JP6801901B1 - 手術ロボットシステム、外力推定装置、および、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】術具先端の小型化および術具に働く外力の測定精度向上を図りやすくするとともに、安全性の向上を図りやすくする。【解決手段】長尺状に形成されたシャフト部１１を有する術具１０と、術具１０を移動可能に把持するアーム部３０と、シャフト部１１よりもアーム部３０側の位置に配置されると共に術具１０に働く力の値およびトルクの値を検出するものであって、長尺方向力および長尺方向トルク、第１交差方向力および第１交差方向トルク、並びに、第２交差方向力および第２交差方向トルクの値を検出する検出部４６と、検出部４６に検知される力およびトルク、および、トロッカー７５とシャフト部１１との間に働く抵抗力の値に基づいて、術具１０がトロッカー７５から受ける第１外力の値、および、術具１０がトロッカー７５以外のものから受ける第２外力の値を算出する演算部（制御部）５０と、が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、手術ロボットシステム、外力推定装置、および、プログラムに関する。

近年、手術ロボットシステムを用いた内視鏡外科手術が普及しつつある。内視鏡外科手術では、手術ロボットシステムのアーム装置に取り付けられた腹腔鏡や内視鏡、鉗子など（以下、「術具」とも表記する。）が用いられる（例えば、特許文献１参照。）。

特表２００９−５２２０１６号公報

内視鏡外科手術の対象である被検体（例えば腹壁）には、術具が挿通されるトロッカー（またはポート）が配置されている。特許文献１に記載されている手術ロボットシステムなどでは、手術の際に術具によって被検体に加えられる負荷、具体的には力を軽減できることが望ましい。

加えられる力としては、トロッカーを介して被検体の腹壁に加えられる力や、術具のトロッカーと対応する位置以外の部分（例えば、術具の先端部やシャフト部分など）から直接被検体に加えられる力などを例示することができる。

術具先端部により加えられる力、言い換えると、術具先端部に加わる力を検出する方法としては、先端部近傍に配置したセンサで計測する方法や、先端部関節にかかる外力を駆動力から推定する方法が知られている。

しかしながら、先端部近傍に配置したセンサで計測する方法は、術具先端部近傍に計測するセンサを直接取り付ける必要がある。このセンサの配置位置により、術具先端部の小型化が困難になるという問題や、術具の滅菌・洗浄処理が難しくなるという問題が発生する。その結果として、製造や使用にかかるコストが嵩むという問題等の諸問題が発生する。

関節部に加わる外力を推定する方法は、術具などの機構内部における摩擦などの影響を受けて外力の推定精度が変化しやすいという問題や、自由度の配置によっては検出ができない力の方向が存在するという問題などがある。

また、先端部近傍に配置したセンサで計測する方法や、関節部に加わる外力を推定する方法では、中間部のシャフトに加わる力を計測または推定することができない。そのため、外力の推定値が、実際の外力の値よりも小さく見積もられるおそれがある。

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、術具先端の小型化、および、術具に働く外力の測定精度向上を図りやすくするとともに、安全性の向上を図りやすくすることができる手術ロボットシステム、外力推定装置、および、プログラムを提供することを目的とする。

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。
本発明の第１の態様に係る手術ロボットシステムは、被検体の手術に用いられるものであって、前記被検体に配置されたトロッカーに挿通される長尺状に形成されたシャフト部を有する術具と、前記術具を前記被検体に対して相対移動可能に把持するアーム部と、前記シャフト部よりも前記アーム側の位置に配置されると共に前記術具に働く力の値およびトルクの値を検出するものであって、前記シャフト部の長尺方向に働く長尺方向力および前記長尺方向まわりに働く長尺方向トルク、前記長尺方向に対して交差する第１交差方向に働く第１交差方向力および前記第１交差方向まわりに働く第１交差方向トルク、並びに、前記長尺方向および前記第１交差方向に対して交差する第２交差方向に働く第２交差方向力および前記第２交差方向まわりに働く第２交差方向トルクの値を検出する検出部と、前記長尺方向力、前記第１交差方向力、前記第２交差方向力、前記長尺方向トルク、前記第１交差方向トルク、前記第２交差方向トルク、および、前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く抵抗力の値に基づいて、前記術具が前記トロッカーから受ける第１外力の値、および、前記術具が前記トロッカー以外のものから受ける第２外力の値を算出する演算部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る外力推定装置は、被検体に配置されたトロッカーに挿通される長尺状に形成されたシャフト部を有する術具におけるシャフト部よりも前記アーム側の位置に配置された検出部により検出される力の値およびトルクの値であって、前記シャフト部の長尺方向に働く長尺方向力および前記長尺方向まわりに働く長尺方向トルク、前記長尺方向に対して交差する第１交差方向に働く第１交差方向力および前記第１交差方向まわりに働く第１交差方向トルク、並びに、前記長尺方向および前記第１交差方向に対して交差する第２交差方向に働く第２交差方向力および前記第２交差方向まわりに働く第２交差方向トルクの値が入力される入力部と、前記長尺方向力、前記第１交差方向力、前記第２交差方向力、前記長尺方向トルク、前記第１交差方向トルク、前記第２交差方向トルク、および、前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く抵抗力の値に基づいて、前記術具が前記トロッカーから受ける第１外力の値、および、前記術具が前記トロッカー以外のものから受ける第２外力の値を算出する演算部と、が設けられていることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係るプログラムは、コンピュータに、被検体に配置されたトロッカーに挿通される長尺状に形成されたシャフト部を有する術具におけるシャフト部よりも前記アーム側の位置に配置された検出部により検出される力の値およびトルクの値であって、前記シャフト部の長尺方向に働く長尺方向力および前記長尺方向まわりに働く長尺方向トルク、前記長尺方向に対して交差する第１交差方向に働く第１交差方向力および前記第１交差方向まわりに働く第１交差方向トルク、並びに、前記長尺方向および前記第１交差方向に対して交差する第２交差方向に働く第２交差方向力および前記第２交差方向まわりに働く第２交差方向トルクの値が入力される入力機能と、前記長尺方向力、前記第１交差方向力、前記第２交差方向力、前記長尺方向トルク、前記第１交差方向トルク、前記第２交差方向トルク、および、前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く抵抗力の値に基づいて、前記術具が前記トロッカーから受ける第１外力の値、および、前記術具が前記トロッカー以外のものから受ける第２外力の値を算出する演算機能と、を実現させることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る手術ロボットシステム、第２の態様に係る外力推定装置、および、第３の態様に係るプログラムによれば、検出部により検出された各種外力の値およびトルクの値と、トロッカーとシャフト部との間に働く抵抗力の値に基づくことにより、術具がトロッカーから受ける第１外力の値と、術具がトロッカー以外のものから受ける第２外力の値と、を算出することができる。

