(57)【要約】【課題】本発明は、各駆動部の負荷をより正確かつ速やかに操作器にフィードバックすることができ、操作性を向上させることができる手術支援装置を得ることを目的とするものである。【解決手段】マニピュレータ３にマニピュレータ駆動機構が設けられている。マニピュレータ駆動機構２１には、ダイレクトドライブ方式のスレーブ側モータ１４が設けられている。操作器１の関節部には、ダイレクトドライブ方式のマスタ側モータ６が設けられている。操作器１は、マニピュレータ３からの力覚フィードバックを受けるように制御される。【選択図】図２
2006043349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータ駆動機構を有し手術器具を支持するマニピュレータと、上記マニピュレータ駆動機構に対応した関節部を有し上記マニピュレータを遠隔から操作する操作器とを備えたマスタスレーブ方式の手術支援装置において、
上記マニピュレータ駆動機構には、ダイレクトドライブ方式のスレーブ側モータが設けられており、上記操作器の上記関節部には、ダイレクトドライブ方式のマスタ側モータが設けられており、上記操作器が上記マニピュレータからの力覚フィードバックを受けるように制御されることを特徴とする手術支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、手術器具を支持し関節部を有するマニピュレータと、上記マニピュレータを遠隔から操作する操作器とを備えたマスタスレーブ方式の手術支援装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の手術支援装置は、患者の体表面を切開した穴から体内へ挿入するための手術器具、それを支持するためのロボットアーム、及び術者が手術器具とロボットアームとを操作するための操作器を備えている。このような手術支援装置では、患者に対して低侵襲の手術を行うことが可能である（例えば、特許文献１参照）。
また、このロボットアームの操作性を向上させるため、手術器具部分の負荷力を検出する方法に関して幾つかの案が発表されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１５９５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のような従来の手術支援装置では、手術器具全体としての負荷力しか検出できず、結糸縫合等のような細かな作業を行う場合に必要な、各部位、即ち各駆動部の負荷力のみを分離して検出することができないという問題があった。これに対し、ワイヤや棒による動力伝達を利用した負荷力検出手段も検討されてはいるが、摩擦等による負荷力検出への雑音が大きく、実用化するには解決するべき課題が多い。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、各駆動部の負荷をより正確かつ速やかに操作器にフィードバックすることができ、操作性を向上させることができる手術支援装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る手術支援装置は、マニピュレータ駆動機構を有し手術器具を支持するマニピュレータと、マニピュレータ駆動機構に対応した関節部を有しマニピュレータを遠隔から操作する操作器とを備え、マニピュレータ駆動機構には、ダイレクトドライブ方式のスレーブ側モータが設けられており、操作器の上記関節部には、ダイレクトドライブ方式のマスタ側モータが設けられており、操作器がマニピュレータからの力覚フィードバックを受けるように制御される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の手術支援装置は、マニピュレータ駆動機構には、ダイレクトドライブ方式のスレーブ側モータが設けられており、操作器の上記関節部には、ダイレクトドライブ方式のマスタ側モータが設けられており、操作器がマニピュレータからの力覚フィードバックを受けるように制御されるので、各駆動部の負荷をより正確かつ速やかに操作器にフィードバックすることができ、操作性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態の一例による手術支援装置を示す構成図である。マスタ側の操作器１は、術者２により操作される。スレーブ側のマニピュレータ３は、操作器１からの動作指令を受けて駆動される。これにより、患者４の体内において手術手技が行われる。このとき、患者情報が操作器１を通して術者２にフィードバックされる。このフィードバック情報を基に、術者２は次の動作を入力することができる。
