JP7257283B2 - 手術マニピュレータの入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、手術マニピュレータの入力装置に関する。

手術マニピュレータの入力装置として、例えば、特許文献１に記載された、マスター装置が知られている。このマスター装置では、３軸のアームの先端部にリストが回動自在に設けられている。リストは自由度３のジンバルを構成する３軸（関節）のリンク連結体に形成されている。この３軸のリンク連結体の先端部に操作者が操作するハンドルが形成されている。そして、プロセッサが、リストの各軸（関節）の回転位置に基づいて、アームの先端部に対してリストを回動させることによって、リストの各軸を直角に近い角度に制御する。

米国ＵＳ２００２／０１２０３６３Ａ１特許公開公報

しかし、上記マスター装置では、上記制御は、リストのリンク連結体が特異点（singularity）に近づくことを防止するために行われる。この制御では、リストの３つの軸の公称の（好ましい）角度位置に対する現在の角度位置の差分の２乗の総和の関数である費用を最小化するように、リストの３つの軸の角度位置がそれぞれ制御される。

ところで、純粋の３軸のジンバルでは、各軸のジンバルを構成する支持部材は、相互に干渉しないように設計される。しかし、上記マスター装置のリストでは、第１リンクが第２リンクの近傍まで回動すると、第１リンクが第２リンクと干渉する（特許文献１の図１Ｂ参照）。これは、実用的なリストを実現するための設計上の制約に起因する。また、干渉の程度は、リストの設計に依存する。

一方、上記マスター装置では、リストのリンク連結体が特異点に近づくことを防止することを目的として、リストの３つの軸の公称の（好ましい）角度位置に対する現在の角度位置の差分の２乗の総和の関数である費用を最小化するように、リストの３つの軸の角度位置がそれぞれ制御される。従って、上記マスター装置では、リストのジンバルを構成するリンク同士の干渉を防止できるという保証がない。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、リスト部のジンバルを構成するリンク同士の干渉を防止できる手術マニピュレータの入力装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のある形態（aspect）に係る手術マニピュレータの入力装置は、関節を有するアーム部と、追従回動軸線の周りに回動自在に基端部が前記アーム部の先端部に連結された追従リンクと、前記追従回動軸線に直交する第１ジンバル回動軸線の周りに回動自在に基端部が前記追従リンクの先端部に連結された第１ジンバルリンクと、前記第１ジンバル回動軸線に直交し且つ前記第１ジンバルリンクが第１基準回転位置にある場合に前記追従回動軸線と一致する第２ジンバル回動軸線の周りに回動自在に基端部が前記第１ジンバルリンクの先端部に連結された第２ジンバルリンクと、前記第２ジンバル回動軸線に直交し且つ前記第２ジンバルリンクが第２基準回転位置にある場合に前記第１ジンバル回動軸線と直交する第３ジンバル回動軸線の周りに回動自在に基端部が前記第２ジンバルリンクの先端部に連結された第３ジンバルリンクである操作部と、を備えるリスト部と、前記追従リンクの基端部を前記追従回動軸線の周りに回動させるモータと、前記モータの動作を制御することによって、前記第２ジンバルリンクの回転位置の前記第２基準回転位置に対する回転位置偏差を前記追従リンクの回転位置偏差として、前記追従リンクの回転位置をフィードバック制御するよう構成された制御器と、を備える。

ここで「回転位置」とは回転角を意味する。以下では、「位置」の概念を用いた方が理解し易い場合には「回転位置」を用い、「角度」の概念を用いた方が理解し易い場合には「回転角」を用いる。

この構成によれば、制御器が、モータの動作を制御することによって、第２ジンバルリンクの回転位置の第２基準回転位置に対する回転位置偏差を追従リンクの回転位置偏差として、追従リンクの回転位置をフィードバック制御するので、追従リンクは、第２ジンバルリンクが第２基準回転位置に位置するように追従回動軸線の周りに回動する。ここで、互いに直交する第１ジンバル回動軸線及び第２ジンバル回動軸線を含む平面Ａ上に第１ジンバルリンクが延在し、且つ、互いに直交する第２ジンバル回動軸線及び第３ジンバル回動軸線を含む平面Ｂ上に第２ジンバルリンクが延在すると仮定する。また、第２ジンバルリンクが第１ジンバルリンクの近傍まで回動すると、第２ジンバルリンクが第１ジンバルリンクと干渉すると仮定する。この場合、第２ジンバルリンクが第２基準回転位置に位置すると、第２ジンバルリンクが延在する平面Ｂが、第１ジンバルリンクが延在する平面Ａに直交する。つまり、第２ジンバル回動軸線の延在方向からみて、第２ジンバルリンクと第１ジンバルリンクとの挟角が直角になる。従って、第２ジンバルリンクが第１ジンバルリンクに向かって回動しても、追従リンクの回動によって当該挟角が直角になるように第１ジンバルリンクが逃げるので、第２ジンバルリンクが第１ジンバルリンクと干渉することを防止することができる。

前記制御器は、前記操作部が操作されているか否か判定し、前記操作部が操作されていると判定した場合に、前記フィードバック制御を行うよう構成されていてもよい。

上述のように、操作部の操作により第２ジンバルリンクが回動すると、第２ジンバルリンクが第２基準回転位置に位置するように追従リンクが回動するのであるが、操作を停止した場合に、微小な第２ジンバルリンクの回転位置偏差が残っていると、追従リンクが回動し続けるため、操作者が違和感を覚える。

この構成によれば、操作部が操作されている場合に追従リンクの回転位置のフィードバック制御が行われ、操作が停止されると、追従リンクの回転位置のフィードバック制御が停止されて追従リンクが停止するので、操作者が違和感を覚えるのを防止することができる。

前記制御器は、前記追従リンクが所定の動作範囲内にあるか否か判定し、前記追従リンクが所定の動作範囲内にあると判定した場合に、前記フィードバック制御を行うよう構成されていてもよい。

この構成によれば、追従リンクを所定の動作範囲内で追従動作させることができる。

前記制御器は、前記第２ジンバルリンクの回転速度を、前記追従リンクの回転位置のフィードバック制御における速度指令に加算するフィードフォワード制御を行うよう構成されていてもよい。ここで、「回転速度」は「回転角速度」を意味する。以下では、「速度」の概念を用いた方が理解し易い場合には「回転速度」を用い、「角度」の概念を用いた方が理解し易い場合には「回転角速度」を用いる。

この構成によれば、前記第２ジンバルリンクの回転速度が、追従リンクの回転位置のフィードバック制御における速度指令に加算されるので、操作部の操作により第２ジンバルリンクが速い速度で動作した場合にも、追従リンクを素早く追従させて、第２ジンバルリンクと第１ジンバルリンクとの干渉を防止することができる。

前記制御器は、前記追従リンクが所定の動作範囲内にあるか否か判定し、前記追従リンクが所定の動作範囲内にあると判定した場合に、前記フィードフォワード制御を行うよう構成されていてもよい。

この構成によれば、追従リンクを所定の動作範囲内で追従動作させることができる。

前記制御器は、前記フィードフォワード制御において、前記追従リンクの所定の動作範囲の限界近傍において、前記フィードバック制御における速度指令への前記第２ジンバルリンクの回転速度の加算量が、前記追従リンクが動作限界に向かうに連れて徐々に減少するように、当該第２ジンバルリンクの回転速度の加算量を調整するよう構成されていてもよい。

この構成によれば、第２ジンバルリンクが動作範囲の外から内に移動する際に、フィードフォワード制御による第２ジンバルリンクの回転速度の加算量が急激に変化して、操作者が操作に違和感を覚えることを防止できる。

前記制御器は、前記フィードフォワード制御において、前記フィードバック制御における速度指令への前記第２ジンバルリンクの回転速度の加算量が、前記第１ジンバルリンクの回転位置の前記第１基準回転位置に対する回転位置偏差の絶対値が０度から９０度に近づくに連れてゼロに向かって減少するように当該第２ジンバルリンクの回転速度の加算量を調整するよう構成されていてもよい。

操作部の操作により第１基準回転位置からの第１ジンバルリンクの回転角が大きくなると、第２ジンバルリンクの第２基準回転位置からの回転に伴う操作部の追従回動軸線周りの回転量が大きくなり、その際に操作部の当該追従回動軸線周りの回転速度が速いと、操作者が操作に違和感を覚える。

この構成によれば、操作部の操作により第１基準回転位置からの第１ジンバルリンクの回転角が大きくなると、操作部の追従回動軸線周りの回転速度が抑制されるので、操作者が操作に違和感を覚えることを抑制できる。

