(57)【要約】医療用マニピュレータ２０Ａは、基端部２２Ａがベース１６に固定された保持部２１Ａと、保持部の先端部２３Ａに固定される固定部５１Ａ、および術具２００の処置部３０３が固定部に対して移動可能に構成された位置決め部２４Ａと、位置決め部における基準位置の姿勢を検出する基準姿勢検出部２７Ａと、固定部に対して処置部を移動させるための駆動部２８Ａと、基準位置に対する処置部の角度変位を含む移動量を検出し、基準姿勢検出部が検出した基準位置の姿勢から、自身が検出した角度変位だけ移動させた姿勢を、処置部における姿勢として算出する変位検出部と、を備える。
2013018908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端部がベースに固定された保持部と、
前記保持部の先端部に固定される固定部、および術具の処置部が前記固定部に対して移動可能に構成された位置決め部と、
前記位置決め部における基準位置の姿勢を検出する基準姿勢検出部と、
前記固定部に対して前記処置部を移動させるための駆動部と、
前記基準位置に対する前記処置部の角度変位を含む移動量を検出し、前記基準姿勢検出部が検出した前記基準位置の姿勢から、自身が検出した角度変位だけ移動させた姿勢を、前記処置部における姿勢として算出する変位検出部と、
を備えることを特徴とする医療用マニピュレータ。
【請求項２】
前記位置決め部は、前記術具が着脱可能な着脱部を有し、
前記駆動部は、
前記固定部に対して前記着脱部を移動させる着脱部駆動部と、
前記着脱部に対して前記処置部を移動させる処置部駆動部とから構成され、
前記変位検出部は、
前記固定部に対する前記着脱部の角度変位を含む移動量を検出する着脱位置検出部と、
前記着脱部に対する前記処置部の角度変位を含む移動量を検出する処置部位置検出部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項３】
前記保持部は、
前記基端部に対する前記先端部の位置を調節可能な調節モードと、
前記基端部に対する前記先端部の位置を固定した固定モードとの間で切り替え可能である請求項１又は２に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項４】
前記基準位置は、前記固定部に設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項５】
前記基準姿勢検出部は、検出した前記基準位置の姿勢を無線通信により前記処置部初期位置検出部に送信することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に記載の医療用マニピュレータと、
使用者からの入力に基づいて操作指令を発する入力部と、
前記操作指令に基づいて前記駆動部を制御する駆動部制御部と、
を備える手術支援装置であって、
前記変位検出部は、前記基準位置に対する前記処置部の単位時間当たりの位置の変化量を検出し、
前記駆動部制御部は、
前記操作指令に表される前記処置部の前記単位時間当たりの目標位置の変化量を算出する目標変化量算出工程と、
前記処置部が前記単位時間当たりに前記目標位置の変化量だけ移動するように前記駆動部を制御する移動工程と、
を組にして繰り返すことを特徴とする手術支援装置。
【請求項７】
前記変位検出部は、前記基準位置に対する前記処置部の単位時間当たりの姿勢の変化量を検出し、
前記駆動部制御部は、
前記目標変化量算出工程において、前記操作指令に表される前記処置部の前記単位時間当たりの目標姿勢の変化量を算出し、
前記移動工程において、前記処置部が前記単位時間当たりに前記目標姿勢の変化量だけ移動するように前記駆動部を制御することを特徴とする請求項６に記載の手術支援装置。
【請求項８】
請求項１から５の何れか１項に記載の医療用マニピュレータと、
使用者からの入力に基づいて操作指令を発する入力部と、
前記操作指令に基づいて前記駆動部を制御する駆動部制御部と、
を備える手術支援装置であって、
前記変位検出部は、前記基準位置に対する前記処置部の単位時間当たりの姿勢の変化量を検出し、
前記駆動部制御部は、
前記操作指令に表される前記処置部の前記単位時間当たりの目標姿勢の変化量を算出する目標変化量算出工程と、
前記処置部が前記単位時間当たりに前記目標姿勢の変化量だけ移動するように前記駆動部を制御する移動工程と、
を組にして繰り返すことを特徴とする手術支援装置。
【請求項９】
光軸に沿った外方の画像を取得するための観察部が設けられた内視鏡と、
前記画像を表示するための表示部と、
を備え、
前記駆動部制御部は、前記入力部が発する前記操作指令を、
前記処置部の先端側を向く第一の直交座標系から前記観察部の前記光軸に沿って先端側を向く第二の直交座標系に変換する変換行列で変換して変換操作指令を算出し、前記変換操作指令に基づいて前記駆動部を制御することを特徴とする請求項６から８の何れか１項に記載の手術支援装置。
【請求項１０】
請求項１から５の何れか１項に記載の医療用マニピュレータを第一の医療用マニピュレータおよび第二の医療用マニピュレータとして有し、
前記術具の前記処置部の位置および姿勢を記憶する記憶部と、
前記記憶部に制御信号を送信可能な送信部と、
を備え、
前記第一の医療用マニピュレータに取り付けられた前記術具である第一の術具の前記処置部と、前記第二の医療用マニピュレータに取り付けられた前記術具である第二の術具の前記処置部と、が接触したときに、前記送信部が前記制御信号を前記記憶部に送信することで、互いに接触した前記第一の術具の前記処置部の位置および姿勢、および前記第二の術具の前記処置部の位置および姿勢から前記第一の医療用マニピュレータと前記第二の医療用マニピュレータとの相対位置を算出し、前記記録部が記録することを特徴とする請求項６から８の何れか１項に記載の手術支援装置。
【請求項１１】
複数の前記保持部と、
それぞれの前記保持部に固定された位置決め部と、を備え、
１つの前記基準姿勢検出部が、それぞれの前記位置決め部に着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項６から１０の何れか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、医療用マニピュレータおよび手術支援装置に関する。
本願は、２０１１年８月４日に米国で出願された仮出願６１／５１５，２０３に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、手技を遠隔操作にて行うために、種々の医療用マニピュレータが検討されている。その種の医療用マニピュレータとして、例えば、特許文献１および２に記載されたものが開示されている。【０００３】
この医療用マニピュレータを用いることで、操作卓において入力装置（入力部）を操作すると、一般的に外科医である使用者は、患者に低侵襲な外科的手術を行えるようになっている。患者の側に配置される台車システムを使うことで、操作卓のコンピュータにより、経内視鏡的に用いられる術具の動きを制御することができる。
典型的な台車システムは、組織を処置しているときに外形が変化しない基部と、操作卓による操作に基づいて関節による動作を行う駆動部とを備えている。典型的な駆動部には、複数の軸状部材が関節で接続されたロボットのようなスレーブマニピュレータが少なくとも３基備えられている。３基のスレーブマニピュレータのうち、中央のものは内視鏡を支持し、両側のものは組織を処置する術具を支持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６２４６２００号明細書