【０００９】
図２は図１の手術支援装置を示すブロック図である。操作器１には、操作入力部５、マスタ側モータ６、マスタ側エンコーダ７、マスタ側モータ制御部８、全体制御部９、患者情報伝達手段としてのディスプレイ１０、及びマスタ側通信デバイス１１が設けられている。
【００１０】
術者２による入力操作は、操作入力部５に対して行われる。操作入力部５は、マニピュレータ３の関節部に対応した関節部を有している。操作入力部５の関節部の位置変化は、マスタ側エンコーダ７により検出される。マスタ側エンコーダ７で検出された関節部の位置変化は、マスタ側モータ制御部８を通して、入力情報として全体制御部９に入力される。全体制御部９では、入力情報に基づいて動作指令が生成される。動作指令は、マスタ側通信デバイス１１からマニピュレータ３へ出力される。
【００１１】
また、マニピュレータ３からのフィードバック情報（反力情報及び画像情報等）は、マスタ側通信デバイス１１を介して全体制御部９に入力される。そして、フィードバック情報のうちの反力情報は、全体制御部９からマスタ側モータ制御部８に入力される。これにより、マスタ側モータ制御部８によりマスタ側モータ６が駆動制御され、操作入力部５の対応する関節部にトルク（反力）が与えられる。
【００１２】
さらに、フィードバック情報のうちの画像情報は、全体制御部９からディスプレイ１０に入力される。これにより、ディスプレイ１０には、手術中の患部の映像等が映し出される。
【００１３】
マニピュレータ３には、スレーブ側通信デバイス１２、スレーブ側モータ制御部１３、スレーブ側モータ１４、スレーブ側エンコーダ１５及び手術器具である鉗子１６が設けられている。
【００１４】
マスタ側通信デバイス１１との信号の送受信（有線又は無線）は、スレーブ側通信デバイス１２により行われる。操作器１からの動作指令は、スレーブ側通信デバイス１２を介してスレーブ側モータ制御部１３に入力される。これにより、スレーブ側モータ制御部１３によりスレーブ側モータ１４が駆動制御される。スレーブ側モータ１４の駆動量は、スレーブ側エンコーダ１５により検出される。また、スレーブ側モータ１４の駆動により、鉗子１６の対応する関節部にトルクが与えられ、鉗子１６により患者４に対して手術手技が行われる。
【００１５】
手術手技を行う際、鉗子１６は患者４から反力を受ける。この反力は、外力としてスレーブ側エンコーダ１５に与えられる。スレーブ側エンコーダ１５で検出された反力・移動量の情報は、スレーブ側モータ制御部１３及びスレーブ側通信デバイス１２を介して操作器１に送られる。また、鉗子１６は内視鏡等により画像情報を取得可能になっており、鉗子１６で取得された画像情報は、スレーブ側通信デバイス１２を介して操作器１に送られる。
【００１６】
図３は図１のマニピュレータ３の要部を示す斜視図である。第１ないし第４スレーブアーム部材１７〜２０は、直列に連結されている。互いに隣接するスレーブアーム部材１７〜２０間には、マニピュレータ駆動機構２１が設けられている。第４スレーブアーム部材２０には、マニピュレータ駆動機構２１を介して一対の鉗子１６が連結されている。即ち、マニピュレータ駆動機構２１は、マニピュレータ３の関節部に設けられている。このような構成により、患者４の体内での複雑な動作が可能となっている。
【００１７】
次に、マニピュレータ駆動機構２１の具体的な構造について説明する。以下の例では、一例として第３スレーブアーム部材１９と第４スレーブアーム部材２０との間のマニピュレータ駆動機構２１について示すが、他の位置のマニピュレータ駆動機構２１についても同様の構成を適用できるのは勿論である。
【００１８】
まず、図４は図３のマニピュレータ駆動機構２１の内部構造の第１例を示す斜視図である。スレーブアーム部材１９，２０は、ベアリング２２を介して互いに回転可能に連結されている。即ち、第４スレーブアーム部材２０は、第３スレーブアーム部材１９に対して、回転方向にのみ駆動することが可能である。
【００１９】
スレーブアーム部材１９，２０は、スレーブ側モータ１４により駆動される。スレーブ側モータ１４としては、ダイレクトドライブ方式のモータ（ＤＤモータ）が用いられている。スレーブ側モータ１４は、第３スレーブアーム部材１９に搭載された固定子２３と、第４スレーブアーム部材２０に搭載された回転子２４とを有している。
【００２０】
回転子２４は、第４スレーブアーム部材２０の内側に軸方向に並べて配置された２つの短絡環２５，２６と、第４スレーブアーム部材２０の内壁を覆うように短絡環２５，２６間に接続された複数の導体２７とを有している。
【００２１】