本発明は、リスト部のジンバルを構成するリンク同士の干渉を防止できる手術マニピュレータの入力装置を提供できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係る手術マニピュレータの入力装置を含むロボット支援手術システムの一例の概要を示す模式図である。 図２は、図１のロボット支援手術システムが備えるハンドコントロールの一例の外観の概要を示す模式図である。 図３は、図２に示す入力装置の概要を模式的に示す側面図である。 図４は、図３のマスターアームのリスト部の外観を示す斜視図である。 図５は、図４のリスト部の追従リンク及び第１ジンバルリンクの縦断面を示す断面図である。 図６は、図４のリスト部の第２ジンバルリンク及び操作部の縦断面を示す断面図である。 図７は、入力装置及び手術マニピュレータの制御系統の構成の一例を示す機能ブロック図である。 図８は、図７の入力装置制御器のジンバルリンク干渉防止制御に関する構成の一例を示す機能ブロック図である。 図９は、図８の位置制御部の構成を示すブロック図である。 図１０は、図８のＦＦ速度指令生成部の構成を示すブロック図である。 図１１は、ジンバルリンク干渉防止制御を示すフローチャートである。 図１２は、追従リンクの回転角と位置フィードバック制御ループへの速度フィードフォワード制御の入力の連続化係数との関係を示すグラフである。 図１３は、第１ジンバルリンクの回転角と位置フィードバック制御ループへの速度フィードフォワード制御の入力のＦＦ調整係数との関係を示すグラフである。 図１４は、第１ジンバルリンクが第１基準回転位置から＋４５°回転した場合のリスト部の状態を示す斜視図である。 図１５は、第１ジンバルリンクが第１基準回転位置から＋９０°回転した場合のリスト部の状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、以下の図は、本発明を説明するための図であるので、それらの図において本発明に無関係な要素が省略される場合、誇張等のために寸法が正確でない場合、複数の図において、互いに対応する要素が一致しない場合等がある。

また、以下では、「回転位置」は「回転角」を意味し、「位置」の概念を用いた方が理解し易い場合には「回転位置」を用い、「角度」の概念を用いた方が理解し易い場合には「回転角」を用いる。また、「回転速度」は「回転角速度」を意味し、「速度」の概念を用いた方が理解し易い場合には「回転速度」を用い、「角度」の概念を用いた方が理解し易い場合には「回転角速度」を用いる。

なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態）
［構成］
｛ハードウェアの構成｝
図１は、本発明の実施形態１に係る手術マニピュレータの入力装置を含むロボット支援手術システムの一例の概要を示す模式図である。図２は、図１のロボット支援手術システムが備えるハンドコントロールの一例の外観の概要を示す模式図である。以下では、図１及び図２の上下方向を絶対空間における上下方向として説明する。

図１及び図２を参照すると、ロボット支援手術（RAS：Robotically-Assisted Surgical）システム２００は、ポジショナ２０１と、手術マニピュレータ２０２と、ハンドコントロール１００と、を備える。

＜ロボット支援手術システム２００＞
図１を参照すると、例えば、手術室に手術台２０３が配置され、手術台２０３の上に患者２０４が横たえられる。手術台２０３の近傍にポジショナ２０１が配置される。ポジショナ２０１は、例えば多関節ロボットで構成される。ポジショナ２０１の先端部のベース２０１ａに多関節ロボットで構成される手術マニピュレータ２０２が取り付けられている。手術マニピュレータ２０２は、例えば、基部と、アーム部４０１と、エンドエフェクタ部とを有し、基部がベース２０１ａに固定され、基部とリンク４０４、リンク４０４同士、リンク４０４とエンドエフェクタ部とが複数の関節によって連結されている。基部には、複数（ここでは、例えば、４本）のアーム部４０１が連結されている。複数のアーム部４０１の先端には、エンドエフェクタ部として、それぞれ、手術ツール４０２が取り付けられる。

ポジショナ２０１は、手術マニピュレータ２０２を、当該手術マニピュレータ２０２が患者２０４に手術を施すのに適した位置に搬送する。

＜ハンドコントロール１００＞
図２には、ハンドコントロール１００の概要が示されている。なお、図２は、ハンドコントロール１００の概念を判り易く示す図であり、そのため、図２には、特に入力装置２の細部の構造が、後述する図３～図６に示される具体的な構造と異なって示されている。

図２を参照すると、ハンドコントロール１００は、操作者（手術する医師）が手術マニピュレータ２０２の動作を制御して手術を行うための装置である。ハンドコントロール１００は、ポジショナ２０１及び手術マニピュレータ２０２と、有線又は無線により、電気的に接続されている。ハンドコントロール１００は、例えば、手術台の近傍又は別室に配置される。

ハンドコントロール１００は、ここでは、本体１と、入力装置２と、複数のペダル４と、表示部５と、ビュアー（不図示）と、を備える。

本体１は、側面から見て略Ｌ字状に形成されており、本体１の、当該本体１に向かって右側及び左側の部分に、それぞれ、右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂ（手術マニピュレータの入力装置）が設けられている。右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂは、操作者が、それぞれ、右手及び左手で操作するためのものである。右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂは、それぞれ、スレーブロボットとしての手術マニピュレータ２０２の各アーム部４０１に対するマスター入力装置として機能する。

本体１の上部には、前方に突出するようにＵ字状の支持部材３が設けられている。支持部材３の前端部の中央部に表示部５が設けられている。表示部５は、例えば、タッチパネルで構成されていて、操作者がハンドコントロール１００に各種の設定を行うための情報を表示又は入力するための画面として機能する。ビュアー（不図示）は、ハンドコントロール１００の上部に設けられるが、ビュアーの構成及び機能は良く知られているので、図２では、入力装置２を見易くするために、図示を省略している。ビュアーには、手術マニピュレータ２０２のアーム部４０１の先端にエンドエフェクタ部として取り付けられた内視鏡（手術ツール４０２）によって撮像された画像が表示される。

本体１の下部には、前方に突出するように複数（ここでは４本）のペダル４が設けられている。複数のペダル４は、右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂと手術マニピュレータ２０２の各アームとの接続の切り替え、表示部５に表示される画像のズーム等を行うものである。

操作者は、例えば、ハンドコントロール１００の前に配置された椅子に腰かけた状態で、ビュアーに表示される患者２０４の体内の画像を見ながら、右入力装置２Ａ又は左入力装置２Ｂを右又は左の手で操作して手術を行う。

＜手術マニピュレータ２０２の入力装置２＞
図３は、図２に示す入力装置２の概要を模式的に示す側面図である。図３には、入力装置２の構成が簡略化されて示されている。入力装置２の具体的な構造例は、図４～図６を参照されたい。図３には、右入力装置２Ａが示されている。左入力装置２Ｂは、右入力装置２Ａの左右方向の構造を逆にしただけである。従って、左入力装置２Ｂの説明を省略する。以下では、便宜上、図３の上下方向を及び左右方向を、それぞれ、右入力装置２Ａの上下方向及び前後方向とする。右入力装置２Ａは、初期状態において、図３に示す基準姿勢を取る。

図３を参照すると、右入力装置２Ａは、側面視において、エルボー状（Ｌ字状）の基準姿勢を取る。以下、右入力装置２Ａの基準姿勢を単に「基準姿勢」という場合がある。右入力装置２Ａは、マスターアーム１０を備える。マスターアーム０は、アーム部１１とリスト部１２とを備える。

｛アーム部１１｝
アーム部１１は、例えば、基体２１と、第１リンク２２と、第２リンク２３と、第３リンク２４とを備える。基体２１はハンドコントロール１００の本体１に固定されている。基体２１の上下方向における一方の端部（ここでは下端部）に、第１リンク２２の一方の端部（ここでは上端部）が、第１関節ＪＴ１を介して、上下方向に延びる第１回動軸線Ａ１の周りに回動自在に連結されている。第１リンク２２の他方の端部（ここでは下端部）に、第２リンク２３の一方の端部（ここでは上端部）が、第２関節ＪＴ２を介して、第１回動軸線Ａ１に直交し且つ左右方向に延びる第２回動軸線Ａ２の周りに回動自在に連結されている。第２リンク２３の他方の端部（ここでは下端部）に、第３リンク２４の一方の端部（基準姿勢における後端部）が、第３関節ＪＴ３を介して、第２回動軸線Ａ２に平行に延びる第３回動軸線Ａ３の周りに回動自在に連結されている。また、第１リンク２２の他方の端部には、揺動部材２５の一方の端部が第２回動軸線Ａ２の周りに回動自在に設けられている。揺動部材２５の他方の端部には、補助リンク２６の一方の端部（ここでは、上端部）が第９回動軸線Ａ９の周りに回動自在に連結されている。第９回動軸線Ａ９は、第２回動軸線Ａ２に平行で且つ第２回動軸線から所定距離だけ離れて延在する。補助リンク２６の他方の端部（ここでは下端部）は、第３リンクの一方の端部に第１０回動軸線Ａ１０の周りに回動自在に連結されている。第１０回動軸線Ａ１０は、第３回動軸線Ａ３に平行で且つ第３回動軸線から第３リンク２４の一方の端向かう方向に上記所定距離だけ離れて延在する。つまり、補助リンク２６及び第２リンク２３は、平行リンクを構成している。

第３リンク２４の他方の端部（基準姿勢における前端部）には、リスト部１２が、第４関節ＪＴ４を介して、追従回動軸線（第４回動軸線）Ａ４の周りに回動自在に連結されている。追従回動軸線Ａ４は、第３回動軸線Ａ３及び第１０回動軸線Ａ１０を含む平面に直交するように延在する。