また、各種外力の値およびトルクの値を検出する検出部は、シャフト部よりもアーム側の位置に配置されるため、術具の先端にセンサを配置する場合と比較して術具の小型化を図りやすい。

上記発明の第１の態様において前記術具の前記シャフト部の先端部を駆動する駆動部が設けられ、前記アーム部には前記術具を保持する保持部が設けられ、前記検出部は、前記駆動部から前記保持部までの間に配置されていることが好ましい。

このように駆動部と保持部との間に検出部を配置することにより、例えば、駆動部よりも先端部側に検出部が配置されている場合と比較して、検出部が駆動部の動作に起因する力やトルクを検出しにくくなる。言い換えると、検出部による検出の精度を高めやすくなる。

上記発明の第１の態様においては、前記先端部が受ける外力である先端外力の値を検出する先端外力検出部が設けられ、前記演算部は、前記第２外力の値および前記先端外力の値に基づいて、前記シャフト部における前記先端部および前記トロッカー以外のものから受ける外力であるシャフト外力の値を算出することが好ましい。

このように先端外力検出部を設けることにより、演算部はシャフト部における先端部およびトロッカー以外のものから受ける外力であるシャフト外力の値を算出することができる。シャフト外力としては、術具が被検体に対して相対的に移動することにより、シャフト部の中間部分が被検体の臓器などと接触することにより働く力を例示することができる。

上記発明の第１の態様においては、異なる種類の前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く複数の抵抗力の値が、前記トロッカーの種類と紐付けして記憶される記憶部と、前記トロッカーの種類の選択に用いられる選択部と、が設けられ、前記演算部は、前記選択部を用いて選択された前記トロッカーの種類における前記抵抗力の値を前記記憶部から取得し、取得した前記抵抗力の値を用いて前記第１外力、および、前記第２外力を算出することが好ましい。

このように記憶部と選択部とを設けることにより、使用されるトロッカーがシャフト部との間に働く抵抗力が異なるトロッカーに変更されても、算出される第１外力の値および第２外力の値の精度悪化を抑制しやすくなる。

本発明の第１の態様に係る手術ロボットシステム、第２の態様に係る外力推定装置、および、第３の態様に係るプログラムによれば、検出部により検出された各種外力の値およびトルクの値と、トロッカーとシャフト部との間に働く抵抗力の値に基づいて、具がトロッカーから受ける第１外力の値と、術具がトロッカー以外のものから受ける第２外力の値と、を算出することにより、術具先端の小型化、および、術具に働く外力の測定精度向上を図りやすくするとともに、安全性の向上を図りやすくなるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る手術ロボットシステムの構成を説明する模式図である。 図１の手術ロボットシステムにおける座標系、力およびトルクを説明する図である。 図１の制御部における構成を説明するブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る手術ロボットシステムの構成を説明する模式図である。 図４の制御部における構成を説明するブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る手術ロボットシステムの構成を説明する模式図である。 図４の制御部における構成を説明するブロック図である。

〔第１の実施形態〕
この発明の第１の実施形態に係る手術ロボットシステム１について、図１から図３を参照しながら説明する。本実施形態では手術ロボットシステム１を、内視鏡外科手術に用いられる手術支援ロボットなどである例に適用して説明する。手術ロボットシステム１には、図１に示すように、術具１０と、アーム装置（アーム部）３０と、制御部（外力推定装置）５０と、が主に設けられている。

術具１０は、内視鏡や鉗子など、内視鏡外科手術に用いられる各種の器具である。本実施形態では、術具１０が鉗子である例について説明する。術具１０には、図１に示すように、シャフト部１１と、本体１４と、が主に設けられている。

シャフト部１１は、筒状または棒状に延びる部材であって、トロッカー７５（またはポートとも表記する。）に挿通されて患者（被検体）７０の腹壁７１の内部に挿入されるものである。シャフト部１１には、鉗子である先端部１２と、屈曲部１３と、が設けられている。

先端部１２は、シャフト部１１における患者７０に差し込まれる側の端である先端の部分である。本実施形態では、先端部１２に対象物を挟む構成が設けられている例に適用して説明する。

屈曲部１３は、一方の端部が先端部１２に配置され、他方の端部がシャフト部１１に配置される筒状または柱状に形成されたものである。また、屈曲部１３は、シャフト部１１の延びる方向に対して横方向へ屈曲可能な構成を有するものである。図１では、回動軸線が互いに交差、より好ましくは互いに直交する２つの回動部１４，１５から屈曲部１３が構成されている例が示されている。なお、屈曲部１３における構成は公知の構成を用いることができ、特に上述の構成に限定するものではない。

