間の直感にも対応した動きとなる。なお、Δｍに対応するズーム比率は、適宜設定可能とする。
上記、内視鏡視野の変換を図１で示した視野変換部４０で行うことにより、内視鏡視野追従マスタ・スレーブモードでは、マスタとスレーブの通信は接続しながらも、マニピュレータ先端部がモニタ６上からはずれないように、内視鏡視野を動かすことが可能となる。これにより、内視鏡視野の変更あるいは、クラッチ操作を行って、マスタ・スレーブモードに戻った時でも、マスタとモニタ上のスレーブの位置姿勢関係が常に保たれ、操作性のよい直感的なマスタ・スレーブ操作が実現できる。
上述した本実施形態によれば、モード切替器により選択したクラッチモード時に、操作手段の変位量を計測し、その変位量に対応して、内視鏡視野を動かすことにより、クラッチモード中は、マニピュレータの位置は動かず、モニタ上に表示される内視鏡画像中のマニピュレータの位置関係と、操作手段の入力装置把持部の位置関係とが同じ位置関係になるように、内視鏡視野を動かす。さらにマニピュレータ先端部についたグリッパ姿勢を、入力装置把持部の姿勢と同じくするように、マニピュレータのグリッパを動かし、モニタに表示されるグリッパ姿勢と入力装置把持部姿勢とを同じにすることにより、常に、入力装置把持部の位置姿勢とモニタ上に表示されるマニピュレータの位置姿勢とを保つことにより、クラッチモードからマスタ・スレーブモードに移行しても、動作方向が一致しているため常に直感的な操作を提供できる。
即ち、カメラ視野を変更しても、クラッチ操作によりマスタの位置姿勢を変更しても、表示手段上に写されるスレーブマニピュレータ作業部の位置姿勢と、操作手段の位置姿勢が対応し、マスタ・スレーブモードに移行後すぐに、動作方向を一致して動かすことが可能な手段を提供することにより、操作者に良好な視野を提供することができる。良好な視野を提供することにより、マニピュレータシステムの操作性が向上し、マニピュレータシステム操作の安全性が向上できる。また、表示手段上のマニピュレータ位置姿勢と操作手段の位置姿勢を一致させるための手間が省かれ、マニピュレータシステムの操作時間が短縮され、作業効率が向上できる。また、操作手段にアクチュエータを配置し、表示手段上のマニピュレータ位置姿勢と対応がとれるように、操作手段に力を与えて位置姿勢を変更するといった必要もなくなり、操作手段装置の小型化が図れる。また、そのためのアクチュエータを必要としないため、価格も安く、予期しないエラーの際にも操作者に害が及ぼされる心配がなく安全である。
なお、従来の技術では、内視鏡視野を動かしている間は、対象に対して仕事を行うマニピュレータは仕事を行うことができず、止まっていたため、作業時間が長くなるという課題があった。しかし、本実施形態を用いることにより、内視鏡視野の移動と共にマニピュレータも動かすことができるため、作業効率が向上し、作業時間も短縮される。また、従来のクラッチモードも切替器により選択できるようにすることにより、内視鏡視野を動かさずにクラッチ操作を行うことも可能で、状況に応じた操作者の使い分けが可能で、操作性を悪化させることはない。
本発明の一実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムの全体構成図。 本実施形態における操作者がマスタコンソールに取り付けられたマスタデバイスによりマニピュレータの操作を行っている様子を示す斜視図。 ある時点での患部と内視鏡視野とモニタ画像と入力装置把持部の関係を示す図。 図３の状態から従来技術のクラッチ操作を行ったときの患部と内視鏡視野とモニタと入力装置把持部の関係を示す図。 図３の状態から従来技術で内視鏡視野の回転を行ったときの患部と内視鏡視野とモニタ画像と入力装置把持部の関係を示す図。 本実施形態におけるモード切替の組み合わせを示す図。 本実施形態における図３の状態から内視鏡追従クラッチモードを実現したときの患部と内視鏡視野とモニタ画像と入力装置把持部の関係の一例を示す図。 本実施形態における図３の状態から内視鏡追従クラッチモードを実現したときの患部と内視鏡視野とモニタ画像と入力装置把持部の関係の異なる例を示す図。 本実施形態における体表に拘束された内視鏡の動作の様子を示す。 本実施形態におけるカメラが拘束されないときのカメラの動作と入力装置把持部の動作の関係の様子を示す図。 把持入力装置の動きにより、マニピュレータと視野を同時に動かしている様子を示す図。 本実施形態における把持入力装置の動きにより、マニピュレータと視野のズームを同時に動かしている様子を示す図。
符号の説明