肩部は基体２１で構成され、基体２１は、枠体状に形成されている。基体２１には、第１モータＭ１（図７参照）が下向きに設けられている。具体的には、第１モータＭ１は、主軸（不図示）が第１回動軸線Ａ１と同軸になるように設けられている。第１モータＭ１には、第１モータＭ１の回転角を検知する第１回転角検知器Ｅ１（図７参照）が設けられている。第１回転角検知器Ｅ１は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第１回転角検知器Ｅ１は、ここでは、第１モータＭ１の主軸に直結されたエンコーダで構成される。第１モータＭ１の主軸は、円筒状の連結部材（不図示）を用いて、第１リンク２２の第１回転軸（不図示）と同軸に突き合わせ接続されている。

アーム部１１の上腕部は、第１リンク２２、第２リンク２３、及び補助リンク２６を含む。第１リンク２２は、枠体状に形成されている。第１リンク２２の一方の端部（ここでは、上端部）には、第１回転軸が設けられている。上述のように、第１回転軸は、第１モータＭ１の主軸と同軸に接続されている。この第１回転軸及び第１モータＭ１によって、第１関節ＪＴ１が構成されており、これにより、第１リンク２２が、基体２１に対し、第１回動軸線Ａ１の周りに自在に回動することが可能であり、第１リンク２２の回動による第１モータＭ１の回転角を第１回転角検知器Ｅ１によって検知することが可能であり、且つ、第１モータＭ１によって第１回転軸Ｒ１を回転駆動することが可能である。

第２リンクは、中空の棒状に形成されている。第２リンク２３の一方の端部（上端部）には、第２回転軸（不図示）が設けられている。この第２回転軸が、軸受（不図示）を介して、第１リンク２２の他方の端部（下端部）に、第２回動軸線Ａ２の周りに回動自在に取り付けられている。この第２回転軸及び軸受によって、第２関節ＪＴ２が構成されており、これにより、第２リンク２３が、第１リンク２２に対し、第２回動軸線Ａ２の周りに自在に回動することが可能である。

第２回転軸には、従動プーリー（不図示）が設けられている。一方、第１リンク２２には、主軸の中心軸が第２回動軸線Ａ２に平行になるように、第２モータＭ２（図７参照）が設けられている。第２モータＭ２には、第２モータＭ２の回転角を検知する第２回転角検知器Ｅ２（図７参照）が設けられている。第２回転角検知器Ｅ２は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第２回転角検知器Ｅ２は、ここでは、第２モータＭ２の主軸（不図示）に直結されたエンコーダで構成される。

第２モータＭ２の主軸には、駆動プーリー（不図示）が設けられている。この駆動プーリーと従動プーリー（不図示）とにベルト（不図示）が巻き掛けられている。これにより、第２リンク２３の回動による第２モータＭ２の回転角を第２回転角検知器Ｅ２によって検知することが可能であり、且つ、第２モータＭ２によって第２回転軸Ｒ２を回転駆動することが可能である。

さらに、第２リンク２３の適所（ここでは中央部）と第１リンク２２との間に引張コイルバネ（不図示）が設けられている。この引張コイルバネは、中心軸が第２回動軸線Ａ２と第３回動軸線Ａ３とに直交するように設けられている。また、この引張コイルバネは、第２リンク２３が基準姿勢から回動すると、その回動方向に所定のトルクを第２回転軸に対して作用させるように設計されている。この所定のトルクは、アーム部１１の第２リンク２３から先の部分及びリスト部１２の自重によって第２回転軸Ｒ２に発生するトルク（以下、重力トルクという場合がある）の一部を打ち消すようなトルクに設定されている。これにより、第２回転軸に発生する重力トルクの一部が引張コイルバネＳＰ１によって打ち消される。

第３リンク２４は、棒状の箱体に形成されていて、内部に主要な要素が収容されている。第３リンク２４の一方の端部（後端部）には、第３回転軸（不図示）が設けられている。この第３回転軸が、軸受（不図示）を介して、第２リンク２３の他方の端部に、第３回動軸線Ａ３の周りに回動自在に取り付けられている。この第３回転軸及び軸受によって、第３関節ＪＴ３が構成されており、これにより、第３リンク２４が、第２リンク２３に対し、第３回動軸線Ａ３の周りに自在に回動することが可能である。

一方、揺動部材２５は細長い板状に形成されていて、この揺動部材２５の一方の端部に、第１１回転軸（不図示）が設けられている。この第１１回転軸が、軸受（不図示）を介して、第１リンク２２の他方の端部に第２回動軸線Ａ２の周りに回動自在に取り付けられている。

また、揺動部材２５の他方の端部に第９回転軸（不図示）が設けられている。この第９回転軸が、軸受（不図示）を介して、補助リンク２６の一方の端部（ここでは上端部）に第９回動軸線Ａ９の周りに回動自在に連結されている。

また、第３リンク２４の一方の端と第３関節ＪＴ３との間の部分に第１０回転軸（ふずし）が設けられている。この第１０回転軸が、軸受（不図示）を介して、補助リンク２６の他方の端部（ここでは下端部）に第１０回動軸線Ａ１０の周りに回動自在に連結されている。なお、上述のように、補助リンク２６と第２リンク２３とは平行リンクを構成している。

さらに、第１１回転軸（不図示）には、従動プーリー（不図示）が設けられている。一方、第１リンク２２の適宜な位置に、主軸（不図示）の中心軸が第１１回動軸線Ａ１１に平行になるように、第３モータＭ３（図７参照）が設けられている。第３モータＭ３には、第３モータＭ３の回転角を検知する第３回転角検知器Ｅ３（図７参照）が設けられている。第３回転角検知器Ｅ３は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第３回転角検知器Ｅ３は、ここでは、第３モータＭ３の主軸に直結されたエンコーダで構成される。

第３モータＭ３の主軸には、駆動プーリー（不図示）が設けられている。この駆動プーリーと従動プーリーとにベルト（不図示）が巻き掛けられている。

以上の補助リンク２６に関連する構成によれば、第３リンク２４が回動すると、補助リンク２６が第２リンク２３に平行に移動し、それによって揺動部材２５が揺動し、この揺動部材２５の揺動に応じて、従動プーリー、駆動プーリー、及び第３モータＭ３が順に回転する。従って、この一連の動作により、第３リンク２４の回動による第３モータＭ３の回転角を第３回転角検知器Ｅ３によって検知することが可能である。また、この一連の動作の逆の動作により、第３モータＭ３によって第３回転軸Ｒ３を回転駆動することが可能である。

さらに、揺動部材２５と第１リンク２２との間に圧縮コイルバネ（不図示）が設けられている。この圧縮コイルバネは、常時、揺動部材を下方に回動させるトルクを発生するように設計されている。このトルクは、アーム部１１の第３リンク２４及びリスト部１２の自重によって第９回転軸に発生する重力トルクの一部を打ち消すようなトルクに設定されている。これにより、第９回転軸に発生する重力トルクの一部がこのコイルバネによって打ち消される。

｛リスト部１２｝
図４は、図３の入力装置のリスト部１２の外観を示す斜視図である。図４は、基準姿勢にあるリスト部１２を示している。図４を参照すると、リスト部１２は、例えば、追従リンク（第４リンク）７１と、第１ジンバルリンク（第５リンク）７２と、第２ジンバルリンク（第６リンク）７３と、第３ジンバルリンク（第７リンク）としての操作部７４とを備える。追従リンク７１、第１ジンバルリンク７２、第２ジンバルリンク７３、及び操作部７４は、３軸（自由度３）のジンバルを構成している。

具体的には、追従リンク７１の基端部が、第３リンク２４の先端部に対し、追従回動軸線Ａ４の周りに回動自在であり、第１ジンバルリンク７２の基端部が、追従リンク７１の先端部に対し、第１ジンバル回動軸線（第５回動軸線）Ａ５の周りに回動自在であり、第２ジンバルリンク７３の基端部が、第１ジンバルリンク７２の先端部に対し、第１ジンバル回動軸線Ａ５に直交する第２ジンバル回動軸線（第６回動軸線）Ａ６の周りに回動自在であり、且つ、操作部７４が、第２ジンバルリンク７３の先端部に対し、第２ジンバル回動軸線Ａ６に直交する第３ジンバル回動軸線（第７回動軸線）Ａ７の周りに回動自在である。

また、基準姿勢にあるリスト部１２では、第１ジンバルリンク７２が第１基準回転位置にあり、この場合、第２ジンバル回動軸線Ａ６が追従回動軸線（第４回動軸線）Ａ４と一致する。また、基準姿勢にあるリスト部１２では、第２ジンバルリンク７３が第２基準回転位置にあり、この場合、第３ジンバル回動軸線Ａ７が第１ジンバル回動軸線Ａ５に直交する。