本体１４は、術具１０におけるアーム装置３０と着脱される部分である。また、本体１４は、アーム装置３０から伝達される先端部１２や屈曲部１３を駆動する駆動力が伝達可能な構成を有するものである。なお、本体１４における具体的な構成は、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。

アーム装置３０は、術具１０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、アーム装置３０は、術具１０の位置や姿勢を変更しても、術具１０がアーム装置３０に対する所定の相対位置であるピボット位置７５ｐ（不動位置とも表記する。）を通過するように制御されている。

なお、本実施形態では、術具１０がピボット位置７５ｐを通過するように、後述する回転部３１、第１アーム回動部３３および第２アーム回動部３５などの全てを制御する例に適用して説明するが、少なくとも術具１０がピボット位置７５ｐを通過すればよく、アクティブに回転部３１、第１アーム回動部３３および第２アーム回動部３５などの全てを制御していなくてもよい。

また、ピボット位置７５ｐは既知であってもよいし、未知であってもよい。言い換えると、ピボット位置７５ｐは予め与えられる位置であってもよいし、何らかのセンサにより測定された値から得られる位置（アーム装置３０の動作から推定される位置）であってもよい。

ピボット位置７５ｐは、内視鏡外科手術の対象である患者７０の腹壁７１における挿入孔の位置と概ね一致している。当該挿入孔には、術具１０のシャフト部１１が挿通されるトロッカー７５が配置されている。

本実施形態のトロッカー７５は、挿入される術具１０のシャフト部１１と接触し、アーム装置３０には連結固定されないものである。言い換えると、アーム装置３０により保持されるものではない。

言い換えると、トロッカー７５は、ピボット位置（不動点）合わせの必要がないアーム装置３０と共に用いられるものである。トロッカー７５とアーム装置３０とを連結して固定しないことにより、連結して固定する場合と比較して、第１外力Ｆｐと第２外力Ｆｒの算出精度を高めやすくなる。

アーム装置３０には、図１に示すように、回転部３１と、第１アーム回動部３３と、第１アーム３４と、第２アーム回動部３５と、第２アーム３６と、ジンバル部４１と、保持部４５と、検出部４６と、回転支持部４７と、駆動部４８と、着脱部４９とが主に設けられている。回転部３１、第１アーム回動部３３、第２アーム回動部３５、ジンバル部４１の第１関節部４２および第２関節部４３は、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。また、本実施形態では、術具１０の回転支持部４７および駆動部４８は、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例に適用して説明する。

回転部３１は、アーム装置３０が土台３２に固定される部分に配置される関節である。回転部３１には、回転部３１における位相の検出に用いられるセンサ３１ｓが設けられている（図３参照。）。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であればよく、具体的な構成を限定するものではない。

本実施形態では、回転部３１には、空気などの気体の圧力を用いて駆動力を発生させ、回転部３１を回動させるアクチュエータ３１ａが設けられている例に適用して説明する。回転部３１は当該アクチュエータ３１ａが発生する駆動力を用いて回転駆動される。

第１アーム回動部３３は、回転部３１と第１アーム３４との間に配置されるものであり、水平方向に延びる回動軸線まわりに回動駆動が可能な構成を有するものである。第１アーム回動部３３には、図３に示すように、第１アーム回動部３３における位相の検出に用いられるセンサ３３ｓが設けられている。

また、本実施形態では、第１アーム回動部３３には、空気などの気体の圧力を用いて駆動力を発生するアクチュエータ３３ａが設けられている例に適用して説明する。第１アーム回動部３３は当該アクチュエータ３３ａが発生する駆動力を用いて回動駆動される。

本実施形態では、第１アーム回動部３３にアクチュエータ３３ａが設けられている例に適用して説明するが、第１アーム回動部３３にアクチュエータ３３ａが設けられていなくてもよい。

第１アーム３４は、図１に示すように、第１アーム回動部３３と第２アーム回動部３５との間に配置されるものである。本実施形態では、第１アーム３４が棒状に延びる形状を有するものである例に適用して説明するが、特にこの形状に限定するものではない。

第２アーム回動部３５は、第１アーム３４と第２アーム３６との間に配置されるものであり、水平方向に延びる回動軸線まわりに回動駆動が可能な構成を有するものである。第２アーム回動部３５には、図３に示すように、第２アーム回動部３５における位相の検出に用いられるセンサ３５ｓが設けられている。

また、本実施形態では、第２アーム回動部３５に空気などの気体の圧力を用いて駆動力を発生するアクチュエータ３５ａが設けられている例に適用して説明する。第２アーム回動部３５は当該アクチュエータ３５ａが発生する駆動力を用いて回動駆動される。

本実施形態では、第２アーム回動部３５にアクチュエータ３５ａが設けられている例に適用して説明するが、第２アーム回動部３５にアクチュエータ３５ａが設けられていなくてもよい。

第２アーム３６は、図１に示すように、第２アーム回動部３５とジンバル部４１との間に配置されるものである。本実施形態では、第２アーム３６が棒状に延びる形状を有するものである例に適用して説明するが、特にこの形状に限定するものではない。

ジンバル部４１は、第２アーム３６と保持部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、より好ましくは直交する第１関節部４２と、第２関節部４３と、から主に構成されている。