【特許文献２】米国特許第６４４１５７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１および２に記載された医療用マニピュレータのスレーブマニピュレータでは、一般的に、各関節にブレーキシステムと角度センサが配置されているとともに、スレーブマニピュレータに術具が着脱可能な着脱部が設けられている。そして、各関節の角度情報を基にスレーブマニピュレータの着脱部の位置および姿勢（向き）、さらには、術具の先端部の位置および姿勢を算出している。
この場合、術具の先端部（処置部）の絶対的な位置および姿勢を求めるためには、スレーブマニピュレータの関節の数だけ角度センサが必要であり、装置が大型化するともにコストが高くなるという問題がある。【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、術具の先端部の位置および姿勢を検出するために必要なセンサの数を低減させることができる医療用マニピュレータ、および、この医療用マニピュレータを備え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】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の医療用マニピュレータは、基端部がベースに固定された保持部と、前記保持部の先端部に固定される固定部、および術具の処置部が前記固定部に対して移動可能に構成された位置決め部と、前記位置決め部における基準位置の姿勢を検出する基準姿勢検出部と、前記固定部に対して前記処置部を移動させるための駆動部と、前記基準位置に対する前記処置部の角度変位を含む移動量を検出し、前記基準姿勢検出部が検出した前記基準位置の姿勢から、自身が検出した角度変位だけ移動させた姿勢を、前記処置部における姿勢として算出する変位検出部と、を備えることを特徴としている。【０００８】
また、上記の医療用マニピュレータにおいて、前記位置決め部は、前記術具が着脱可能な着脱部を有し、前記駆動部は、前記固定部に対して前記着脱部を移動させる着脱部駆動部と、前記着脱部に対して前記処置部を移動させる処置部駆動部とから構成され、前記変位検出部は、前記固定部に対する前記着脱部の角度変位を含む移動量を検出する着脱位置検出部と、前記着脱部に対する前記処置部の角度変位を含む移動量を検出する処置部位置検出部とを備えることがより好ましい。
また、上記の医療用マニピュレータにおいて、前記保持部は、前記基端部に対する前記先端部の位置を調節可能な調節モードと、前記基端部に対する前記先端部の位置を固定した固定モードとの間で切り替え可能であることがより好ましい。【０００９】
また、上記の医療用マニピュレータにおいて、前記基準位置は、前記固定部に設けられていることがより好ましい。
また、上記の医療用マニピュレータにおいて、前記基準姿勢検出部は、検出した前記基準位置の姿勢を無線通信により前記処置部初期位置検出部に送信することがより好ましい。【００１０】
また、本発明の手術支援装置は、上記の何れかに記載の医療用マニピュレータと、使用者からの入力に基づいて操作指令を発する入力部と、前記操作指令に基づいて前記駆動部を制御する駆動部制御部と、を備える手術支援装置であって、前記変位検出部は、前記基準位置に対する前記処置部の単位時間当たりの位置の変化量を検出し、前記駆動部制御部は、前記操作指令に表される前記処置部の前記単位時間当たりの目標位置の変化量を算出する目標変化量算出工程と、前記処置部が前記単位時間当たりに前記目標位置の変化量だけ移動するように前記駆動部を制御する移動工程と、を組にして繰り返すことを特徴としている。【００１１】
また、上記の手術支援装置において、前記変位検出部は、前記基準位置に対する前記処置部の単位時間当たりの姿勢の変化量を検出し、前記駆動部制御部は、前記目標変化量算出工程において、前記操作指令に表される前記処置部の前記単位時間当たりの目標姿勢の変化量を算出し、前記移動工程において、前記処置部が前記単位時間当たりに前記目標姿勢の変化量だけ移動するように前記駆動部を制御することがより好ましい。【００１２】
また、本発明の他の手術支援装置は、上記の何れかに記載の医療用マニピュレータと、使用者からの入力に基づいて操作指令を発する入力部と、前記操作指令に基づいて前記駆動部を制御する駆動部制御部と、を備える手術支援装置であって、前記変位検出部は、前記基準位置に対する前記処置部の単位時間当たりの姿勢の変化量を検出し、前記駆動部制御部は、前記操作指令に表される前記処置部の前記単位時間当たりの目標姿勢の変化量を算出する目標変化量算出工程と、前記処置部が前記単位時間当たりに前記目標姿勢の変化量だけ移動するように前記駆動部を制御する移動工程と、を組にして繰り返すことを特徴としている。【００１３】
また、上記の手術支援装置において、光軸に沿った外方の画像を取得するための観察部が設けられた内視鏡と、前記画像を表示するための表示部と、を備え、前記駆動部制御部は、前記入力部が発する前記操作指令を、前記処置部の先端側を向く第一の直交座標系から前記観察部の前記光軸に沿って先端側を向く第二の直交座標系に変換する変換行列で変換して変換操作指令を算出し、前記変換操作指令に基づいて前記駆動部を制御することがより好ましい。【００１４】
また、本発明の他の手術支援装置は、上記の何れかに記載の医療用マニピュレータを第一の医療用マニピュレータおよび第二の医療用マニピュレータとして有し、前記術具の前記処置部の位置および姿勢を記憶する記憶部と、前記記憶部に制御信号を送信可能な送信部と、を備え、前記第一の医療用マニピュレータに取り付けられた前記術具である第一の術具の前記処置部と、前記第二の医療用マニピュレータに取り付けられた前記術具である第二の術具の前記処置部と、が接触したときに、前記送信部が前記制御信号を前記記憶部に送信することで、互いに接触した前記第一の術具の前記処置部の位置および姿勢、および前記第二の術具の前記処置部の位置および姿勢から前記第一の医療用マニピュレータと前記第二の医療用マニピュレータとの相対位置を算出し、前記記録部が記録することを特徴としている。【００１５】
また、上記の手術支援装置において、複数の前記保持部と、それぞれの前記保持部に固定された位置決め部と、を備え、１つの前記基準姿勢検出部が、それぞれの前記位置決め部に着脱可能に取り付けられることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の医療用マニピュレータおよび手術支援装置によれば、術具の先端部の位置および姿勢を検出するために必要なセンサの数を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態の手術支援装置の全体図である。
【図２】同手術支援装置におけるスレーブマニピュレータの側面図である。
【図３】同スレーブマニピュレータの位置決めアームの側面図を角度θが約９０°の場合で示す模式図である。
【図４】同手術支援装置のブロック図である。
【図５】同スレーブマニピュレータの位置決めアームの側面図を角度θが鋭角の場合で示す模式図である。
【図６】操作指令による位置と鉗子部の位置との時間の経過にともなう変化を示す図である。
【図７】同スレーブマニピュレータの変形例における位置決めアームの側面図である。
【図８】本発明の第２実施形態の手術支援装置におけるスレーブマニピュレータの側面図である。
【図９】同手術支援装置のブロック図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の手術支援装置におけるスレーブマニピュレータの側面図である。
【図１１】同手術支援装置のブロック図である。
【図１２】本発明の変形例の実施形態における手術支援装置の側面図である。
【図１３】本発明の変形例の実施形態における手術支援装置の側面図である。