従って、操作者は、操作部７４を、これら３つの回動軸線Ａ５～Ａ７の交点を中心に回動させて、任意の方向に向けることができる。

図３及び図４を参照すると、追従リンク７１はエルボー状（Ｌ字状）に形成されていて、この追従リンク７１の一方の端部（基準姿勢における前端部）が、第４関節ＪＴ４を介して、追従回動軸線Ａ４の周りに回動自在に第３リンク２４（図３参照）の他方の端部（基準姿勢における前端部）に連結されている。追従回動軸線Ａ４は、第３回動軸線Ａ３及び第１０回動軸線Ａ１０を含む平面に直交する。

図４を参照すると、追従リンク７１の他方の端部（基準姿勢における後端部）に、第１ジンバルリンク７２の一方の端部（基準姿勢における後端部）が、第５関節ＪＴ５を介して、追従回動軸線Ａ４に直交する第１ジンバル回動軸線Ａ５の周りに回動自在に連結されている。第１ジンバルリンク７２は、追従リンク７１より一回り小さいエルボー状（Ｌ字状）に形成されている。第１ジンバルリンク７２の他方の端部（基準姿勢における前端部）に、第２ジンバルリンク７３の一方の端部（基準姿勢における右端部）が、第６関節ＪＴ６を介して、第２ジンバル回動軸線Ａ６の周りに回動自在に連結されている。第２ジンバルリンク７３は、第１ジンバルリンク７２より一回り小さいエルボー状（Ｌ字状）に形成されている。第２ジンバルリンク７３の他方の端部（基準姿勢における左端部）に、操作部７４の一方の端部（基準姿勢における左端部）が、第７関節ＪＴ７を介して、第３ジンバル回動軸線Ａ７の周りに回動自在に連結されている。操作部７４は、棒状の本体と、この本体に設けられた一対の円筒状の指挿入部７４ａとを備える。一対の指挿入部７４ａは、操作者がこれらに親指と人差し指とを挿入し、親指と人差し指とで、あたかも物をつまんだり放したりするように一対の指挿入部７４ａを操作することができるように構成されている。

ここで、追従リンク７１は、互いに直交する追従回動軸線Ａ４及び第１ジンバル回動軸線Ａ５を含む平面上に延在し、第１ジンバルリンク７は、互いに直交する第１ジンバル回動軸線Ａ５及び第２ジンバル回動軸線Ａ６を含む平面Ａ上に延在し、且つ、第２ジンバルリンク７３は、互いに直交する第２ジンバル回動軸線Ａ６及び第３ジンバル回動軸線Ａ７を含む平面Ｂ上に延在する。この場合、第２ジンバルリンク７３が第２基準回転位置に位置すると、第２ジンバルリンク７３が延在する平面Ｂが、第１ジンバルリンク７２が延在する平面Ａに直交する。つまり、第２ジンバル回動軸線Ａ６の延在方向からみて、第２ジンバルリンク７３と第１ジンバルリンク７２との挟角が直角になる。そして、この状態から、第２ジンバルリンク７３が第１ジンバルリンク７２の近傍まで回動すると、第２ジンバルリンク７３の下端部７３ａが第１ジンバルリンク７２と干渉する。

次に、リスト部１２の詳細な構造の一例を説明する。

図５は、図４のリスト部１２の追従リンク７１及び第１ジンバルリンク７２の縦断面を示す断面図である。図６は、図４のリスト部１２の第２ジンバルリンク７３及び操作部７４の縦断面を示す断面図である。図５はリスト部１２を、第１ジンバル回動軸線Ａ５及び第２ジンバル回動軸線Ａ６を含む平面Ａで切断した断面を示し、図６はリスト部１２を、第２ジンバル回動軸線Ａ６及び第３ジンバル回動軸線Ａ７を含む平面Ｂで切断した断面を示す。

図５を参照すると、追従リンク７１は、エルボー状（Ｌ字状）の箱体に形成されていて、主要な要素が箱体の内部に収容されている。追従リンク７１の一方の端部（前端部）には、第４回転軸Ｒ４が設けられている。この第４回転軸Ｒ４が、軸受８１を介して、第３リンク２４の他方の端部（前端部）に、追従回動軸線Ａ４の周りに回動自在に取り付けられている。この第４回転軸Ｒ４及び軸受８１によって、第４関節ＪＴ４が構成されており、これにより、追従リンク７１が、第３リンク２４に対し、追従回動軸線Ａ４の周りに自在に回動することが可能である。

また、第３リンク２４の内部には、第４モータＭ４が、主軸Ｓ４の中心軸が追従回動軸線Ａ４と直交するように設けられている。第４モータＭ４には、第４モータＭ４の回転角を検知する第４回転角検知器Ｅ４が設けられている。第４回転角検知器Ｅ４は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第４回転角検知器Ｅ４は、ここでは、第４モータＭ４の主軸Ｓ４に直結されたエンコーダで構成される。第４モータＭ４の主軸Ｓ４は、ベベルギア機構Ｇ１を介して第４回転軸Ｒ４に接続されている。これにより、追従リンク７１の回動による第４モータＭ４の回転角を第４回転角検知器Ｅ４によって検知することが可能であり、且つ、第４モータＭ４によって第４回転軸Ｒ４を回転駆動することが可能である。

第１ジンバルリンク７２は、エルボー状（Ｌ字状）の箱体に形成されていて、主要な要素が箱体の内部に収容されている。第１ジンバルリンク７２の一方の端部（後端部）には、第５回転軸Ｒ５が設けられている。この第５回転軸Ｒ５が、軸受８２を介して、追従リンク７１の他方の端部（後端部）に、第１ジンバル回動軸線Ａ５の周りに回動自在に取り付けられている。この第５回転軸Ｒ５及び軸受８２によって、第５関節ＪＴ５が構成されており、これにより、第１ジンバルリンク７２が、追従リンク７１に対し、第１ジンバル回動軸線Ａ５の周りに自在に回動することが可能である。

また、追従リンク７１の内部には、第５モータＭ５が、主軸Ｓ５の中心軸が第１ジンバル回動軸線Ａ５と直交するように設けられている。第５モータＭ５には、第５モータＭ５の回転角を検知する第５回転角検知器Ｅ５が設けられている。第５回転角検知器Ｅ５は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第５回転角検知器Ｅ５は、ここでは、第５モータＭ５の主軸Ｓ５に直結されたエンコーダで構成される。第５モータＭ５の主軸Ｓ５は、ベベルギア機構Ｇ２を介して第５回転軸Ｒ５に接続されている。これにより、第１ジンバルリンク７２の回動による第５モータＭ５の回転角を第５回転角検知器Ｅ５によって検知することが可能であり、且つ、第５モータＭ５によって第５回転軸Ｒ５を回転駆動することが可能である。

さらに、追従リンク７１の適所（ここでは基準姿勢における後端部の下端部）と第５回転軸Ｒ５との間に圧縮コイルバネＳＰ２が設けられている。この圧縮コイルバネＳＰ２は、中心軸が追従回動軸線Ａ４に平行で且つ第１ジンバル回動軸線Ａ５に直交するように設けられている。また、この圧縮コイルバネＳＰ２は、第１ジンバルリンク７２が基準姿勢から回動すると、その回動方向に所定のトルクを第１ジンバルリンク７２に対して作用させるように設計されている。この所定のトルクは、リスト部１２の第１ジンバルリンクから先の部分の自重によって第５回転軸Ｒ５に発生する重力トルクの一部を打ち消すようなトルクに設定されている。これにより、第５回転軸Ｒ５に発生する重力トルクの一部が圧縮コイルバネＳＰ２によって打ち消される。

図５及び図６を参照すると、第２ジンバルリンク７３は、エルボー状（Ｌ字状）の箱体に形成されていて、主要な要素が箱体の内部に収容されている。第２ジンバルリンク７３の一方の端部（右端部）には、第６回転軸Ｒ６が設けられている。この第６回転軸Ｒ６が、軸受８３を介して、第１ジンバルリンク７２の他方の端部（前端部）に、第２ジンバル回動軸線Ａ６の周りに回動自在に取り付けられている。この第６回転軸Ｒ６及び軸受８３によって、第６関節ＪＴ６が構成されており、これにより、第２ジンバルリンク７３が、第１ジンバルリンク７２に対し、第２ジンバル回動軸線Ａ６の周りに自在に回動することが可能である。

また、第１ジンバルリンク７２の内部には、第６モータＭ６が、主軸Ｓ６の中心軸が第２ジンバル回動軸線Ａ６と直交するように設けられている。第６モータＭ６には、第６モータＭ６の回転角を検知する第６回転角検知器Ｅ６が設けられている。第６回転角検知器Ｅ６は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第６回転角検知器Ｅ６は、ここでは、第６モータＭ６の主軸Ｓ６に直結されたエンコーダで構成される。第６モータＭ６の主軸Ｓ６は、ベベルギア機構Ｇ３を介して第６回転軸Ｒ６に接続されている。これにより、第２ジンバルリンク７３の回動による第６モータＭ６の回転角を第６回転角検知器Ｅ６によって検知することが可能であり、且つ、第６モータＭ６によって第６回転軸Ｒ６を回転駆動することが可能である。