固定子２３は、回転子２４の円周方向に分割された２組の固定子分割片を有している。各固定子分割片は、多相交流を供給されることにより回転磁界を生成する固定子巻線を含んでいる。固定子２３は、回転子２４と同軸に配置されているとともに、回転子２４の内周面に対向するように配置されている。
【００２２】
固定子２３に回転磁界が発生されると、回転子２４の導体２７に電圧が励起される。この電圧により導体２７に電流が流れ、回転子２４にトルクが発生し、第４スレーブアーム部材２０が第３スレーブアーム部材１９に対して回転される。
【００２３】
固定子２３の分割数は、２つに限定されるものではなく、３つ以上の固定子分割片に分割してもよい。また、固定子２３は、分割しなくてもよい。さらに、固定子２３を分割した場合は、それぞれの固定子分割片が同一又はほぼ同一で、かつ円周方向に隣り合う固定子分割片間の間隔を等しくした方が、回転子２４を速度ムラなく円滑に回転させることが可能である。
【００２４】
また、スレーブ側エンコーダ１５は、マニピュレータ駆動機構２１に設けられている。さらに、スレーブ側エンコーダ１５は、第４スレーブアーム部材２０に設けられ第４スレーブアーム部材２０と一体に回転される回転板２８と、この回転板２８に対向するように第３スレーブアーム部材１９に設けられたエンコーダ検出部２９とを有している。回転板２８には、放射状のスリットが円周方向に等間隔に打ち抜かれている。
【００２５】
エンコーダ検出部２９は、回転板２８のスリットを光学的に読み取る。第４スレーブアーム部材２０が回転するとき、回転板２８も等しく回転するため、スリットの位置が変化する。従って、エンコーダ検出部２９は、スリットの位置変化を読み取ることにより、第３スレーブアーム部材１９に対する第４スレーブアーム部材２０の相対的な回転量を検出する。
【００２６】
また、第４スレーブアーム部材２０には、ブレーキ装置３０が設けられている。ブレーキ装置３０は、第３スレーブアーム部材１９に対して接離可能な制動部材３１と、制動部材３１を動作させる積層圧電アクチュエータ３２とを有している。積層圧電アクチュエータ３２への給電が行われていないときには、制動部材３１は第３スレーブアーム部材１９に圧接される。
【００２７】
また、積層圧電アクチュエータ３２に給電すると、電気エネルギーが軸方向の変位に変換され、それに応じて制動部材３１が押し広げられて、制動部材３１の第３スレーブアーム部材１９に対する圧接状態が解除される。これにより、第３スレーブアーム部材１９に対する第４スレーブアーム部材２０の回転が可能となる。
【００２８】
事故等により給電が行われなくなった場合は、制動部材３１が圧接状態へと戻るため、第４スレーブアーム部材２０の回転が阻止され、非制御の動作による患者の損傷が防止される。
【００２９】
ベアリング２２、スレーブ側モータ１４、スレーブ側エンコーダ１５及びブレーキ装置３０の要素は、スレーブアーム部材１９，２０の軸方向に沿って直列に配置することが可能である。これらの要素をマニピュレータ駆動機構２１の内側に順番に配置することにより、密閉性を損なわずにスレーブアーム部材１９，２０の形状を管状にすることが可能である。
【００３０】
このように、マニピュレータ駆動機構２１の中央には、軸方向に沿って延びる空洞部３３が設けられている。この空洞部３３には、マニピュレータの密閉性を損なわずに、制御用の配線やモータ冷却用の冷却チューブ（いずれも図示せず）を配置することもできる。
【００３１】
次に、図５は図３のマニピュレータ駆動機構２１の内部構造の第２例を示す斜視図である。ここでは、第１例と相違する部分について主に説明する。スレーブ側モータ１４としては、ダイレクトドライブ方式のモータ（ＤＤモータ）が用いられている。スレーブ側モータ１４は、第３スレーブアーム部材１９に搭載された回転子３４と、第４スレーブアーム部材２０に搭載された固定子３５とを有している。
【００３２】
回転子３４は、第３スレーブアーム部材１９と同軸に配置された径の異なる２つの短絡環３６，３７と、短絡環３６，３７間に接続された複数の導体３８とを有している。
【００３３】
固定子３５は、回転子３４の円周方向に分割された２組の固定子分割片を有している。各固定子分割片は、多相交流を供給されることにより回転磁界を生成する固定子巻線を含んでいる。固定子３５は、回転子３４に対向するように配置されている。
【００３４】
固定子３５に回転磁界が発生されると、回転子３４の導体３８に電圧が励起される。この電圧により導体３８に電流が流れ、回転子３４にトルクが発生し、第４スレーブアーム部材２０が第３スレーブアーム部材１９に対して回転される。
【００３５】