第１関節部４２は、ジンバル部４１における第２アーム３６側に配置されているものである。第１関節部４２は、その回転軸線が、第２アーム３６が延びる方向に沿って延びる姿勢に配置されている。第１関節部４２には、第１関節部４２における位相の検出に用いられるセンサ４２ｓが設けられている（図３参照。）。

第２関節部４３は、ジンバル部４１における保持部４５側に配置されているものである。第２関節部４３は、その回転軸線が、第２アーム３６が延びる方向に対して交差する方向、より好ましくは直交する方向に延びる姿勢に配置されている。第２関節部４３には、第２関節部４３における位相の検出に用いられるセンサ４３ｓが設けられている（図３参照。）。

本実施形態では、第１関節部４２および第２関節部４３のそれぞれには、空気などの気体の圧力を用いて駆動力を発生して、第１関節部４２および第２関節部４３を回動させるアクチュエータ４２ａおよびアクチュエータ４３ａが設けられている例に適用して説明するが、アクチュエータ４２ａおよびアクチュエータ４３ａが設けられていなくてもよい。

保持部４５は、ジンバル部４１と回転支持部４７との間に配置されるものである。保持部４５としては、回転支持部４７および駆動部４８を保持することができる構成を有するものであればよく、具体的な構成を限定するものではない。

検出部４６は、保持部４５と、保持部４５に保持される駆動部４８と、の間に配置されるものであり、術具１０または保持部４５に働く力Ｆｗと、術具１０または保持部４５に働くトルク（「モーメント」とも表記する。）Ｍｗと、を検出する力覚センサである。なお、検出部４６としては、力とモーメントを検出する公知のフォーストルクセンサを用いることができ、特に検出方法などを限定するものではない。

検出部４６により検出される力Ｆｗは、シャフト部１１の長尺方向に働く長尺方向力の成分、長尺方向に対して交差する第１交差方向に働く第１交差方向力の成分、長尺方向および第１交差方向に対して交差する第２交差方向に働く第２交差方向力の成分を含む。また、トルクＭｗは、長尺方向まわりに働く長尺方向トルクの成分、第１交差方向まわりに働く第１交差方向トルクの成分、第２交差方向まわりに働く第２交差方向トルクの成分を含む。言い換えると、検出部４６は６自由度の力覚センサである。

図２に示すように、術具１０の上に直交座標系｛５｝を設定した場合、上述の長尺方向、第１交差方向、および、第２交差方向は、それぞれ座標系｛５｝におけるｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向に対応する。

なお、検出部４６が配置される位置は、上述のように保持部４５と駆動部４８との間であってもよいし、術具１０のシャフト部１１に更に近い位置であってもよい。検出部４６の配置位置がシャフト部１１に近いと、遠い場合と比較して、第１外力Ｆｐと第２外力Ｆｒの算出精度が高めやすい。

回転支持部４７は、駆動部４８を術具１０におけるシャフト部１１の中心軸線まわりに回転可能に支持するものである。着脱部４９に術具１０が取り付けられた状態においては、駆動部４８および術具１０を上述の中心軸線まわりに回転可能に支持するものである。回転支持部４７には、駆動力を発生して回転支持部４７の回転を制御するアクチュエータ４７ａが設けられている。

駆動部４８は、回転支持部４７により回転可能に支持されるものであり、術具１０の先端部１２および屈曲部１３の少なくとも一方を駆動する駆動力を発生させるものである。

本実施形態では、空気などの気体の圧力を用いて駆動力を発生させる気体圧アクチュエータが駆動部４８に配置される例に適用して説明する。この場合、発生された駆動力は、着脱部４９を介して術具１０の本体１４に伝達され、シャフト部１１内部を通されるワイヤによって先端部１２および屈曲部１３の少なくとも一方に伝達される。

なお、駆動部４８の構成としては、公知の構成を用いることができ、その具体的な構成を限定するものではない。さらに、駆動力を発生させる方式は、上述のように気体の圧力を用いた方式であってもよいし、電動モータを用いた方式であってもよく、具体的な方式を限定するものではない。

着脱部４９は、駆動部４８と術具１０との間に配置されるものである。また、着脱部４９は、術具１０の本体１４が着脱される構成を有すると共に、駆動部４８から本体１４へ駆動力の伝達を可能とする構成を有するものである。なお、着脱部４９における具体的な構成は、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。

制御部５０は、術具１０がトロッカー７５から受ける第１外力、および、術具１０がトロッカー７５以外のものから受ける第２外力を算出するものである。また、制御部５０は、センサ３１ｓ、センサ３３ｓ、センサ３５ｓ、センサ４２ｓおよびセンサ４３ｓの検出情報に基づき、運動学計算によってアーム装置３０および術具１０の位置姿勢を求め、求めた位置姿勢に基づいてアクチュエータ３１ａ等に駆動指令を出力するものである。出力される駆動指令には、演算部５３によって計算された外力の値等の外力情報も加味されていてもよい。

制御部５０は、図１および図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、少なくとも入力部５１と、記憶部５２と、演算部５３と、として機能させるものである。

入力部５１は、検出部４６おいて検出されて出力される力ＦｗおよびトルクＭｗの情報が入力されるものである。具体的には、長尺方向力、第１交差方向力および第２交差方向力の値と、長尺方向トルク、第１交差方向トルク、および、第２交差方向トルクの値が入力されるものである。また、入力部５１は、センサ３１ｓ、センサ３３ｓ、センサ３５ｓ、センサ４２ｓおよびセンサ４３ｓにおける検出信号が入力されるものでもある。