図６を参照すると、操作部７４の一方の端部（左端部）には、第７回転軸Ｒ７が設けられている。この第７回転軸Ｒ７が、軸受８４を介して、第２ジンバルリンク７３の他方の端部（左端部）に、第３ジンバル回動軸線Ａ７の周りに回動自在に取り付けられている。この第７回転軸Ｒ７及び軸受８４によって、第７関節ＪＴ７が構成されており、これにより、操作部７４が、第２ジンバルリンク７３に対し、第３ジンバル回動軸線Ａ７の周りに自在に回動することが可能である。

また、第２ジンバルリンク７３の内部には、第７モータＭ７が、主軸Ｓ７の中心軸が第３ジンバル回動軸線Ａ７と直交するように設けられている。第７モータＭ７には、第７モータＭ７の回転角を検知する第７回転角検知器Ｅ７が設けられている。第７回転角検知器Ｅ７は、回転角を検知できるものであればよく、例えば、エンコーダ、回転計等で構成される。第７回転角検知器Ｅ７は、ここでは、第７モータＭ７の主軸Ｓ７に直結されたエンコーダで構成される。第７モータＭ７の主軸Ｓ７は、ベベルギア機構Ｇ４を介して第７回転軸Ｒ７に接続されている。これにより、操作部７４の回動による第７モータＭ７の回転角を第７回転角検知器Ｅ７によって検知することが可能であり、且つ、第７モータＭ７によって第７回転軸Ｒ７を回転駆動することが可能である。

｛制御系統の構成｝
図７は、右入力装置２Ａ及び手術マニピュレータ２０２の制御系統の構成の一例を示す機能ブロック図である。

図７を参照すると、右入力装置２Ａは、入力装置制御器Ｃ１を備える。入力装置制御器Ｃ１は、例えば、右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂに共通に設けられている。入力装置制御器Ｃ１による両者の制御は同様であるので、ここでは、右入力装置２Ａに関する制御のみ説明し、左入力装置２Ｂに関する制御の説明を省略する。なお、右入力装置２Ａ及び左入力装置２Ｂに、それぞれ、入力装置制御器Ｃ１を設けてもよい。入力装置制御器Ｃ１の詳細な構成は後で説明する。入力装置制御器Ｃ１は、例えば、ハンドコントロール１００の適所に設けられる。

右入力装置２Ａでは、第１乃至第７関節ＪＴ１～ＪＴ７にそれぞれ対応する第１乃至第７モータＭ１～Ｍ７の回転角ＡＧを、それぞれ、第１乃至第７回転角検知器Ｅ１～Ｅ７が検知し、検知した第１乃至第７モータＭ１～Ｍ７の回転角ＡＧを、それぞれ、入力装置制御器Ｃ１に出力する。入力装置制御器Ｃ１は、入力された第１乃至第７モータＭ１～Ｍ７の回転角ＡＧに基づいて操作部７４の位置（位置指令信号）Ｐを生成し、この操作部７４の位置Ｐをマニピュレータ制御器Ｃ２に出力する。また、入力装置制御器Ｃ１は、入力された第１乃至第７モータＭ１～Ｍ７の回転角ＡＧに基づいて駆動電流ＣＲを第１乃至第７モータＭ１～Ｍ７に、それぞれ、出力する。

手術マニピュレータ２０２では、アーム部４０１のリンク４０４及び手術ツール４０２を連結する１以上の関節にそれぞれ対応する１以上のモータＭ２０２の回転角を、それぞれ、１以上の回転角検知器Ｅ２０２が検知し、検知した１以上のモータＭ２０２の回転角を、それぞれ、マニピュレータ制御器Ｃ２に出力する。マニピュレータ制御器Ｃ２は、入力装置制御器Ｃ１から入力された操作部７４の位置（位置指令信号）Ｐに基づいて、手術ツール４０２が操作部７４の位置に対応する位置に位置するような駆動電流を１以上のモータＭ２０２に出力する。これにより、手術ツール４０２が操作部７４の位置に対応する位置に位置するようにリンク４０４の動作が制御される。この際、１以上の回転角検知器Ｅ２０２が検知する回転角が、手術ツール４０２の位置をフィードバック制御するために用いられる。

なお、入力装置２Ａの操作部７４の姿勢及び動作が、別途、適宜なセンサ（不図示）により検知され、入力装置制御器Ｃ１を経由してマニピュレータ制御器Ｃ２に入力される。マニピュレータ制御器Ｃ２は、手術ツール４０２が、入力装置２Ａの操作部７４の姿勢に対応する姿勢を取るとともに入力装置２Ａの操作部７４の動作に対応する動作を行うよう手術ツール０２を制御する。マニピュレータ制御器Ｃ２は、例えば、ハンドコントロール１００の適所に設けられる。

＜入力装置制御器Ｃ１＞
＊ジンバルリンク干渉防止制御に関する構成＊
図８は、図７の入力装置制御器のジンバルリンク干渉防止制御に関する構成の一例を示す機能ブロック図である。

図８を参照すると、ジンバルリンク干渉防止制御に関する構成は、位置制御部５０１と、加減算部５０２と、速度制御部５０３と、加減算部５０５と、サーボアンプ（電力変換器）５０６と、微分部５０７と、ＦＦ速度指令生成部５０８と、微分部５０９と、を備える。

位置制御部５０１、加減算部５０２、速度制御部５０３、重力補償部５０４、加減算部５０５、微分部５０７、ＦＦ速度指令生成部５０８、及び微分部５０９は、例えば、プロセッサ（不図示）とメモリ（不図示）とを有する演算器（不図示）で構成される。演算器として、マイクロコントローラ等が例示される。プロセッサとして、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等が例示される。メモリとして、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のプロセッサの内部メモリ、ハードディスクドライブ等の外部メモリが例示される。

位置制御部５０１、加減算部５０２、速度制御部５０３、重力補償部５０４、加減算部５０５、微分部５０７、ＦＦ速度指令生成部５０８、及び微分部５０９は、演算器のメモリに格納された所定の制御プログラムを演算器のプロセッサが読み出して実行することによって実現される機能ブロックである。実際には、当該演算器が、位置制御部５０１、加減算部５０２、速度制御部５０３、重力補償部５０４、加減算部５０５、微分部５０７、ＦＦ速度指令生成部５０８、及び微分部５０９として動作する。

なお、位置制御部５０１、加減算部５０２、速度制御部５０３、重力補償部５０４、加減算部５０５、微分部５０７、ＦＦ速度指令生成部５０８、及び微分部５０９を電子回路等のハードウェアで構成してもよい。また、入力装置制御器Ｃ１は、単独の演算器で構成されてもよく、複数の演算器で構成されてもよい。

＊重力補償＊
まず、重力補償に関する構成について説明する。重力補償部５０４は、入力された第１乃至第７モータＭ１～Ｍ７の回転角ＡＧに基づいてマスターアーム１０の姿勢を求め、当該姿勢によって各関節ＪＴ１～ＪＴ７の各回転軸Ｒ１～Ｒ７に発生する重力トルクを打ち消す重力打消しトルクを演算する。この場合、重力補償部５０４は、得られた姿勢から回転軸Ｒ１～Ｒ７毎に定まる重力トルクをそれぞれ演算する。そして、コイルバネが設けられている関節ＪＴ２、ＪＴ３、ＪＴ５においては、重力トルクからコイルバネが発生するトルクを差し引いたトルクと反対方向のトルクを重力打消しトルクとし、コイルバネが設けられていない関節ＪＴ１、ＪＴ４、ＪＴ６、ＪＴ７においては、重力トルクと反対方向のトルクを重力打消しトルクとする。これらの第１乃至第７関節ＪＴ１～ＪＴ７の重力打消しトルクが重力補償量である。重力補償部５０４は、第１乃至第７関節ＪＴ１～ＪＴ７の重力補償量を、当該重力補償量の重力補償を行うための重力補償電流指令Ｉｇとして送出する。

＊ジンバルリンク干渉防止制御＊
次に、ジンバルリンク干渉防止制御に関する構成について説明する。操作部７４が操作されて第６関節ＪＴ６が回動する（第２ジンバルリンク７３が回動する）と、第６関節ＪＴ６に動力伝達機構を介して接続された第６モータＭ６が回転する。この回転を第６回転角検知器Ｅ６が検知し、検知した回転角ＡＧ６を出力する。位置制御部５０１は、この回転角ＡＧ６の第２基準回転位置からの偏差を算出し、これを速度指令ｖ１に変換する。

一方、微分部５０９が第６回転角検知器Ｅ６からの回転角ＡＧ６を微分して回転角速度ｖｆ６を生成する。ＦＦ速度指令生成部５０８は、この回転角速度ｖｆ６に基づいてフィードフォワード制御用の速度指令ｖ２を生成する。

一方、第４関節（追従リンク７１）を駆動する第４モータＭ４の回転を第４回転角検知器Ｅ４が検知し、検知した回転角ＡＧ４を出力する。この回転角ＡＧ４を微分部５０７が微分してフィードバック回転角速度ｖｆ４を出力する。

加減算部５０２が、速度指令ｖ１とフィードフォワード制御用の速度指令ｖ２とを加算し、これらからフィードバック回転角速度ｖｆ４を減算して、速度偏差ｖｅを生成する。速度制御部５０３が、速度偏差ｖｅに基づいて電流指令Ｉｃを生成する。