【図１４】同手術支援装置の平面図である。
【図１５】同手術支援装置におけるスレーブマニピュレータを退避させたときの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る手術支援装置の第１実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。
図１に示すように本実施形態の手術支援装置１は、マスタマニピュレータ（入力部）１０と、表示部１３と、１基の本発明のスレーブマニピュレータ（医療用マニピュレータ）２０Ａと、制御装置６０とを備えている。また、手術支援装置１は、図２に示すように公知の硬性の処置具を術具２００として着脱可能に取り付けることができるようになっている。
【００１９】
以下では、まず、術具２００について説明する。
術具２００の構成は特に限定されないが、本実施形態では鉗子が用いられている。術具２００は、図２に示すように、ステンレス鋼などの硬性の材料で筒状に形成された術具挿入部２０１の先端部に一対の鉗子片２０２からなる鉗子部（処置部）２０３が備えられたものとなっている。それぞれの鉗子片２０２は、術具挿入部２０１の先端部に設けられた不図示のピンにより回動可能に支持されている。術具挿入部２０１内には、不図示の操作ワイヤが進退可能に挿通されている。操作ワイヤの先端部は鉗子片２０２に接続されて、操作ワイヤの基端部は術具挿入部２０１の基端側に延びている。術具挿入部２０１の基端部には、不図示のワイヤ操作モータが内蔵されている。操作ワイヤの基端部は、ワイヤ操作モータの回転軸に接続されていて、ワイヤ操作モータを駆動することで、術具挿入部２０１に対して操作ワイヤを進退させて一対の鉗子片２０２を互いに離間および接近させる、すなわち、開閉させることができる。
【００２０】
ワイヤ操作モータの電気接点は、術具挿入部２０１の基端部から外部に露出している。
術具２００における術具挿入部２０１の長手方向の長さはＬに設定されている。
【００２１】
続いて、手術支援装置１の各構成について説明する。
マスタマニピュレータ１０としては公知の構成のものを用いることができ、本実施形態では、図１に示すように支持台１１に一対のマスタマニピュレータ１０が備えられている（一方のマスタマニピュレータ１０は図示していない。）。術者などの使用者Ｑは、椅子１２に座った状態で、一対のマスタマニピュレータ１０のうちの一方を右手Ｑ１で操作するとともに、他方を左手Ｑ２で操作する。マスタマニピュレータ１０は、使用者Ｑによる操作（入力）に基づいて操作指令となる信号を発することができる。操作指令については後述するが、操作指令には、鉗子部２０３の位置および姿勢が含まれる。
支持台１１の上部には、液晶パネルなどの表示パネル１３ａを有する表示部１３が固定されている。後述する内視鏡５６の観察部で取得された画像を信号に変換したものが制御装置６０で処理され、表示部１３に処理された画像を表示することができる。
【００２２】
スレーブマニピュレータ２０Ａは、図２および図３示すように、基端部２２Ａが手術用天板（ベース）１６に固定されたスレーブアーム（保持部）２１Ａと、スレーブアーム２１Ａの先端部２３Ａに固定された位置決めアーム（位置決め部）２４Ａと、位置決めアーム２４Ａに設けられた姿勢センサ（基準姿勢検出部）２７Ａ、着脱部駆動部２８Ａ、および変位検出部２９Ａと、後述する着脱部５２Ａに取り付けられた術具２００の鉗子部２０３の初期状態における位置および姿勢を記憶する処置部初期位置検出部３０Ａと、鉗子部２０３の位置および姿勢を算出して記憶する処置部位置検出部３１Ａを有している。
なお、以下では、スレーブマニピュレータ２０Ａの構成については、数字の後に英字「Ａ」を付加して示すことにする。
【００２３】
スレーブアーム２１Ａは、図２に示すように、台座３２Ａ、および２つの軸体３３Ａ、３４Ａが公知のボールジョイント３５Ａ、３６Ａにより接続された構成となっている。具体的には、台座３２Ａと軸体３３Ａとがボールジョイント３５Ａにより接続されていて、軸体３３Ａと軸体３４Ａとがボールジョイント３６Ａにより接続されている。台座３２Ａは手術用天板１６に固定されている。なお、台座３２Ａがスレーブアーム２１Ａの基端部２２Ａを構成し、軸体３４Ａの先端部がスレーブアーム２１Ａの先端部２３Ａを構成する。
ボールジョイント３５Ａにより、台座３２Ａに対して軸体３３Ａを揺動させることができる。ボールジョイント３６Ａにより、軸体３３Ａに対して軸体３４Ａを揺動させることができる。
ボールジョイント３５Ａには、固定機構３７Ａが設けられていて、固定機構３７Ａによりボールジョイント３５Ａを構成する受け部に対してボールを固定させることができる。これにより、台座３２Ａに対して軸体３３Ａを固定させることができる。
同様に、ボールジョイント３６Ａには、固定機構３８Ａが設けられていて、軸体３３Ａに対して軸体３４Ａを固定させることができる。
【００２４】
このように構成されたスレーブアーム２１Ａは、固定機構３７Ａ、３８Ａによる固定を解除したときには、台座３２Ａに対する軸体３３Ａ、３４Ａの位置を調節可能な調節モードとなる。一方で、固定機構３７Ａ、３８Ａにより固定したときには、台座３２Ａに対する軸体３３Ａ、３４Ａの位置を固定した固定モードとなる。
スレーブアーム２１Ａは、調節モードと固定モードとの間で切り替え可能となっている。
【００２５】
位置決めアーム２４Ａは、いわゆる平行リンク４１Ａを備えている。具体的には、平行リンク４１Ａは、図３に示すように、互いに平行に配置された第一の辺要素４２Ａ、４３Ａ、４４Ａ、および、互いに平行に配置された第二の辺要素４５Ａ、４６Ａ、４７Ａを有している。第一の辺要素４２Ａ、４３Ａ、４４Ａ、および、第二の辺要素４５Ａ、４６Ａ、４７Ａは、ステンレス鋼などの金属などで棒状に形成されている。この例では、第一の辺要素４３Ａ、４４Ａの長さは互いに等しく設定され、第一の辺要素４２Ａは第一の辺要素４３Ａより短く設定されている。第一の辺要素４３Ａは、第一の辺要素４２Ａと第一の辺要素４４Ａとの間に並べて配置されている。
第二の辺要素４５Ａ、４６Ａの長さは互いに等しく設定され、第二の辺要素４７Ａは第二の辺要素４５Ａより短く設定されている。第二の辺要素４６Ａは、第二の辺要素４５Ａと第二の辺要素４７Ａとの間に並べて配置されている。
【００２６】
第一の辺要素４４Ａに設けられたピン４８Ａにより、第一の辺要素４４Ａに対して第二の辺要素４５Ａ、４６Ａ、４７Ａが基準平面Ｓ上で回動可能に支持されている。
同様に、第一の辺要素４３Ａに設けられたピン４８Ａにより、第一の辺要素４３Ａに対して第二の辺要素４５Ａ、４６Ａ、４７Ａが基準平面Ｓ上で回動可能に支持されている。第一の辺要素４２Ａに設けられたピン４８Ａにより、第一の辺要素４２Ａに対して第二の辺要素４５Ａ、４６Ａが基準平面Ｓ上で回動可能に支持されている。
【００２７】
第一の辺要素４２Ａの先端側を支持し、第一の辺要素４２Ａを基準平面Ｓと直交する平面上で回動可能にする回動機構５５Ａが設けられている。回動機構５５Ａを固定する固定部５１Ａが設けられている。固定部５１Ａによって、位置決めアーム２４Ａはスレーブアーム２１Ａに対して位置決め固定される。具体的には、固定部５１Ａは、スレーブアーム２１Ａの先端部２３Ａ、すなわち、軸体３４Ａの先端部に固定される。スレーブアーム２１Ａの軸体３４Ａと固定部５１Ａとは、ネジ止めや溶接などで固定されている。
これらの構成により、位置決めアーム２４Ａを固定部５１Ａに対して互いに直交する方向Ｄ１（基準平面Ｓ上）、方向Ｄ２（基準平面Ｓと直交する平面上）に揺動させたりすることができる。
第二の辺要素４７Ａには、術具２００の術具挿入部２０１の基端部が着脱可能とされた着脱部５２Ａが、着脱部移動機構（処置部駆動部）５３Ａを介して取り付けられている。なお、この着脱部移動機構５３Ａと前述の着脱部駆動部２８Ａとで、駆動部を構成する。