記憶部５２は、トロッカー７５と術具１０のシャフト部１１との間に働く抵抗力^５Ｆｐｘの値と、術具１０に働く重力（または重量、質量）Ｗの値が予め記憶されるものである。抵抗力は、トロッカー７５とシャフト部１１との組合せにより異なる値を取るものである。手術ロボットシステム１において用いられるトロッカー７５および術具１０が分かる場合に、予め抵抗力が測定または算出されて記憶部５２に記憶される。

演算部５３は、入力部５１に入力された力ＦｗおよびトルクＭｗの情報と、記憶部５２に予め記憶された抵抗力の値に基づいて、第１外力の値および第２外力の値を算出するものである。なお、第１外力の値および第２外力の値を算出する具体的な内容については後述する。

次に、上記の構成からなる手術ロボットシステム１における第１外力の値および第２外力の値を算出について説明する。まず、図２を参照しながら第１外力の値および第２外力の値を算出する式の導出について説明する。

まず、図２に示す座標系｛５｝から見た並進力の釣り合いの式（１）と、検出部４６を中心としたモーメントの釣り合いの式（２）を求める。ここで、座標系｛５｝は術具１０の上に設定された直交座標系であり、シャフト部１１が延びる方向をｘ方向としている。

ただし、Ｆｒは求める第２外力が鉗子である先端部１２に集中して働く場合の外力であり（つまり、他の場所にもかかるシャフト外力との合力として先端部１２に集中作用するものとし）、Ｐｒは先端部１２の位置ベクトルである。Ｆｐはシャフト部１１における挿入孔と対向する部分に働く外力（第１外力）であり、Ｐｐは挿入孔の位置ベクトルである。Ｗは術具１０に働く重力であり、Ｐｇは術具１０の重心の位置ベクトルである。Ｆｗは保持部４５に働く力であり、検出部４６により検出される力である。Ｍｗは保持部４５に働くモーメントであり、検出部４６により検出されるモーメントである。

ここで、未知数はＦｐ、および、Ｆｒのみとする。その他の値はセンサにより計測するか、ロボットの順運動学から計算し推定することができる。上述の式（１）および（２）からＦｒを消去すると下記の式（３）となる。

図２に示すようにアーム装置３０の上に座標系｛０｝を設定する。式（３）を座標系｛５｝で考え、座標系｛５｝から見た座標系｛０｝の姿勢行列を以下の通りとする。この姿勢行列を用いると式（３）は、以下の式（４）として表される。

下記の式を用いて式（４）を表すと共に、式（４）の右辺をＭとすると、式（４）は式（５）として表される。

下記の式を用いて式（５）表すと、式（５）は式（６）として表される。

式（６）は、Ｐｒを中心としたモーメントの釣り合いの式である。式（６）は、歪対象行列からの連立方程式である。式（６）のみでは３つの変数^５Ｆｐｘ，^５Ｆｐｙおよび^５Ｆｐｚを独立に解くことはできない。

ここで、^５Ｆｐｘは、トロッカー７５と術具１０のシャフト部１１との間に働く抵抗力である。そのため、^５Ｆｐｘの値を、トロッカー７５の構造やアーム装置３０の外力補償性能などを考慮した適切な条件（値）として予め設定することができる。^５Ｆｐｘの値としては、下記の３つの条件を例示することができる。下記の条件のうちのｆは定数であり、μは摩擦係数である。

例えば、^５Ｆｐｘ＝０の条件を用いた場合、式（６）の^５Ｆｐｙおよび^５Ｆｐｚについて解くと、以下の式（７）および式（８）の通りとなる。

また、上述の式（７）および式（８）と、式（１）の関係を用いてＦｒｙおよびＦｒｚについて解くと、以下の式（９）および式（１０）の通りとなる。

先端部１２に生じるシャフト部１１に平行な外力Ｆｒｘは、以下に示す検出部４６のｘ方向成分についての合力の関係式（１１）から求めることができる。なお、式（１１）では、^５Ｆｐｘ＝０以外の条件を用いた場合の理解を容易にするため、Ｆｐｘの項を残した式を示している。

^５Ｆｐｘ＝ｆの条件を用いた場合や、^５Ｆｐｘ＝μＮの条件を用いた場合についても、式（６）の^５Ｆｐｙおよび^５Ｆｐｚについて解くことにより、それぞれの値を求める式が得られる。Ｆｒｙ、ＦｒｚおよびＦｒｘについても上述と同様に、それぞれの値を求める式が得られる。

なお、^５Ｆｐｙ、^５Ｆｐｚ、Ｆｒｙ、ＦｒｚおよびＦｒｘの値の求め方は、上述のような式変形による解析的方法を用いた求め方であってもよいし、コンピュータを用いた数値解法など、連立方程式の公知の手法を用いた求め方を用いてもよい。

次に、手術ロボットシステム１における第１外力の値および第２外力の値を算出について説明する。ここで、上述のＦｐが第１外力に相当し、Ｆｒが第２外力に相当する。制御部５０の演算部５３は、上述のＦｐ、および、Ｆｒを算出する演算を行う。

制御部５０は、ＦｐおよびＦｒを算出する際に用いる術具１０に働く重力Ｗの値を記憶部５２から取得すると共に、保持部４５に働く力Ｆｗおよび保持部４５に働くモーメントＭｗを検出部４６から取得する処理を行う。

さらに制御部５０は、ＦｐおよびＦｒを算出する際に用いるＰｒ、Ｐｐ、ＰｇおよびＰｗの位置ベクトルを求める演算を行う。演算を行う際に、制御部５０は位置ベクトルの算出に用いられるセンサ３１ｓ、センサ３３ｓ、センサ３５ｓ、センサ４２ｓおよびセンサ４３ｓから出力される検出信号、屈曲部１３の姿勢を制御する制御信号を取得する演算処理を行う。