一方、電流センサＣＳが、サーボアンプ５０６が出力する駆動電流ＣＲを検知し、この検知した駆動電流をフィードバック電流Ｉｆとして出力する。加減算部５０５が、この電流指令Ｉｃと重力補償電流指令Ｉｇとを加算し、これらからフィードバック電流Ｉｆを減算して、電流偏差Ｉｅを生成する。サーボアンプ５０６が、この電流偏差Ｉｅに基づいて駆動電流ＣＲを第４モータＭ４に出力する。第４モータＭ４が、この駆動電流によって動作し、それによって、第４関節ＪＴ４、ひいては追従リンク７１を駆動する。

これにより、追従リンク７１が、第２ジンバルリンク７３が第２基準回転位置に位置するように回動する。その際、追従リンク７１が重力補償される。

＊位置制御部５０１の構成＊
次に、位置制御部５０１の構成を詳しく説明する。図９は、図８の位置制御部５０１の構成を示すブロック図である。

図９を参照すると、位置制御部５０１は、減算部５２０と、減速比補正部５２１と、１次フィルタ５２２と、不感帯部５２３と、第１スイッチ部５２４と、第２スイッチ部５２５と、移動平均部５２６とを備える。

減算部５２０は、第６回転角検知部Ｅ６からの回転角ＡＧ６から第２ジンバルリンク７３の第２基準回転位置の回転角ＡＧ６（０）を減算し、第２ジンバルリンク７３の回転位置偏差を生成する。ここで、第２基準回転位置の回転角ＡＧ６（０）は０度である。

減速比補正部５２１は、この回転位置偏差を、減速比補正して、第４関節ＪＴ４の減速比に相当する回転位置偏差に変換する。本実施形態では、第６関節ＪＴ６の減速比と第４関節ＪＴ４の減速比とが異なる。従って、第６関節ＪＴ６において第２ジンバルリンク７３が１回転した場合に第６回転角検知器Ｅ６が検知する回転角ＡＧ６と、第４関節ＪＴ４において追従リンク７１が１回転した場合に第４回転角検知器Ｅ４が検知する回転角ＡＧ４とは、第６関節ＪＴ６の減速比をＲＲ６と表し、第４関節ＪＴ４の減速比をＲＲ４と表すと、第６関節ＪＴ６の減速比ＲＲ６の逆比（１／ＲＲ６）と第４関節ＪＴ４の減速比ＲＲ４の逆比（１／ＲＲ４）との比率に対応して相違する。そこで、この相違を補正するために、この回転位置偏差に減速比補正が施される。具体的には、この回転位置偏差に、ＲＲ６／ＲＲ４が乗算される。

次に、１次フィルタ５２２は、この位置偏差から高周波成分を除去する。なお、高周波成分は、入力装置２毎に異なるので、１次フィルタ５２２の時定数を調整できるようにしてもよい。この場合、例えば、入力部（不図示）から所望の時定数が入力装置制御器Ｃ１に入力されると、入力装置制御器Ｃ１が１次フィルタ５２２の時定数を入力された時定数に変更するように構成してもよい。

次いで、この位置偏差は、不感帯部５２３を通される。不感帯部５２３は、当該位置偏差が微小である場合（第２ジンバルリンク７３の動作が微小である場合）におけるチャタリングを防止する。不感帯部５２３を通過した位置偏差は、第１スイッチ部５２４及び第２スイッチ部５２５を通される。第１スイッチ部５２４は、操作中フラグｆ１がＯＮするとＯＮし、操作中フラグｆ１がＯＦＦするとＯＦＦする。第２スイッチ部５２５は、動作範囲フラグｆ２がＯＮするとＯＮし、動作範囲フラグｆ２がＯＦＦするとＯＦＦする。

操作中フラグｆ１は、操作部７４が操作されていること示すフラグである。第２ジンバルリンク７３の前回の回転位置（前回のサンプリングにおける回転位置）に対する現在の回転位置（今回のサンプリングにおける回転位置）の差分が、所定の変化閾値（例えば、１．０度）を超えると、操作中であると判定される。操作中フラグｆ１を設ける理由は以下の通りである。

上述のように、操作部７４の操作により第２ジンバルリンク７３が回動すると、第２ジンバルリンク７３が第２基準回転位置に位置するように追従リンク７１が回動するのであるが、操作を停止した場合に、微小な第２ジンバルリンク７３の回転位置偏差が残っていると、追従リンク７１が回動し続けるため、操作者が違和感を覚える。そこで、操作中フラグｆ１を設け、操作部７４が操作されている場合に追従リンク７の回転位置のフィードバック制御が行われ、操作が停止されると、追従リンク７１の回転位置のフィードバック制御が停止されて追従リンク７１が停止するようにし、操作者が違和感を覚えるのを防止する。

動作範囲フラグｆ２は、追従リンク７１が所定の動作範囲にあることを示すフラグである。本実施形態では、追従リンク７１に構造上の可動範囲が存在するので、その可動範囲を超えないように追従指令を与える必要がある。そこで、第２ジンバルリンク７３の干渉防止のために追従リンク７１が追従すべき回転範囲を、動作範囲として設定したものである。なお、追従リンク７１に構造上の可動範囲が存在しない場合であっても、必要に応じて動作範囲フラグｆ２を設けてもよい。この動作範囲は、入力装置２の仕様等に基づいて適宜決定される。

移動平均部５２６は、第１スイッチ部５２４及び第２スイッチ部５２５を通過した位置偏差を移動平均する。これにより、第１スイッチ部５２４又は第２スイッチ部５２５が動作した場合に生じる位置偏差の不連続が連続化される。この移動平均された位置偏差ｘｅに所定のゲインを乗じることによって速度指令ｖ１が生成される。

＊ＦＦ速度指令生成部５０８の構成＊
次に、ＦＦ速度指令生成部５０８の構成を詳しく説明する。図１０は、図８のＦＦ速度指令生成部５８の構成を示すブロック図である。

図１０を参照すると、ＦＦ速度指令生成部５０８は、不感帯部５３１と、第３スイッチ部５３２と、第１乗算部５３３と、１次フィルタ５３４と、第２乗算部５３５と、減速比補正部５３６と、第３乗算部５３７と、を備える。

微分部５０９からの回転角速度（第２ジンバルリンク７３の回転速度）ｖｆ６は、不感帯部５３１を通される。不感帯部５３１は、回転角速度ｖｆ６が微小である場合、換言すると、操作部７４の操作が遅い場合に、速度フィードフォワード制御を無効にする。不感帯部５３１を通過した回転角速度ｖｆ６は、第３スイッチ部５３２を通される。第３スイッチ部５３２は、動作範囲フラグｆ２がＯＮするとＯＮし、動作範囲フラグｆ２がＯＦＦするとＯＦＦする。

第１乗算部５３３は、第３スイッチ部５３２を通過した回転角速度ｖｆ６に連続化係数を乗じる。図１２は、追従リンク７１の回転角（位置）と位置フィードバック制御ループへの速度フィードフォワード制御の入力の第１調整係数である連続化係数との関係を示すグラフである。図１２において、横軸は、追従リンク７１の回転角（位置）を示し、縦軸は連続化係数を示す。

図１２を参照すると、連続化係数は、０から１．０までの値を取る。連続化係数は、例えば、追従リンク７１の動作下限の近傍において、追従リンク７１の回転角が動作下限から大きくなるに連れて０から１．０まで増大し、追従リンク７１の回転角が動作上限の近傍まで大きくなる間において１．０の値を取り、動作上限の近傍において、追従リンク７１の回転角が動作上限まで大きくなるに連れて１．０から０まで減少する。なお、図１２には、追従リンク７１の動作下限近傍及び動作上限近傍において連続化係数が直線的に変化するように示されているが、連続化係数は、単調に変化すればよく、曲線的に変化してもよい。

第１乗算部５３３には、第４関節ＪＴ４の第４回転角検知器Ｅ４が検知する追従リンク７１の回転角（回転位置）ＡＧ４が入力されていて、第１乗算部５３３は、この回転角ＡＧ４に基づいて連続化係数を決定し、この決定した連続化係数を、第３スイッチ部５３２を通過した回転角速度ｖｆ６に乗じる。

従って、追従リンク７１が動作下限外から動作範囲内に入って第３スイッチ部５３２がＯＮすると、回転角速度ｖｆ６は０から本来の値まで上昇する。また、追従リンク７１が動作上限外から動作範囲内に入って第３スイッチ部５３２がＯＮすると、回転角速度ｖｆ６は０から本来の値まで上昇する。すなわち、追従リンク７１が動作範囲の外から内に回動した際において、位置フィードバック制御ループへの速度フィードフォワード制御の入力が連続化される。これにより、追従リンク７１が動作範囲の外から内に回動した際に、フィードフォワード制御による第２ジンバルリンク７３の回転速度の加算量（位置フィードバック制御ループへの速度フィードフォワード制御の入力）が急激に変化して、操作者が操作に違和感を覚えることを防止できる。