着脱部５２Ａには、図４に示すように、着脱部５２Ａに術具２００を取り付けたときに、術具２００のワイヤ操作モータの電気接点と電気的に接続可能な着脱部側電気接点５４Ａが外部に露出した状態で備えられている。
着脱部側電気接点５４Ａは、制御装置６０に接続されている。
【００２８】
着脱部移動機構５３Ａは、図３に示すように、着脱部５２Ａを移動させる公知の構成を有している。この例では、着脱部５２Ａに術具２００を取り付けたときに、術具２００の術具挿入部２０１は第二の辺要素４７Ａと平行になるように構成されている。
着脱部移動機構５３Ａは、着脱部５２Ａを、基準軸線Ｃ１上に設定される配置中心位置を中心として移動させることができる。具体的には、着脱部５２Ａに取り付けた術具２００を着脱部５２Ａに対して、配置中心位置から基準軸線Ｃ１方向に進退させたり、基準軸線Ｃ１周りに回動させることができる。
【００２９】
本実施形態では姿勢センサ２７Ａは、図示はしないが、公知のジャイロスコープ、および、ジャイロスコープによる検出結果を処理してジャイロスコープの姿勢（向き）を検出する基準姿勢演算基板を有している。ジャイロスコープの姿勢は、例えば、図２に示す手術用天板１６の上面に原点Ｏ０が規定される直交座標系であるグローバル座標系Ｗ０のそれぞれの軸回りの回転角度として表される。
姿勢センサ２７Ａは、図３に示すように位置決めアーム２４Ａの第二の辺要素４５Ａの長軸方向に取り付けられている。すなわち、この例では姿勢センサ２７Ａが姿勢を検出する基準位置Ｖ１は、第二の辺要素４５Ａ上、言い換えれば、位置決めアーム２４Ａの基端部に設定されている。姿勢センサ２７Ａは、基準位置Ｖ１における第二の辺要素４５Ａの長軸方向の姿勢を検出することができる。
このとき、術具２００は第二の辺要素４５Ａと平行になるように構成されていることから、第二の辺要素４５Ａの基準位置Ｖ１における第二の辺要素４５Ａの長軸方向の姿勢は術具２００の挿入方向の姿勢と略一致する。
姿勢センサ２７Ａにより検出された基準位置Ｖ１の姿勢は、図４に示すように制御装置６０に送信される。
【００３０】
着脱部駆動部２８Ａは、不図示のモータおよびギアを有している。モータを駆動してギアを回転させることで、図３に示す第一の辺要素４３Ａと第二の辺要素４５Ａとのなす角度θを、鋭角から鈍角まで調節することができる。
位置決めアーム２４Ａは前述のように構成されているため、角度θが定まれば位置決めアーム２４Ａの形状も一意に定まる。図３では角度θが約９０°の状態を示しているが、着脱部駆動部２８Ａを駆動して図５に示すように角度θを鋭角にすると、固定部５１Ａに対する着脱部５２Ａの位置および姿勢を移動させることができる。
【００３１】
着脱位置検出部２９Ａは、図示はしないが、前述の角度θを検出するエンコーダなどの角度検出センサと、検出した角度θから基準位置Ｖ１に対する着脱部５２Ａの位置（距離）および姿勢（角度）を検出する着脱位置演算基板とを有している。着脱位置演算基板には、図示はしないが演算素子、メモリ、およびタイマが備えられている。
メモリには、隣り合うピン４８Ａ間の距離や、第二の辺要素４５Ａにおける基準位置Ｖ１が設定された位置や、第二の辺要素４７Ａにおける着脱部５２Ａが取り付けられた位置などが記憶されている。
演算素子は、メモリに記憶された各距離情報、および角度検出センサで検出された角度θから基準位置Ｖ１から着脱部５２Ａまでの距離（位置）および角度（姿勢）を算出することができる。
【００３２】
また、演算素子は、タイマに設定された単位時間ごとに基準位置Ｖ１から着脱部５２Ａまでの距離および角度を検出し、検出した距離および角度情報は着脱部５２Ａの位置および姿勢としてメモリに記憶される。単位時間は、制御装置６０の処理速度や手技の内容などに応じて、例えば、１ｍｓ（ミリ秒）から５００ｍｓ程度に設定される。
演算素子は、メモリに記憶された単位時間おきの着脱部５２Ａの位置および姿勢から、基準位置Ｖ１に対する着脱部５２Ａの単位時間当たりの位置の変化量および姿勢の変化量を算出する。
着脱位置検出部２９Ａにより算出された前述の基準位置Ｖ１に対する着脱部５２Ａの位置および姿勢、着脱部５２Ａの位置の変化量および姿勢の変化量は、制御装置６０に送信される（図４参照。）。
【００３３】
処置部位置検出部３１Ａは、術具２００の長さＬなどを予め記憶するとともに、着脱部５２Ａに対する鉗子部２０３の位置および姿勢を算出する。この例では、術具挿入部２０１の基端部の位置に対して、鉗子部２０３の位置は、術具挿入部２０１の長手方向に長さＬ移動した位置となっている。
なお、この処置部位置検出部３１Ａと前述の着脱位置検出部２９Ａとで、変位検出部を構成する。
【００３４】
処置部位置検出部３１Ａは、基準位置Ｖ１の初期位置および姿勢センサ２７Ａが検出した姿勢から、着脱位置検出部２９Ａが検出した着脱部５２Ａの移動距離および角度だけ移動させ、さらに、着脱部５２Ａに対する鉗子部２０３の位置および姿勢だけ移動させた位置および姿勢を、鉗子部２０３における位置および姿勢として算出する。
具体的には、演算素子は、基準位置Ｖ１の初期位置に原点が規制されて第二の辺要素４５Ａの長軸方向を向く直交座標系であるローカル座標系ＷＳを構成するある１つの軸（例えば、ＺＳ軸。）に対して、着脱位置検出部２９Ａが検出した基準位置Ｖ１（原点）から着脱部５２Ａまでの距離を、着脱部５２Ａのその軸における位置として算出する。さらに、その軸において、着脱部５２Ａの位置から、着脱部５２Ａに対する鉗子部２０３の位置だけ移動させた位置として算出する。
この位置の算出は、ローカル座標系ＷＳを構成する残りの２つの軸に対しても同様に行われる。
【００３５】
一方で、鉗子部２０３の姿勢の算出については、グローバル座標系Ｗ０を構成するある１つの軸に対して、基準位置Ｖ１におけるその軸周りの回転角度に、着脱位置検出部２９Ａが検出した着脱部５２Ａのその軸周りの回転角度を足し合わせていくことで、着脱部５２Ａのその軸周りの回転角度（姿勢）を算出する。さらに、着脱部５２Ａの姿勢から、着脱部５２Ａに対する鉗子部２０３の姿勢だけ移動させた姿勢を、鉗子部２０３における姿勢として算出する。
この足し合わせによる回転角度、すなわち姿勢の算出は、グローバル座標系Ｗ０を構成する残りの２つの軸に対しても同様に行われる。
【００３６】
処置部初期位置検出部３０Ａは、初期状態において、処置部位置検出部３１Ａが算出した鉗子部２０３の位置および姿勢を記憶する。
【００３７】
制御装置６０は、図４に示すように、バス６１に接続された主制御部６２、スレーブ制御部（駆動部制御部）６３、入力部６４、および、電源６７を有している。
バス６１には、公知の内視鏡５６、そして前述のマスタマニピュレータ１０、表示部１３、姿勢センサ２７Ａ、着脱位置検出部２９Ａ、処置部初期位置検出部３０Ａ、処置部位置検出部３１Ａ、着脱部駆動部２８Ａ、着脱部５２Ａ、および、着脱部移動機構５３Ａが金属製の配線により接続されている。
主制御部６２、スレーブ制御部６３は、それぞれがＣＰＵ（中央処理装置）、制御プログラムなどで構成される。
【００３８】
スレーブ制御部６３は、前述の操作指令に基づいて着脱部駆動部２８Ａおよび着脱部移動機構５３Ａを制御する。この制御方法については、後述する。
【００３９】
主制御部６２は、内視鏡５６においてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）などを有する観察部で取得した画像を信号に変換したものを処理して表示部１３に送信するなど、制御装置６０に関する全般的な処理をする。
入力部６４は、例えばキーボードであり、介助者が必要な指示を入力する。入力された指示は主制御部６２などに送信される。