さらに、位置ベクトルを求める際用いられる計算式や、アーム装置３０における第１アーム３４などの長さや形状などの寸法の情報は、記憶部５２に予め記憶されているものが用いられる。

なお、上述の実施形態ではＰｒ、Ｐｐ、Ｐｇ、Ｐｗの位置ベクトルを求める際に、位相を検出するセンサ３１ｓ、センサ３３ｓ、センサ３５ｓ、センサ４２ｓおよびセンサ４３ｓを用いる例に適用して説明したが、位相を検出するセンサの出力の代わりにアーム装置３０の姿勢を制御する制御信号を用いてもよい。

同様に上述の実施形態では、屈曲部１３の姿勢を制御する制御信号を用いる例に適用して説明したが、当該制御信号の代わりに屈曲部１３の姿勢を検出するセンサの出力を用いてもよい。

さらに、位置ベクトルを求める際に用いられる式や、当該計算式に含まれるパラメータなどについては、アーム装置３０や術具１０の形式や形状などに応じて種々の式やパラメータを用いることができ、本実施形態のものに限定するものではない。

その後、制御部５０の演算部５３は、Ｐｒ、Ｐｐ、ＰｇおよびＰｗの位置ベクトル、重力Ｗ、力Ｆｗ、モーメントＭｗと、上述の式（７）（８）（９）（１０）（１１）などを用いてＦｐ、および、Ｆｒを算出する演算を行う。

上記の構成の手術ロボットシステム１、制御部５０、および、プログラムによれば、検出部４６により検出された各種外力の値およびトルクの値と、トロッカー７５とシャフト部１１との間に働く抵抗力^５Ｆｐｘの値に基づくことにより、術具１０がトロッカー７５から受ける第１外力Ｆｐの値と、術具１０がトロッカー７５以外のものから受ける第２外力Ｆｒの値と、を算出することができる。

また、各種外力の値およびトルクの値を検出する検出部４６は、シャフト部１１よりもアーム装置３０側の位置に配置されるため、術具１０の先端にセンサを配置する場合と比較して術具１０の小型化を図りやすい。

駆動部４８と保持部４５との間に検出部４６を配置することにより、例えば、駆動部４８よりも先端部１２側に検出部４６が配置されている場合と比較して、検出部４６が駆動部４８の動作に起因する力やトルクを検出しにくくなる。言い換えると、検出部４６による検出の精度を高めやすくなる。

６自由度の力・トルクセンサである検出部４６から出力される各種の情報により各外力成分を独立に求めることができる。そのため，理論上，鉗子である先端部１２やトロッカー７５にかかる外力が過小に算出されることがない。

算出された第１外力Ｆｐの値と第２外力Ｆｒの値を用いて手術ロボットシステム１の制御を行うことで、仮に、術具１０に働く重力Ｗやトロッカー７５の摩擦力Ｆｐｘなどに一定の不確かさが含まれていたとしても、制御における閾値を適切に設定することにより力フィードバックや安全機能として有効に利用しやすくなる。

例えば、術具１０がトロッカー７５から受ける第１外力Ｆｐを一定以下に抑えつつ、術具１０のシャフト部１１に働く外力に負けることなく先端部１２の位置姿勢を保持するといった動作を実現することも可能となる。

術具１０がトロッカー７５から受ける第１外力Ｆｐと、術具１０がトロッカー７５以外のものから受ける第２外力Ｆｒを有意に区別して検出できる。そのため、第１外力Ｆｐと第２外力Ｆｒを何らかの手段で手術ロボットシステム１の操作者に提示することにより、術の視野内および視野外における安全性を高めることが容易となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る手術ロボットシステムについて図４および図５を参照しながら説明する。本実施形態の手術ロボットシステムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、術具の先端部が受ける外力の求め方が異なっている。よって、本実施形態においては、図４および図５を用いて術具の先端部が受ける外力の求め方について説明し、その他の説明を省略する。

本実施形態の手術ロボットシステム１０１には、図４に示すように、術具１０と、アーム装置１３０と、制御部（外力推定装置）１５０と、が主に設けられている。
アーム装置１３０には、回転部３１と、第１アーム回動部３３と、第１アーム３４と、第２アーム回動部３５と、第２アーム３６と、ジンバル部４１と、保持部４５と、検出部４６と、回転支持部４７と、駆動部４８と、着脱部４９と、先端外力検出部１４８と、が主に設けられている。先端外力検出部１４８は、術具１０の先端部１２が受ける外力である先端外力Ｆｔの値を検出するセンサである。

本実施形態では、駆動部４８が、空気などの気体の圧力を用いて先端部１２や屈曲部１３を駆動する駆動力を発生させる気体圧アクチュエータを備えるものである場合には、先端外力検出部１４８が、気体圧アクチュエータにおけるピストン等の変位を検出するセンサ、および、シリンダ内の気体の圧力を検出するセンサを含むものである例に適用して説明する。

なお、先端外力検出部１４８としては、先端部１２に働く外力Ｆｔを検出するものであればよく、その配置位置や検出する方法を限定するものではない。例えば、先端外力検出部１４８が術具１０における先端部１２の近傍に配置され、先端部１２に働く外力Ｆｔを検出するセンサであってもよい。

制御部１５０は、図４および図５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、少なくとも入力部１５１と、記憶部５２と、演算部１５３と、として機能させるものである。