１次フィルタ５３４は、この連続化係数が乗算された回転角速度ｖｆ６から高周波成分を除去する。なお、高周波成分は、入力装置２毎に異なるので、１次フィルタ５３４の時定数を調整できるようにしてもよい。この場合、例えば、入力部（不図示）から所望の時定数が入力装置制御器Ｃ１に入力されると、入力装置制御器Ｃ１が１次フィルタ５３４の時定数を入力された時定数に変更するように構成してもよい。

次いで、第２乗算部５３５は、この回転角速度ｖｆ６にＦＦ調整係数を乗じる。図１３は、第１ジンバルリンク７２の回転角と位置フィードバック制御ループへの速度フィードフォワード制御の入力の第２調整係数であるＦＦ調整係数との関係を示すグラフである。図１３において、横軸は、第１ジンバルリンク７２の回転角（回転位置）を示し、縦軸は、ＦＦ調整係数を示す。

図４及び図１３を参照すると、第１ジンバルリンク７２の回転において、第２基準回転位置を０度として、時計回り方向に、最小回転角、最大回転角、及び＋９０度が定義され、反時計回り方向に、－最小回転角、－最大回転角、及び－９０度が定義される。ＦＦ調整係数は、０から１．０までの値を取る。ＦＦ調整係数は、第１ジンバルリンク７２が時計回りに最小回転角まで回転する間は１．０の値を取り、第１ジンバルリンク７２が最小回転角から最大回転角まで回転するに連れて最小係数（例えば０．３３）まで直線的に減少し、第１ジンバルリンク７２が最大回転角から＋９０度の近傍まで回転する間は最小係数の値を取り、＋９０度の近傍において、第１ジンバルリンク７２が＋９０度まで回転するに連れて最小係数から０まで直線的に減少する。また、ＦＦ調整係数は、第１ジンバルリンク７２が反時計回りに－最小回転角まで回転する間は１．０の値を取り、第１ジンバルリンク７２が－最小回転角から－最大回転角まで回転するに連れて最初係数まで直線的に減少し、第１ジンバルリンク７２が－最大回転角から－９０度の近傍まで回転する間は最小係数の値を取り、－９０度の近傍において、第１ジンバルリンク７２が－９０度まで回転するに連れて最小係数から０まで直線的に減少する。第１ジンバルリンク７２の回転角度の絶対値９０度以上になると、追従リンク７１が、第２ジンバルリンク７３の干渉を回避する方向と逆方向に回動してしまうため、第１ジンバルリンク７２の回転角度の絶対値９０度以上では、ＦＦ調整係数が０にされる。最小係数、最小回転角、最大回転角は、パラメータとなっており、入力装置制御器Ｃ１の入力部（不図示）を介して調整することが可能である。なお、図１３のＦＦ調整係数の変化は一例であり、第１ジンバルリンク７２の回転位置（回転角）に対するＦＦ調整係数の変化は、これには限定されない。ＦＦ調整係数は、第１ジンバルリンク７２の回転位置（回転角）の－９０°から＋９０°までの変化に対し、ゼロから単調に増加した後、ゼロまで単調に減少するように変化すればよい。

第２乗算部５３５には、第５関節ＪＴ５の第５回転角検知器Ｅ５が検知する第１ジンバルリンク７２の回転角（回転位置）ＡＧ５が入力されていて、第１乗算部５３３は、この回転角ＡＧ５に基づいてＦＦ調整係数を決定し、この決定したＦＦ調整係数を、第３スイッチ部５３２を通過した回転角速度ｖｆ６に乗じる。

ところで、操作部７４の操作により第１基準回転位置からの第１ジンバルリンク７２の回転角が大きくなると、第２ジンバルリンク７３の第２基準回転位置からの回転に伴う追従リンク７１の追従回動軸線Ａ４周りの回転量が大きくなり、その際に追従リンク７１の回転速度が速いと、操作者が操作に違和感を覚える。

このことを詳しく説明する。図１４は、第１ジンバルリンク７２が第１基準回転位置から＋４５°回転した場合のリスト部１２の状態を示す斜視図である。図１５は、第１ジンバルリンク７２が第１基準回転位置から＋９０°回転した場合のリスト部１２の状態を示す斜視図である。図１４及び図１５において、参照符号ＰＲ６は、第２ジンバルリンク７３の回動面に平行な平面を示し、参照符号ＰＲ４は、追従リンク７１の回動面に平行な平面を示す。

まず、図４を参照すると、リスト部１２の基準姿勢においては、第１ジンバルリンク７２が第１基準回転位置にある。この状態では、第２ジンバルリンク７３の回動軸線である第２ジンバル回動動軸線Ａ６が追従リンク７１の回動軸線である追従回動軸線Ａ４に一致している。従って、操作部７４の操作により第ジンバルリンク７３が第２基準回転位置から回転角θだけ回動すると、追従リンク７１が当該回動と同じ方向に、当該角度θと同じ回転角だけ回動する。

次に、図１４を参照すると、図１４のリスト部１２の状態では、第１ジンバルリンク７２が第１基準回転位置から＋４５°回転した回転位置にある。この状態では、第２ジンバル回動動軸線Ａ６が追従回動軸線Ａ４に対し４５°傾いており、そのため、第２ジンバルリンク７３の回動面（平面ＰＲ６に平行な平面）が、追従リンク７１の回動面（平面ＰＲ４に平行な平面）に対し４５°傾いている。従って、操作部７４の操作により第２ジンバルリンク７３が、第２基準回転位置から回転角θだけ回動すると、追従リンク７１が当該回動面に対し４５°傾いた回動面において、当該回転角θ以上の回転角まで回動する。

次に、図１５を参照すると、図１５のリスト部１２の状態では、第１ジンバルリンク７２が第１基準回転位置から＋９０°回転した回転位置にある。この状態では、第２ジンバル回動動軸線Ａ６が追従回動軸線Ａ４に対し９０°傾いており、そのため、第２ジンバルリンク７３の回動面（平面ＰＲ６に平行な平面）が、追従リンク７１の回動面（平面ＰＲ４に平行な平面）に対し９０°傾いている。従って、操作部７４の操作により第２ジンバルリンク７３が、第２基準回転位置から回転角θだけ回動すると、追従リンク７１が当該回動面に対し９０°傾いた回動面において、当該回転角θより相当大きい回転角まで回動する。

その際に、追従リンク７１の回転速度が速いと、操作者が操作に違和感を覚える。

この第２乗算部５３５によれば、操作部７４の操作により第１基準回転位置からの第１ジンバルリンク７２の回転角が大きくなると、追従リンク７１の追従回動軸線Ａ４周りの回転角速度が抑制されるので、操作者が操作に違和感を覚えることを抑制できる。

減速比補正部５３６は、このＦＦ調整係数が乗算された回転角速度ｖｆ６を、減速比補正して、第４関節ＪＴ４の減速比（ＲＲ４）に相当する回転角速度に変換する。この減速比補正は、上述の減速比補正部５２１の場合と同様である。

第３乗算部５３７は、この変換された回転角に所定のゲインを乗じてフィードフォワード制御の速度指令ｖ２を生成する。
［動作］
まず、右入力装置２Ａ及び手術マニピュレータ２０２の動作を説明する。

図３及び図４を参照すると、操作者は、例えば、右入力装置２Ａの操作部７４の一対の指挿入部７４ａに親指と人差し指とを挿入する。そして、操作者が、操作部７４を左右に動かすと、アーム部１１が、第１関節ＪＴ１の第１回動軸線Ａ１を中心に左右に回動する。操作者が操作部７４を前後に動かすと、アーム部１１が、第２関節ＪＴ２の第２回動軸線Ａ２を中心に前後に回動する。操作者が、操作部７４を上下に動かすと、アーム部１１が、第３関節ＪＴ３の第３回動軸線Ａ３を中心に上下に回動する。操作者が、リスト部１２を左右に回転させると、リスト部１２が、第４関節ＪＴ４の追従回動軸線Ａ４を中心に左右に回動する。操作者が、操作部７４の向き（姿勢）を変えるように操作部７４を操作すると、操作部７４がその変えようとする向きに動く（姿勢を取る）。従って、操作者は、入力装置２Ａを意図するように操作することができる。

右入力装置２Ａの操作部７４が操作されると、この操作が入力装置制御器Ｃ１によって位置指令信号Ｐに変換され、マニピュレータ制御器Ｃ２が、この位置指令信号Ｐに従って、手術マニピュレータ２０２の選択されたアーム部４０１の手術ツール４０２が操作部７４に対応する位置に位置するように当該選択されたアーム部４０１の動作を制御する。これにより、手術マニピュレータ２０２選択されたアーム部４０１が、操作者による右入力装置２Ａの操作に従って動作する。アーム部４０１の選択は、ハンドコントロール１００のペダル４を操作することによって行われる。なお、左入力装置２Ｂの動作もこれと同様である。

次に、ジンバルリンク干渉防止制御を説明する。この制御は、上述のプロセッサが上述のメモリに記憶された制御プログラムを読み出して実行することによって遂行される。図１１は、ジンバルリンク干渉防止制御を示すフローチャートである。以下では、リスト部１２が図４に示す基準姿勢において、操作部７４が操作された場合について説明する。