電源６７は、マスタマニピュレータ１０、内視鏡５６、表示部１３、スレーブマニピュレータ２０Ａ、および制御装置６０の各構成に電力を供給する。
【００４０】
次に、以上のように構成された本実施形態の手術支援装置１を用いた手技を、スレーブマニピュレータ２０Ａ、および制御装置６０の動作に重点をおいて説明する。以下では、患者の体腔内に術具２００を導入して対象組織を処置する場合を例にとって説明する。
【００４１】
手術支援装置１を起動すると、制御装置６０の電源６７からマスタマニピュレータ１０、スレーブマニピュレータ２０Ａなどに電力が供給される。この時点では、スレーブアーム２１Ａは固定モードになっている。
介助者は、手術用天板１６に図１および２に示すように患者Ｐを寝かせて必要な処置をする。不図示のナイフなどで、図３に示すように患者Ｐの体壁Ｐ１を切開して開口Ｐ２を形成する。この開口Ｐ２には、図示はしないがトロッカーを取り付けておく。
使用者Ｑの指示に基づいて、着脱部５２Ａに術具２００の術具挿入部２０１の基端部を取り付ける。体壁Ｐ１に形成した別の開口から内視鏡５６を導入し、観察部で取得した画像を表示部１３で確認しながら処置を行う。
スレーブアーム２１Ａを調節モードに切り替えてスレーブアーム２１Ａを変形させ、術具２００の鉗子部２０３を開口Ｐ２を通して患者Ｐの体腔Ｐ３内に導入する。このとき、術具２００は下方に延びており、位置決めアーム２４Ａの角度θは、約９０°になっているとする。
【００４２】
このように術具２００を位置決めした後で、スレーブアーム２１Ａを固定モードに切り替える。
入力部６４を操作して、姿勢センサ２７Ａ、着脱位置検出部２９Ａ、および処置部位置検出部３１Ａで検出した回転角度を足し合わせた鉗子部２０３における回転角度を鉗子部２０３の初期姿勢として処置部初期位置検出部３０Ａに記憶させる（イニシャライズする。）。また、基準位置Ｖ１における初期位置を仮想原点としたときの鉗子部２０３の位置を鉗子部２０３の初期位置として処置部初期位置検出部３０Ａに記憶させる。
処置部初期位置検出部３０Ａは、記憶した鉗子部２０３の初期位置および初期姿勢をスレーブ制御部６３に送信する。
【００４３】
続いて、使用者Ｑは椅子１２に座り、右手Ｑ１および左手Ｑ２で一対のマスタマニピュレータ１０をそれぞれ把持し操作する。ここでは、使用者Ｑがマスタマニピュレータ１０を操作して着脱部駆動部２８Ａを駆動させることで術具２００を揺動させて、鉗子部２０３の水平方向の位置を変化させる場合で説明する。
以下では、説明の便宜のため鉗子部２０３の位置のみに着目して説明する。
【００４４】
図６において、曲線Ｌ１は操作指令による鉗子部２０３の水平方向の位置（目標値）であり、曲線Ｌ２は制御装置６０が認識している鉗子部２０３の位置（測定値）である。
操作開始時刻Ｔ０から、使用者Ｑはマスタマニピュレータ１０を操作して、術具２００の鉗子部２０３を図３中の矢印Ｂのように移動させる操作指令を曲線Ｌ１に示すように発したとする。
【００４５】
まず、目標変化量算出工程において、スレーブ制御部６３は、操作開始時刻Ｔ０から単位時間△Ｔ経過した時刻Ｔ１に、操作指令に表される鉗子部２０３における操作開始時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの単位時間△Ｔ当たりの目標位置の変化量△Ｚ１を算出する。
次に、移動工程において、スレーブ制御部６３は、鉗子部２０３が単位時間△Ｔ当たりに目標位置の変化量△Ｚ１だけ移動するように、すなわちイニシャライズ時に記憶した鉗子部２０３の初期位置からの変化量が△Ｚ１となるように着脱部駆動部２８Ａを制御する。具体的には、時刻Ｔ１に前述の角度θが小さくなるように（図５参照。）制御する。
【００４６】
続いて、目標変化量算出工程において、スレーブ制御部６３は、時刻Ｔ１から単位時間△Ｔ経過した時刻Ｔ２に、操作指令に表される鉗子部２０３における操作開始時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの単位時間△Ｔ当たりの目標位置の変化量△Ｚ２を算出する。
次に、移動工程において、スレーブ制御部６３は、鉗子部２０３が単位時間△Ｔ当たりに目標位置の変化量△Ｚ２だけ移動するように、すなわち時刻Ｔ１での鉗子部２０３の位置からの変化量が△Ｚ２となるように着脱部駆動部２８Ａを制御する。具体的には、時刻Ｔ２に角度θが小さくなるように制御する。
【００４７】
このように、目標変化量算出工程と移動工程とを組にして所望の回数だけ繰り返し、変化量△Ｚ３、△Ｚ４、・・と順々に鉗子部２０３を図３中に矢印Ｂのように揺動させる。組にして繰り返す数は、１回だけでもよいし２回以上でもよい。
なお、術具２００は、前述のように平行リンク４１Ａに取り付けられているため、第一の辺要素４２Ａと、着脱部５２Ａに取り付けられた術具２００との交点を不動点（ポート位置）としたときに、平行リンク４１Ａの角度θによらず、術具２００は不動点上に配置される。すなわち、患者Ｐの開口Ｐ２が不動点に一致するようにスレーブマニピュレータ２０Ａを移動させることで、平行リンク４１Ａの角度θによらず術具２００が開口Ｐ２を通る。
【００４８】
また、このようにマスタマニピュレータ１０を操作して術具２００を揺動させる途中で、例えば、電源６７の故障などにより手術支援装置１の動作が緊急的に停止してしまうことが考えられる。
例えば、図６に示すように、鉗子部２０３を変化量△Ｚ２移動させる直前に手術支援装置１の動作が緊急的に停止したとする。この場合、鉗子部２０３の移動は変化量で制御されているため、電源６７が治って手術支援装置１の動作が開始されたときに、曲線Ｌ３で示されるように変化量△Ｚ２だけ移動しようとする。
一方で、本発明とは異なり、鉗子部２０３を目標位置で制御した場合には、手術支援装置の動作が開始されたときに、曲線Ｌ４で示されるように、手術支援装置の動作が開始したときの目標位置に移動させようとして、鉗子部が、例えば（△Ｚ２＋△Ｚ３＋△Ｚ４）の式で求められる値だけ、大きく移動する恐れがある。
ここでは鉗子部２０３の位置のみに着目して説明したが、鉗子部２０３の姿勢に関しても同様である。
【００４９】
再び、手術支援装置１を用いた手技の説明を行う。
使用者Ｑは、マスタマニピュレータ１０を操作して着脱部駆動部２８Ａにより術具２００を揺動させ、図３に示すように鉗子部２０３を体腔Ｐ３内の処置対象となる病変部Ｐ６に対向させる。着脱部移動機構５３Ａにより術具２００が取り付けられた着脱部５２Ａを押し込んで病変部Ｐ６に鉗子部２０３を当接させる。必要に応じて、着脱部移動機構５３Ａにより、術具２００を基準軸線Ｃ１周りに回動させる。
着脱部５２Ａを介して術具２００のワイヤ操作モータに電力を供給して一対の鉗子片２０２を閉じさせ、病変部Ｐ６を把持させる。
この後で、病変部Ｐ６に対して適切な処置を行い、一連の手技を終了する。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態のスレーブマニピュレータ２０Ａによれば、位置決めアーム２４Ａにはグローバル座標系Ｗ０における姿勢を検出可能な姿勢センサ２７Ａが設けられている。このため、従来のようにスレーブアーム２１Ａの各関節に角度検出センサなどを設けることなく、位置決めアーム２４Ａの基準位置Ｖ１の位置および姿勢を検出することができる。さらに、変位検出部により、基準位置Ｖ１に対する鉗子部２０３の姿勢を検出することができる。
このように、姿勢センサ２７Ａ、変位検出部という２つのセンサを備えることで、グローバル座標系Ｗ０における着脱部５２Ａの姿勢を検出することができる。したがって、鉗子部２０３の姿勢を検出するために必要なセンサの数を低減させることができる。
【００５１】