１、２…マニピュレータ、３…内視鏡マニピュレータ、４…患者、５…手術台、６…モニタ（表示手段）、７…マスタコンソール、８…操作者、９、１０…マスタデバイス（操作手段）、１１…椅子、１２…マスタ・スレーブモード切替器、１３…内視鏡モード切替器、１４…切替器制御部、１５…操作手段制御部、１６…制御装置、１７…マニピュレータ制御部、１８…視野変更制御部、４０…視野変換部、５０…入力装置把持部。

Claims (4)

  1. 操作指令を生成するために操作する操作手段と、
    その操作指令を読み取り第１の制御指令を送る操作手段制御部と、
    前記第１の制御指令に基づきスレーブマニピュレータの各関節を制御するための第２の制御指令を出力するマニピュレータ制御部と、
    前記第２の制御指令に基づいて動作する前記スレーブマニピュレータと、
    前記スレーブマニピュレータの動作を観察する観察手段と、
    前記観察手段の視野を変更する視野変更手段と、
    前記視野変更手段を制御する視野変更制御部と、
    前記観察手段で観察したマニピュレータの映像を画面に表示する表示手段とを備えたマニピュレータシステムにおいて、
    前記スレーブマニピュレータを制御するマスタ・スレーブモードと、前記操作手段から前記スレーブマニピュレータへの操作指令の伝達を切断して前記操作手段を任意の位置姿勢に移動する観察手段視野追従クラッチモードとを切り替えるモード切替手段と、
    前記モード切替手段の信号を読み取り前記操作手段制御部にモード信号を送る切替器制御部と、
    前記操作手段制御部で読み取った観察手段視野追従クラッチモード時の操作指令に基づき、前記表示手段に表示されるスレーブマニピュレータの映像の動作方向と前記操作手段の操作方向とを一致させるように、前記マニピュレータ制御部に第３の制御指令を送ると共に前記視野変更制御部に第４の制御指令を送る視野変換部とを備えた
    ことを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
  2. 操作指令を生成するために操作する操作手段と、
    その操作指令を読み取り第１の制御指令を送る操作手段制御部と、
    前記第１の制御指令に基づきスレーブマニピュレータの各関節を制御するための第２の制御指令を出力するマニピュレータ制御部と、
    前記第２の制御指令に基づいて動作する前記スレーブマニピュレータと、
    前記スレーブマニピュレータの動作を観察する観察手段と、
    前記観察手段の視野を変更する視野変更手段と、
    前記視野変更手段を制御する視野変更制御部と、
    前記観察手段で観察したマニピュレータの映像を画面に表示する表示手段とを備えたマニピュレータシステムにおいて、
    前記スレーブマニピュレータを制御するマスタ・スレーブモードと、前記操作手段から前記スレーブマニピュレータへの操作指令の伝達を切断して前記操作手段を任意の位置姿勢に移動する観察手段視野追従クラッチモードと、前記操作手段によって操作する対象をスレーブマニピュレータ及び観察手段視野とする観察手段視野追従マスタ・スレーブモードとを切り替えるモード切替手段と、
    前記モード切替手段の信号を読み取り前記操作手段制御部にモード信号を送る切替器制御部と、
    前記操作手段制御部で読み取った観察手段視野追従クラッチモード時の操作指令に基づき、前記表示手段に表示されるスレーブマニピュレータの映像の動作方向と前記操作手段の操作方向とを一致させるように、前記マニピュレータ制御部に第３の制御指令を送ると共に前記視野変更制御部に第４の制御指令を送る視野変換部とを備えた
    ことを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
  3. 請求項１または２において、前記操作手段として２腕の操作手段を用いると共に、前記スレーブマニピュレータとして２台以上のマニピュレータを用い、前記２腕の操作手段の位置指令入力部間の距離の差分の正負に応じて、前記観察手段による視野のズームアウトとズームインを実現する前記観察手段視野追従クラッチモードとしたことを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
  4. 請求項２において、前記操作手段として２腕の操作手段を用いると共に、前記スレーブマニピュレータとして２台以上のマニピュレータを用い、前記２腕の操作手段の位置指令入力部間の距離の差分の正負に応じて、前記観察手段による視野のズームアウトとズームインを実現する前記観察手段視野追従マスタ・スレーブモードとしたことを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
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