図１１を参照すると、入力装置制御器Ｃ１は、まず、第２ジンバルリンク７３の回転位置偏差が回転偏差閾値より大きいか否か判定する（ステップＳ１）。この回転偏差閾値は、例えば１．０度とされる。このステップＳ１の結果に応じて、位置制御部５０１の不感帯部５２３が動作する。

第２ジンバルリンク７３の回転位置偏差が回転偏差閾値より大きくない場合（ステップＳ１でＮＯ）、操作中フラグｆ１及び動作範囲フラグｆ２がＯＦＦされ（ステップＳ９，１０）、位置制御部５０１の第１スイッチ部５２４及び第２スイッチ部５２５並びにＦＦ速度指令生成部５０８の第３スイッチ部５３２がＯＦＦし、この制御が終了する。

一方、第２ジンバルリンク７３の回転位置偏差が回転偏差閾値以上である場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、入力装置制御器Ｃ１は、第２ジンバルリンク７３の回転位置変化が変化閾値より大きいか否か判定する（ステップＳ２）。回転位置変化は、第２ジンバルリンク７３の前回の回転位置に対する現在の回転位置の差分である。

第２ジンバルリンク７３の回転位置変化が変化閾値より大きくない場合、入力装置制御器Ｃ１は、カウンタのカウントを開始する（ステップＳ７）。そして、カウント値が閾値（例えば、１０００ｍｓ）を超えるか否か判定する（ステップＳ８）。このカウントは、第２ジンバルリンク７３の回転位置変化が変化閾値を超えると停止される（ステップＳ４）。カウント値が閾値を超えない場合（ステップＳ８でＮＯ）、１秒（１０００ｍｓ）以内に操作があっため、操作されたと判定し、ステップＳ２に戻る。一方、カウント値が閾値以上になった場合（ステップＳ８でＹＥＳ）、１秒以上操作がなく、操作が停止されたと判定し、操作中フラグｆ１及び動作範囲フラグｆ２がＯＦＦされ（ステップＳ９，１０）、この制御が終了する。

一方、ステップＳ２で、第２ジンバルリンク７３の回転位置変化が変化閾値より大きい場合（ステップＳ２でＹＦＳ）、入力装置制御器Ｃ１は、操作中であると判定し、操作中フラグｆ１をＯＮし（ステップＳ３）、且つ、カウンタのカウント値を０にする（ステップＳ４）。これにより、位置制御部５０１の第１スイッチ部５２４がＯＮする。

次いで、入力装置制御器Ｃ１は、追従リンク７１が動作範囲にあるか否か判定する（ステップＳ５）。追従リンク７１が動作範囲にない場合（ステップＳ５でＮＯ）、動作範囲フラグｆ２がＯＦＦし（ステップＳ１）、この制御が終了する。

一方、追従リンク７１が動作範囲にある場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、入力装置制御器Ｃ１は、動作範囲フラグｆ２をＯＮする（ステップＳ６）。

これにより、位置制御部５０１の第２スイッチ部５２５及びＦＦ速度指令生成部５０８の第３スイッチ部５３２がＯＮし、位置フィードバック制御及びフィードフォワード制御が行われる。その結果、操作部７４の操作によって、第２ジンバルリンク７３が第１ジンバルリンク７２に向かって回動しても、追従リンク７１の回動によって第２ジンバルリンク７３と第１ジンバルリンク７２との挟角が直角になるように第１ジンバルリンク７２が逃げるので、第２ジンバルリンク７３が第１ジンバルリンク７２と干渉することを防止することができる。

また、操作部７４の操作により第２ジンバルリンク７３が速い速度で動作した場合にも、追従リンク７１を素早く追従させて、第２ジンバルリンク７３と第１ジンバルリンク７２との干渉を防止することができる。

なお、リスト部１２が、図１４又は図１５に示すように、第１ジンバルリンク７１が第１基準回転位置から回転した状態にある場合も、追従リンク７１の回動量が大きくなり、且つその際に追従リンク７１の回転速度が抑制される場合がある以外は、上記と同様である。

また、各関節ＪＴ１～ＪＴ７毎に重力補償がなされる。

（その他の実施形態）
上記実施形態において、重力補償部５０４を省略してもよい。

上記説明から、当業者にとっては、多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきである。

本発明の手術マニピュレータの入力装置は、リスト部のジンバルを構成するリンク同士の干渉を防止できる手術マニピュレータの入力装置として有用である。

１ 本体
２ 入力装置
２Ａ 右入力装置
２Ｂ 左入力装置
３ 支持部材
４ ペダル
５ 表示部
１０ マスターアーム
１１ アーム部
１２ リスト部
２１ 基体
２２ 第１リンク
２３ 第２リンク
２４ 第３リンク
２５ 揺動部材
２６ 補助リンク
７１ 追従リンク
７２ 第１ジンバルリンク
７３ 第２インバルリンク
７４ 操作部
７４ａ 指挿入部
８１～８４ 軸受
１００ ハンドコントロール
２００ ロボット支援手術システム
２０１ ポジショナ
２０２ 手術マニピュレータ
２０３ 手術台
２０４ 患者
４０１ アーム部
４０２ 手術ツール
４０４ リンク
５０１ 位置制御部
５０４ 重力補償部
５０８ ＦＦ速度指令生成部
Ａ１～Ａ３ 第１乃至第３回動軸線
Ａ４ 追従回動軸線
Ａ５～Ａ７ 第１乃至第３ジンバル回動軸線
ＡＧ 回転角
ＣＲ 駆動電流
Ｅ１～Ｅ７ 第１乃至第７回転角検知器
Ｇ１～Ｇ４ べベルギア機構
ＪＴ１～ＪＴ７ 第１乃至第７関節
Ｍ１～Ｍ７ 第１乃至第７モータ
Ｐ 操作部の位置

Claims (7)

1. 関節を有するアーム部と、
   追従回動軸線の周りに回動自在に基端部が前記アーム部の先端部に連結された追従リンクと、前記追従回動軸線に直交する第１ジンバル回動軸線の周りに回動自在に基端部が前記追従リンクの先端部に連結された第１ジンバルリンクと、前記第１ジンバル回動軸線に直交し且つ前記第１ジンバルリンクが第１基準回転位置にある場合に前記追従回動軸線と一致する第２ジンバル回動軸線の周りに回動自在に基端部が前記第１ジンバルリンクの先端部に連結された第２ジンバルリンクと、前記第２ジンバル回動軸線に直交し且つ前記第２ジンバルリンクが第２基準回転位置にある場合に前記第１ジンバル回動軸線と直交する第３ジンバル回動軸線の周りに回動自在に基端部が前記第２ジンバルリンクの先端部に連結された第３ジンバルリンクである操作部と、を備えるリスト部と、
   前記追従リンクの基端部を前記追従回動軸線の周りに回動させるモータと、
   前記モータの動作を制御することによって、前記第２ジンバルリンクの回転位置の前記第２基準回転位置に対する回転位置偏差を前記追従リンクの回転位置偏差として、前記追従リンクの回転位置をフィードバック制御するよう構成された制御器と、を備える、手術マニピュレータの入力装置。
2. 前記制御器は、前記操作部が操作されているか否か判定し、前記操作部が操作されていると判定した場合に、前記フィードバック制御を行うよう構成されている、請求項１に記載の手術マニピュレータの入力装置。
3. 前記制御器は、前記追従リンクが所定の動作範囲内にあるか否か判定し、前記追従リンクが所定の動作範囲内にあると判定した場合に、前記フィードバック制御を行うよう構成されている、請求項１又は２に記載の手術マニピュレータの入力装置。
4. 前記制御器は、前記第２ジンバルリンクの回転速度を、前記追従リンクの回転位置のフィードバック制御における速度指令に加算するフィードフォワード制御を行うよう構成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の手術マニピュレータの入力装置。
5. 前記制御器は、前記追従リンクが所定の動作範囲内にあるか否か判定し、前記追従リンクが所定の動作範囲内にあると判定した場合に、前記フィードフォワード制御を行うよう構成されている、請求項４に記載の手術マニピュレータの入力装置。
6. 前記制御器は、前記フィードフォワード制御において、前記追従リンクの所定の動作範囲の限界近傍において、前記フィードバック制御における速度指令への前記第２ジンバルリンクの回転速度の加算量が、前記追従リンクが動作限界に向かうに連れて徐々に減少するように、当該第２ジンバルリンクの回転速度の加算量を調整するよう構成されている、請求項５に記載の手術マニピュレータの入力装置。
7. 前記制御器は、前記フィードフォワード制御において、前記フィードバック制御における速度指令への前記第２ジンバルリンクの回転速度の加算量が、前記第１ジンバルリンクの回転位置の前記第１基準回転位置に対する回転位置偏差の絶対値が０度から９０度に近づくに連れてゼロに向かって減少するように当該第２ジンバルリンクの回転速度の加算量を調整するよう構成されている、請求項５又は６に記載の手術マニピュレータの入力装置。

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