位置決めアーム２４Ａが平行リンク４１Ａを備えることで、患者Ｐの開口Ｐ２が不動点に一致するようにスレーブマニピュレータ２０Ａを移動させた状態でスレーブアーム２１Ａを固定モードにすることで、平行リンク４１Ａの角度θによらず術具２００が開口Ｐ２を通る。
このため、術具２００の揺動角度によらず、術具２００が開口Ｐ２の縁部に外力を及ぼすことを抑制することができる。
【００５２】
基準位置Ｖ１が、スレーブアーム２１Ａの第二の辺要素４５Ａ上、すなわち、位置決めアーム２４Ａの基端部に設定されているため、スレーブアーム２１Ａを固定モードにした後で基準位置Ｖ１が移動しない。着脱位置検出部２９Ａで検出する着脱部５２Ａの位置および姿勢の起点となる基準位置Ｖ１が移動しないため、着脱部５２Ａの位置および姿勢を容易に算出することができる。
処置部位置検出部３１Ａは、予め記憶した術具２００の長さＬなどの情報、および、算出した着脱部５２Ａの位置および姿勢から、鉗子部２０３の位置および姿勢を算出する。したがって、着脱部５２Ａの位置および姿勢だけでなく、実際に処置を行う部位である鉗子部２０３の位置および姿勢を算出し、精度よく制御を行うことができる。
【００５３】
また、本実施形態の手術支援装置１によれば、スレーブ制御部６３が操作指令に表される着脱部５２Ａの単位時間△Ｔ当たりの目標位置の変化量および目標姿勢の変化量にしたがって着脱部駆動部２８Ａを制御する。このため、手術支援装置１の動作が緊急的に停止した場合であっても、動作が開始した手術支援装置１の着脱部５２Ａや鉗子部２０３が大きく移動するのを抑制することができる。
さらに、単位時間△Ｔ当たりの目標位置の変化量にしたがって着脱部駆動部２８Ａを制御することで、グローバル座標系Ｗ０における着脱部５２Ａの絶対値位置座標が不明であっても、イニシャライズにより設定された基準位置Ｖ１あるいは着脱部５２Ａの初期位置に対して、術具２００の位置を相対的に制御することができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、イニシャライズ時に着脱部５２Ａの位置および姿勢を初期位置および初期姿勢として記憶したが、基準位置Ｖ１の位置および姿勢を初期位置および初期姿勢として記憶してもよい。この場合も、本実施形態と同様の効果を奏することができるからである。
本実施形態では、位置決めアーム２４Ａに術具２００を着脱可能に支持する着脱部５２Ａを設けたが、位置決めアーム２４Ａと術具２００を一体として固定支持するように構成してもよい。この場合も、イニシャライズ時に基準位置Ｖ１の位置および姿勢を初期位置および初期姿勢として記憶しておけば、基準位置Ｖ１に対して、術具２００の位置を相対的に制御することができる。
本実施形態では、位置決めアーム２４Ａに着脱部５２Ａを移動させる着脱部駆動部２８Ａを設けたが、位置決めアーム２４Ａに着脱部駆動部２８Ａを設けず、術具２００のみを移動させる着脱部移動機構５３Ａを設けるような構成にしてもよい。この場合も、イニシャライズ時に基準位置Ｖ１あるいは着脱部５２Ａの位置および姿勢を初期位置および初期姿勢として記憶しておけば、初期位置に対して、術具２００の位置を相対的に制御することができる。
【００５５】
本実施形態では、手術支援装置１に複数のスレーブマニピュレータ２０Ａを備えるとともに、１つの姿勢センサ２７Ａが、それぞれのスレーブマニピュレータ２０Ａの第二の辺要素４５Ａ上に着脱可能に取り付けられるように構成してもよい。第二の辺要素４５Ａと姿勢センサ２７Ａとの着脱は、係合部と被係合部とによる機械的な方式や、磁石などの磁気的な方式を用いることができる。
１つのスレーブマニピュレータ２０Ａについて、スレーブアーム２１Ａを固定モードにした後で、一度、姿勢センサ２７Ａにより基準位置Ｖ１の位置および姿勢を検出すれば、そのスレーブマニピュレータ２０Ａについてはスレーブアーム２１Ａを固定モードにしている間は姿勢センサ２７Ａは不要となる。
姿勢センサ２７Ａをこのように構成することで、手術支援装置１全体としての製造コストを低減させることができる。
【００５６】
本実施形態では、姿勢センサ２７Ａは位置決めアーム２４Ａの第二の辺要素４５Ａに取り付けられているとしたが、姿勢センサ２７Ａが取り付けられる位置は、位置決めアーム２４Ａの基準位置Ｖ１の位置および姿勢が検出可能であれば特に限定されない。例えば、図７に示す手術支援装置１のように、姿勢センサ２７Ａを着脱部移動機構５３Ａに取り付けてもよい。この場合であっても、姿勢センサ２７Ａを着脱部移動機構５３Ａに取り付ける位置の情報が予め姿勢センサ２７Ａに記憶されていれば、位置決めアーム２４Ａにおける基準位置の位置および姿勢を検出可能であるからである。
また、姿勢センサ２７Ａはスレーブアーム２１Ａに取り付けてもよい。スレーブアーム２１Ａと位置決めアーム２４Ａとの位置・姿勢関係が予め姿勢センサ２７Ａに記憶されていれば、位置決めアーム２４Ａにおける基準位置の位置および姿勢を検出可能であるからである。
【００５７】
着脱位置検出部２９Ａは、第一の辺要素４２Ａ、４３Ａ、４４Ａのいずれかと、第二の辺要素４５Ａ、４６Ａ、４７Ａのいずれかとがなす角度θが検出可能であれば、取り付け位置は特に限定されない。
また、本実施形態では、姿勢センサ２７Ａにおける基準姿勢演算基板、および、着脱位置検出部２９Ａにおける着脱位置演算基板を制御装置６０内に配置してもよい。このように構成することで、制御基板を一体化して、制御基板を全体としてコンパクトに構成することができる。
平行リンク４１Ａが第一の辺要素４３Ａおよび第二の辺要素４６Ａを備えずに、平行リンク４１Ａが一対の第一の辺要素４２Ａ、４４Ａ、および、一対の第二の辺要素４５Ａ、４７Ａだけを有するように構成してもよい。
【００５８】
本実施形態では、スレーブアーム２１Ａの先端部２３Ａに、位置決めアーム２４Ａの固定部５１Ａが固定されているとしたが、スレーブアーム２１Ａの先端部２３Ａに固定部５１Ａが着脱可能となるように構成してもよい。
ここで、スレーブアーム２１Ａを患者Ｐの開口Ｐ２に対応させて適切な形状に変形させるスレーブアーム変形工程、位置決めアーム２４Ａを自身の不動点が患者Ｐの開口Ｐ２に一致するように配置する位置決めアーム配置工程、および、スレーブアーム２１Ａの先端部２３Ａに位置決めアーム２４Ａの固定部５１Ａを取り付ける取り付け工程を規定する。これら、スレーブアーム変形工程、位置決めアーム配置工程、および取り付け工程の順序は特に制限はなく、任意の順序で行うことができる。これら３つの工程を行った後で、前述の目標変化量算出工程と移動工程とを組にして繰り返すことになる。
【００５９】
姿勢センサ２７Ａと処置部初期位置検出部３０Ａとが配線により接続されているとした。しかし、姿勢センサ２７Ａが、検出した基準位置Ｖ１の姿勢を無線通信により処置部初期位置検出部３０Ａに送信するように構成してもよい。
このように構成することで、スレーブマニピュレータ２０Ａを小型化することができる。
【００６０】
本実施形態では、スレーブ制御部６３は、目標変化量算出工程において、処置部２０３の単位時間△Ｔ当たりの目標位置の変化量および目標姿勢の変化量を算出し、移動工程において目標位置の変化量および目標姿勢の変化量に基づいて制御するとした。しかし、スレーブ制御部６３は、目標変化量算出工程において、標位置の変化量および目標姿勢の変化量の一方のみを算出し、移動工程においてこの一方のみに基づいて制御するとしてもよい。
【００６１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８および図９を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図８に示すように、本実施形態の手術支援装置２は、第１実施形態の手術支援装置１の各構成に加えて、前述の内視鏡５６が着脱可能な着脱部５２Ｂを有する本発明のスレーブマニピュレータ２０Ｂを備えている。