入力部１５１は、第１の実施形態の入力部５１と比較して、さらに先端外力検出部１４８により検出された先端部１２に加えられる先端外力Ｆｔの情報が入力されるものである。

演算部１５３は、入力部１５１に入力された力ＦｗおよびトルクＭｗの情報と、先端外力Ｆｔの情報と、記憶部５２に予め記憶された抵抗力の値に基づいて、第１外力Ｆｐの値および第２外力Ｆｒの値を算出するものである。

本実施形態の演算部１５３は、第１外力Ｆｐの値および第２外力Ｆｒの値を算出する際には、第１の実施形態と同様の演算を行い、先端部１２に働く先端外力Ｆｔの値を算出する際には、先端外力検出部１４８が検出して出力した先端外力Ｆｔの情報に基づいた演算が行われる。さらに、算出された第２外力Ｆｒおよび先端部１２に働く先端外力Ｆｔを用いて、先端部１２およびトロッカー７５以外のものから受ける外力であるシャフト外力の算出が行われる。シャフト外力の合力をＦｓとすると、以下の式で求めることができる。

上記の構成によれば、先端外力検出部１４８を設けることにより、演算部１５３はシャフト部１１における先端部１２およびトロッカー７５以外のものから受ける外力であるシャフト外力の値を算出することができる。シャフト外力としては、術具１０が患者７０に対して相対的に移動することにより、シャフト部１１の中間部分が患者７０の臓器などと接触することにより働く力を例示することができる。

また、先端外力検出部１４８によって求められる先端外力Ｆｔを参照信号として用いることにより、先端外力検出部１４８を用いない場合と比較して算出される第１外力Ｆｐと第２外力Ｆｒの精度をさらに高くしやすくなる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る手術ロボットシステムについて図６および図７を参照しながら説明する。本実施形態の手術ロボットシステムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、異なる種類のトロッカーに対応可能である点が異なっている。よって、本実施形態においては、図６および図７を用いて異なる種類のトロッカーに対応可能となる内容について説明し、その他の構成等の説明を省略する。

本実施形態の手術ロボットシステム２０１には、図６に示すように、術具１０と、アーム装置３０と、制御部（外力推定装置）２５０と、が主に設けられている。
制御部２５０は、図６および図７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、少なくとも入力部５１と、選択部２５１と、記憶部２５２と、演算部２５３として機能させるものである。

選択部２５１は、手術ロボットシステム１において用いられるトロッカー７５の識別に用いられるものである。本実施形態では、手術ロボットシステム１に用いられるトロッカー７５の種類が複数であり、これらトロッカー７５を種類ごとに識別する情報を取得するものである。

例えば、選択部２５１が、手術ロボットシステム１において用いられるトロッカー７５の種類を表示するものであり、表示されたトロッカー７５の中から、使用するトロッカー７５を指定することで識別を行う例を挙げることができる。

また、トロッカー７５に表記されている型番や、シリアルナンバーなどを選択部２５１に入力することにより、用いられるトロッカー７５を識別する例も挙げることができ、識別を行う具体的な方法を限定するものではない。

記憶部２５２は、手術ロボットシステム１において用いられるトロッカー７５を識別する情報と、トロッカー７５と術具１０のシャフト部１１との間に働く抵抗力^５Ｆｐｘの値と、術具１０に働く重力（または重量）Ｗの値が予め記憶されるものである。トロッカー７５を識別する情報と、当該トロッカー７５における抵抗力^５Ｆｐｘの値とは紐付けされて記憶されている。

演算部２５３は、入力部５１に入力された力ＦｗおよびトルクＭｗの情報と、記憶部２５２に予め記憶された抵抗力の値に基づいて、第１外力Ｆｐの値および第２外力Ｆｒの値を算出するものである。なお、演算部２５３における演算の内容は、選択部２５１により選択されたトロッカー７５を識別する情報と、紐付けされた抵抗力^５Ｆｐｘの値を記憶部２５２から取得して演算を行う点が、第１の実施形態とは異なる。この点以外の演算の内容は、第１の実施形態と同様である。

上記の構成によれば、記憶部２５２と選択部２５１とを設けることにより、使用されるトロッカー７５がシャフト部１１との間に働く抵抗力^５Ｆｐｘが異なるトロッカー７５に変更されても、使用されるトロッカー７５に対応する抵抗力^５Ｆｐｘを用いて第１外力Ｆｐの値および第２外力Ｆｒの値を算出することができる。その結果、トロッカー７５に対応する抵抗力^５Ｆｐｘが用いられない場合と比較して、算出される第１外力Ｆｐの値および第２外力Ｆｒの値の精度悪化を抑制しやすくなる。

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、本発明を上記の実施形態に適用したものに限られることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定するものではない。

また、例えば、上記の実施の形態においては、シャフト部１１の先端に設けられる先端部１２が鉗子である例に適用して説明したが、先端部１２は鉗子に限られるものではなく、内視鏡手術などで用いられる他の器具であってもよい。

本発明の手術ロボットシステム、外力推定装置、および、プログラムが適用される内視鏡外科手術としては、術具１０が患者７０の体内に挿入される内視鏡外科手術の全般を挙げることができる。内視鏡外科手術のうち、消化器などの大型の臓器を対象とし、術具１０に外力がかかりやすい消化器外科で行われる手術や、肋骨の間から術具１０を挿入する胸部外科で行われる手術や、腹壁の厚い肥満患者を対象とする手術は、本発明の手術ロボットシステムが好適に用いられる内視鏡外科手術である。