なお、スレーブマニピュレータ２０Ｂの構成はスレーブマニピュレータ２０Ａと同一であるため、スレーブマニピュレータ２０Ｂの構成については、スレーブマニピュレータ２０Ａにおける対応する構成の符号の数字に英字「Ｂ」を付加することで示す。これにより、重複する説明を省略する。
【００６２】
位置決めアーム２４Ｂに取り付けられた着脱部５２Ｂには、光軸Ｃ２に沿った外方の画像を取得するための観察部５６ａが設けられた内視鏡５６が着脱可能となっている。
着脱部５２Ｂに内視鏡５６を取り付けたときに、観察部５６ａで取得された画像は、主制御部６２で処理されて表示部１３に表示されるようになっている（図９参照。）。
【００６３】
ここで、図８に示すように術具２００の処置部２０３に原点Ｏ１が規定されて処置部２０３の先端側を向く直交座標系である第一のローカル座標系（第一の直交座標系）Ｗ１を規定する。すなわち、この第一のローカル座標系Ｗ１のＺ１軸は、処置部２０３を起点として処置部２０３の先端側を向いている。同様に、内視鏡５６の観察部５６ａに原点Ｏ２が規定されて光軸Ｃ２に沿って先端側を向く直交座標系である第二のローカル座標系（第二の直交座標系）Ｗ２を規定する。すなわち、この第二のローカル座標系Ｗ２のＺ２軸は、観察部５６ａを起点として光軸Ｃ２に沿って先端側を向いている。
第一のローカル座標系Ｗ１から第二のローカル座標系Ｗ２への変換は、公知のように変換行列Ａで表される。
スレーブ制御部６３は、マスタマニピュレータ１０が発するグローバル座標系Ｗ０における目標位置および目標姿勢を表す操作指令を、変換行列Ａで変換して変換操作指令を算出し、この変換操作指令に基づいて着脱部駆動部２８Ａを制御する。
【００６４】
このように構成された本実施形態の手術支援装置２によれば、鉗子部２０３の位置および姿勢を検出するために必要なセンサの数を低減させることができる。
さらに、内視鏡５６の光軸Ｃ２の先端側の姿勢と、処置部２０３の先端側の姿勢とが一致するように座標変換することで、表示部１３に表示される画像上に映し出される処置部２０３の先端（処置部２０３）の姿勢とマスタマニピュレータ１０の姿勢とを対応させやすくなる。したがって、表示部１３に表示される画像を見ながらのマスタマニピュレータ１０の操作性を向上させることができる。
【００６５】
なお、本実施形態では、手術支援装置２がスレーブマニピュレータ２０Ｂを備え、スレーブマニピュレータ２０Ｂの着脱部５２Ｂに内視鏡５６が着脱可能であるとした。しかし、スレーブマニピュレータ２０Ｂは手術支援装置２に必須の構成ではなく、手術支援装置２が内視鏡５６および表示部１３を備えていればよい。内視鏡５６が何に取り付けられていても、本実施形態と同様の効果を奏することができるからである。
ただし、手術支援装置２がスレーブマニピュレータ２０Ｂを備え、スレーブマニピュレータ２０Ｂに内視鏡５６が着脱可能とすることで、内視鏡５６の観察部５６ａの操作性を向上させることができる。
【００６６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１０および図１１を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１０および１１に示すように、本実施形態の手術支援装置３は、第１実施形態の手術支援装置１の各構成に加えて、術具（第二の術具）２１０が着脱可能な着脱部５２Ｂを有する本発明のスレーブマニピュレータ（第二の医療用マニピュレータ）２０Ｂを備えている。
すなわち、手術支援装置３は、スレーブマニピュレータ（第一の医療用マニピュレータ）２０Ａおよびスレーブマニピュレータ２０Ｂの２つのスレーブマニピュレータを備えている。
前述の術具（第一の術具）２００の術具挿入部２０１の先端部には接触センサ（送信部）２０５が設けられている。
制御装置６０には記憶部６５が備えられている（図１１参照。）。
【００６７】
第二の術具２１０の構成は硬性であれば特に限定されないが、本実施形態では前述の術具２００と同一の鉗子が用いられている。すなわち、第二の術具２１０は、術具挿入部２１１の先端部に一対の鉗子片２１２からなる鉗子部（処置部）２１３が設けられたものである。
術具２００に設けられた接触センサ２０５は、鉗子部２０３に外力が加わったことを検出するセンサである。接触センサ２０５は、術具２００の鉗子部２０３と術具２１０の鉗子部２１３とが接触したときに、着脱部５２Ａの着脱部側電気接点５４Ａを介してスレーブ制御部６３および記憶部６５に制御信号を送信する。
【００６８】
スレーブ制御部６３は制御信号を受信したときの、基準位置Ｖ１に対する鉗子部２０３の位置および姿勢、および基準位置Ｖ２に対する鉗子部２１３の位置および姿勢から、基準位置Ｖ１と基準位置Ｖ２との相対的な位置関係を算出する。
記憶部６５はメモリなどで構成されていて、スレーブ制御部６３で算出された基準位置Ｖ１と基準位置Ｖ２との相対的な位置関係、すなわちスレーブマニピュレータ２０Ａとスレーブマニピュレータ２０Ｂの相対位置関係を記憶する。
【００６９】
次に、以上のように構成された本実施形態の手術支援装置３の動作について説明する。
手術支援装置３を起動し、スレーブマニピュレータ２０Ａの着脱部５２Ａに術具２００を取り付けるとともに、スレーブマニピュレータ２０Ｂの着脱部５２Ｂに術具２１０を取り付ける。スレーブアーム２１Ａ、２１Ｂを所望の形状に変形させた後で、スレーブアーム２１Ａ、２１Ｂをそれぞれ固定モードにする。
【００７０】
使用者Ｑは、一対のマスタマニピュレータ１０を操作してスレーブ制御部６３により着脱部駆動部２８Ａ、２８Ｂを駆動し、術具２００の鉗子部２０３と術具２１０の鉗子部２１３とを接触させる。すると、接触センサ２０５は鉗子部２０３に外力が加わったことを検出し、記憶部６５に制御信号を送信する。記憶部６５は、鉗子部２０３と鉗子部２１３とが接触したときの鉗子部２０３、２１３の位置および姿勢を、鉗子部２０３の接触位置および接触姿勢、鉗子部２１３の接触位置および接触姿勢としてそれぞれ記憶する。
【００７１】
続いて、使用者Ｑは、スレーブ制御部６３により着脱部駆動部２８Ａ、２８Ｂを駆動するが、このとき、スレーブ制御部６３は、算出した基準位置Ｖ１と基準位置Ｖ２との相対的な位置関係を基に、スレーブマニピュレータ２０Ａおよびスレーブマニピュレータ２０Ｂの動作範囲を算出し、鉗子部２０３と鉗子部２１３、あるいはスレーブマニピュレータ２０Ａとスレーブマニピュレータ２０Ｂが互いに干渉しないように制御する。
具体的には、使用者Ｑが鉗子部２０３、２１３あるいはスレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂ同士が接触するような操作指令を発したときには、スレーブ制御部６３は、例えば着脱部駆動部２８Ａ、２８Ｂの動作を停止させるとともに、警告を意味する表示や音を発して使用者Ｑに注意を促すことが好ましい。
【００７２】
このように構成された本実施形態の手術支援装置３によれば、鉗子部２０３の位置および姿勢を検出するために必要なセンサの数を低減させることができる。
さらに、接触センサ２０５および記憶部６５を備えて前述のようにスレーブ制御部６３が制御することで、スレーブ制御部６３は鉗子部２０３と鉗子部２１３とが接触するときのスレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂの相対位置を認識することができ、各スレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂの動作範囲がどのように干渉するかなどを確認することができる。
そして、スレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂ同士が接触などの動作干渉が起きないように制御することができる。
【００７３】
本実施形態では送信部として接触センサ２０５を用いたが、術具２００の鉗子部２０３術具２１０の鉗子部２１３とが接触したときに、記憶部６５に制御信号を送信可能なものであればよい。送信部は、以下に説明するような様々な構成とすることができる。
例えば、術具２００の術具挿入部２０１の先端部に、送信部として微弱振動の発生源と、振動の振幅を検出する振幅検出センサとを備えてもよい。一定の振幅で振動している鉗子部２０３に鉗子部２１３が接触すると、鉗子部２０３の振幅が変化する。このため、鉗子部２０３に鉗子部２１３が接触しているか否かを検出することができる。
【００７４】
送信部として、超音波を発生させる超音波発生源と、鉗子部２１３で反射された超音波を検出する超音波受信部とを備えてもよい。
鉗子部２０３の周辺の画像をＣＣＤなどの撮像素子で取得し、この画像を公知の画像処理技術により解析することで、鉗子部２０３に鉗子部２１３が接触しているか否かを検出してもよい。
また、送信部をスイッチなどで構成してもよい。この場合、鉗子部２０３の周辺を介助者などが内視鏡により観察し、鉗子部２０３と鉗子部２１３とが接触したときに介助者がスイッチを切り替えて記憶部６５に制御信号を送信することになる。
【００７５】
以上、本発明の第１実施形態から第３実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更なども含まれる。さらに、各実施形態で示した構成のそれぞれを適宜組み合わせて利用できることは、言うまでもない。
たとえば、前記第１実施形態から第３実施形態では、スレーブマニピュレータ２０Ａが手術用天板１６に固定されているとしたが、図１２に示す手術支援装置４のように構成してもよい。すなわち、手術支援装置４では、ロボット用天板７１を結合具７２により手術台１５の手術用天板１６に固定するとともに、このロボット用天板７１の側面に設けられた一対のガイドレール７３にスレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂを固定している。
なお、図１２以下では、説明の便宜のために前述の平行リンクを箱状に描いて示している。
【００７６】
各ガイドレール７３は、図１２を表示する表示面に直交するように延びていて、スレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂはガイドレール７３の長手方向の任意の位置にスライドした状態で固定できるようになっている。すなわち、スレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂの相対位置の情報を、スレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂの拘束条件として制御装置６０の記憶部などに設定できるようになっている。
なお、本変形例では、手術支援装置４に２基のスレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂが備えられているとしたが、手術支援装置４に備えられるスレーブマニピュレータの数に制限はなく、１基でもよいし、３基以上でもよい。これは、前記第１実施形態から第３実施形態でも同様である。
【００７７】
図１３および１４に示す手術支援装置５のように、手術用天板１６の側面に設けられた回転機構７６を介してスレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂを固定してもよい。
回転機構７６は、公知の構成を有していて、手術用天板１６の側面に設けられた一対の支持部材７７と、支持部材７７により自身の軸線Ｃ４周りに回動可能に支持されたベッドレール７８とを有している。ベッドレール７８は、支持部材７７に設けられた不図示の固定機構により、支持部材７７に対して軸線Ｃ４周りに回動可能な回動モードと、この回動を規制された規制モードとの間で切り替えることができる。
ベッドレール７８の一方の端部にはハンドル７９が取り付けられている。
スレーブマニピュレータ２０Ａの台座３２Ａ、およびスレーブマニピュレータ２０Ｂの台座３２Ｂは、ベッドレール７８に固定されている。
【００７８】
このように構成された本変形例の手術支援装置５を用いて、術具２００をスレーブマニピュレータ２０Ａに取り付け、患者Ｐの体腔Ｐ３内に術具２００を導入して処置を行う。このとき、スレーブアーム２１Ａは固定モードになり、固定機構は規制モードになっている。
処置を行う間に、場合によっては、緊急的に術具２００を患者Ｐから引き抜く必要がある。
このような場合には、介助者は、体腔Ｐ３内から術具２００を引き抜いた後で、スレーブマニピュレータ２０Ａから術具２００を取り外し、固定機構を回動モードに切り替える。ハンドル７９を把持して、図１５に示すようにベッドレール７８を軸線Ｃ４周りに回動させ、スレーブマニピュレータ２０Ａ、およびスレーブマニピュレータ２０Ｂを手術用天板１６上から手術用天板１６の下方に退避させる。
このように構成された本変形例の手術支援装置５によれば、スレーブマニピュレータ２０Ａ、２０Ｂを手術用天板１６上から素早く退避させることができる。
【００７９】
前記第１実施形態から第３実施形態では、位置決めアームが平行リンクを備えるとした。しかし、開腹手術などの場合のように、術具を不動点を通す必要がない場合には、位置決めアームは平行リンクを備えなくてもよい。
また、着脱部の位置および姿勢から着脱部に取り付けられた術具の鉗子部の位置および姿勢が容易に推測できてマスタマニピュレータ１０で操作できるような場合などには、処置部位置検出部は備えられなくてもよい。
着脱部５２Ａを第二の辺要素４７Ａに設定したが、着脱部５２Ａは第二の辺要素４５Ａ、４６Ａに設定してもよい。
【００８０】
スレーブアームを、軸体をボールジョイントで接続することで構成したが、スレーブアームの構成はこれに限定されない。スレーブアームの自由度が３以上であれば、例えば、スレーブアームを複数のリニアガイドや関節部で構成してもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１、２、３、４、５  手術支援装置
１０  マスタマニピュレータ（入力部）
１３  表示部
１６  手術用天板（ベース）
２０Ａ  スレーブマニピュレータ（医療用マニピュレータ、第一の医療用マニピュレータ）
２０Ｂ  スレーブマニピュレータ（医療用マニピュレータ、第二の医療用マニピュレータ）
２１Ａ、２１Ｂ  スレーブアーム（保持部）
２２Ａ  基端部
２３Ａ  先端部
２４Ａ、２４Ｂ  位置決めアーム（位置決め部）
２７Ａ、２７Ｂ  姿勢センサ（基準姿勢検出部）
２８Ａ、２８Ｂ  着脱部駆動部
２９Ａ、２９Ｂ  着脱位置検出部
３０Ａ  処置部初期位置検出部
３１Ａ、３１Ｂ  処置部位置検出部
５１Ａ  固定部
５２Ａ、５２Ｂ  着脱部
５３Ａ  着脱部移動機構（処置部駆動部）
５６  内視鏡
５６ａ  観察部
６３  スレーブ制御部（駆動部制御部）
６５  記憶部
２００  術具（第一の術具）
２０３、２１３  鉗子部（処置部）
２０５  接触センサ（送信部）
２１０  術具（第二の術具）
Ｃ２  光軸
Ｓ    基準平面
Ｖ１、Ｖ２  基準位置
Ｗ１   第一のローカル座標系（第一の直交座標系）
Ｗ２   第二のローカル座標系（第二の直交座標系）
θ    角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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