１，１０１，２０１…手術ロボットシステム、１０…術具、１１…シャフト部、３０，１３０…アーム装置（アーム部）、４５…保持部、４６…検出部、４８…駆動部、５０，１５０，２５０…制御部（外力推定装置）、５１，１５１…入力部、５３，１５３，２５３…演算部、７０…患者（被検体）、７５…トロッカー、１４８…先端外力検出部、２５１…選択部、Ｆｐ…第１外力、Ｆｒ…第２外力、^５Ｆｐｘ…抵抗力

Claims (5)

1. 被検体の手術に用いられるものであって、前記被検体に配置されたトロッカーに挿通される長尺状に形成されたシャフト部を有する術具と、
   前記術具を前記被検体に対して相対移動可能に把持するアーム部と、
   前記シャフト部よりも前記アーム部側の位置に配置されると共に前記術具に働く力の値およびトルクの値を検出するものであって、前記シャフト部の長尺方向に働く長尺方向力および前記長尺方向まわりに働く長尺方向トルク、前記長尺方向に対して交差する第１交差方向に働く第１交差方向力および前記第１交差方向まわりに働く第１交差方向トルク、並びに、前記長尺方向および前記第１交差方向に対して交差する第２交差方向に働く第２交差方向力および前記第２交差方向まわりに働く第２交差方向トルクの値を検出する検出部と、
   前記長尺方向力、前記第１交差方向力、前記第２交差方向力、前記長尺方向トルク、前記第１交差方向トルク、前記第２交差方向トルク、および、前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く抵抗力の値に基づいて、前記術具が前記トロッカーから受ける第１外力の値、および、前記術具が前記トロッカー以外のものから受ける第２外力の値を算出する演算部と、
   異なる種類の前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く複数の抵抗力の値が、前記トロッカーの種類と紐付けして記憶される記憶部と、
   前記トロッカーの種類の選択に用いられる選択部と、が設けられ、
   前記演算部は、前記選択部を用いて選択された前記トロッカーの種類における前記抵抗力の値を前記記憶部から取得し、取得した前記抵抗力の値を用いて前記第１外力、および、前記第２外力を算出することを特徴とする手術ロボットシステム。
2. 前記術具の前記シャフト部の先端部を駆動する駆動部が設けられ、
   前記アーム部には前記術具を保持する保持部が設けられ、
   前記検出部は、前記駆動部から前記保持部までの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の手術ロボットシステム。
3. 前記先端部が受ける外力である先端外力の値を検出する先端外力検出部が設けられ、
   前記演算部は、前記第２外力の値および前記先端外力の値に基づいて、前記シャフト部における前記先端部および前記トロッカー以外のものから受ける外力であるシャフト外力の値を算出することを特徴とする請求項２記載の手術ロボットシステム。
4. 被検体に配置されたトロッカーに挿通される長尺状に形成されたシャフト部を有する術具におけるシャフト部よりも前記術具を把持するアーム部側の位置に配置された検出部により検出される力の値およびトルクの値であって、前記シャフト部の長尺方向に働く長尺方向力および前記長尺方向まわりに働く長尺方向トルク、前記長尺方向に対して交差する第１交差方向に働く第１交差方向力および前記第１交差方向まわりに働く第１交差方向トルク、並びに、前記長尺方向および前記第１交差方向に対して交差する第２交差方向に働く第２交差方向力および前記第２交差方向まわりに働く第２交差方向トルクの値が入力される入力部と、
   前記長尺方向力、前記第１交差方向力、前記第２交差方向力、前記長尺方向トルク、前記第１交差方向トルク、前記第２交差方向トルク、および、前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く抵抗力の値に基づいて、前記術具が前記トロッカーから受ける第１外力の値、および、前記術具が前記トロッカー以外のものから受ける第２外力の値を算出する演算部と、
   異なる種類の前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く複数の抵抗力の値が、前記トロッカーの種類と紐付けして記憶される記憶部と、
   前記トロッカーの種類の選択に用いられる選択部と、が設けられ、
   前記演算部は、前記選択部を用いて選択された前記トロッカーの種類における前記抵抗力の値を前記記憶部から取得し、取得した前記抵抗力の値を用いて前記第１外力、および、前記第２外力を算出することを特徴とする外力推定装置。
5. コンピュータに、
   被検体に配置されたトロッカーに挿通される長尺状に形成されたシャフト部を有する術具におけるシャフト部よりも前記術具を把持するアーム部側の位置に配置された検出部により検出される力の値およびトルクの値であって、前記シャフト部の長尺方向に働く長尺方向力および前記長尺方向まわりに働く長尺方向トルク、前記長尺方向に対して交差する第１交差方向に働く第１交差方向力および前記第１交差方向まわりに働く第１交差方向トルク、並びに、前記長尺方向および前記第１交差方向に対して交差する第２交差方向に働く第２交差方向力および前記第２交差方向まわりに働く第２交差方向トルクの値が入力される入力機能と、
   前記長尺方向力、前記第１交差方向力、前記第２交差方向力、前記長尺方向トルク、前記第１交差方向トルク、前記第２交差方向トルク、および、前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く抵抗力の値に基づいて、前記術具が前記トロッカーから受ける第１外力の値、および、前記術具が前記トロッカー以外のものから受ける第２外力の値を算出する演算機能と、
   異なる種類の前記トロッカーと前記シャフト部との間に働く複数の抵抗力の値が、前記トロッカーの種類と紐付けして記憶される記憶機能と、
   前記トロッカーの種類の選択に用いられる選択機能と、を実現させるためのものであり、
   前記演算機能は、前記選択機能を用いて選択された前記トロッカーの種類における前記抵抗力の値を前記記憶機能により記憶された前記複数の抵抗力の値から取得し、取得した前記抵抗力の値を用いて前記第１外力、および、前記第２外力を算出するプログラム。

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