固定子３５の分割数は、２つに限定されるものではなく、３つ以上の固定子分割片に分割してもよい。また、固定子３５は、分割しなくてもよい。さらに、固定子３５を分割した場合は、それぞれの固定子分割片が同一又はほぼ同一で、かつ円周方向に隣り合う固定子分割片間の間隔を等しくした方が、回転子３４を速度ムラなく円滑に回転させることが可能である。
【００３６】
スレーブ側エンコーダ１５は、第３スレーブアーム部材１９に設けられ第３スレーブアーム部材１９と一体に回転される回転板３９と、この回転板３９に対向するように第４スレーブアーム部材２０に設けられたエンコーダ検出部４０とを有している。回転板３９には、放射状のスリットが円周方向に等間隔に打ち抜かれている。
【００３７】
エンコーダ検出部４０は、回転板３９のスリットを光学的に読み取る。第４スレーブアーム部材２０に対して第３スレーブアーム部材１９が相対的に回転するとき、回転板３９も等しく回転するため、スリットの位置が変化する。従って、エンコーダ検出部４０は、スリットの位置変化を読み取ることにより、第４スレーブアーム部材２０に対する第３スレーブアーム部材１９の相対的な回転量を検出する。
【００３８】
図６は図１の操作器１を示す斜視図である。制御部筐体４１内には、図２に示したマスタ側モータ制御部８、全体制御部９及びマスタ側通信デバイス１１が収容されている。ディスプレイ１０は、制御部筐体４１上に載置されている。
【００３９】
図７は図６の操作入力部５の要部を分解して示す斜視図である。操作入力部５は、レバー４２、ダイアル４３、垂直動作部４４、第１ないし第３関節部４５，４６，４７を有している。レバー４２には、グリップ４２ａが設けられている。関節部４５，４６，４７は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を中心として回転可能になっている。レバー４２、ダイアル４３、垂直動作部４４、関節部４５，４６，４７には、それぞれ図２に示したマスタ側モータ６及びマスタ側エンコーダ７が設けられている。マスタ側モータ６としては、ダイレクトドライブ方式のモータ（ＤＤモータ）が用いられている。操作入力部５は、術者の動作入力を検出するとともに、マニピュレータ３からのフィードバック（反力）を術者に伝達することができる。
【００４０】
次に、この実施の形態における手術支援装置の操作例について説明する。図８は図１の操作器１とマニピュレータ３の初期状態を示す斜視図、図９は図７のレバー４２を動かしたときのマニピュレータ３の動きを示す斜視図である。術者がレバー４２を握り動かすことにより、関節部４５，４６，４７が三次元的な動きを検出し、マニピュレータ３を動作させる。
【００４１】
図１０は図７のダイアル４３を回したときのマニピュレータ３の動きを示す斜視図である。ダイアル４３を回転させることにより、鉗子１６の捻り方向への角度が変化される。
【００４２】
図１１は図７のレバー４２を前後方向に動かしたときのマニピュレータ３の動きを示す斜視図である。レバー４２を前後に動かすことにより、垂直動作部４４の位置が変化し、鉗子１６が前進・後退される。
【００４３】
図１２は図７のグリップ４２ａを開いたときのマニピュレータ３の動きを示す斜視図、図１３は図１２のレバー４２を前進させたときのマニピュレータ３の動きを示す斜視図である。グリップ４２ａを開くことにより、一対の鉗子１６は開状態となる。その状態のままレバー４２を前進させることにより、鉗子１６を患者体内の病変部４８の両側に差し込むことができる。
【００４４】
図１４は図１３のグリップ４２ａを把持したときのマニピュレータ３の動きを示す斜視図である。図１３の状態からグリップ４２ａを把持することにより、鉗子１６が閉じられ、病変部４８は鉗子１６により挟持される。このとき、挟まれた病変部４８には鉗子１６を押し開こうとする反力が発生するため、グリップ４２ａとレバー４２との間に設けられたマスタ側モータ６には、グリップ４２ａを開く方向への力が発生し、術者は力覚フィードバック（負荷フィードバック）を受ける。これにより、術者は、ディスプレイ１０による映像だけでなく、力覚フィードバックによっても病変部４８を把持したことを認識することができる。
【００４５】
図１５は図１４のレバー４２を後退させたときのマニピュレータ３の動きを示す斜視図である。グリップ４２ａを把持したままレバー４２を後退させることにより、鉗子１６も病変部４８を挟持したまま後退される。このような一連の動作により、術式において病変部４８を摘み上げることができる。このとき、病変部４８には元の形に戻ろうとする反力が発生するため、垂直動作部４４に設けられたマスタ側モータ６には、レバー４２を前進させる方向への力が発生し、術者は力覚フィードバック（負荷フィードバック）を受ける。
【００４６】
このような手術支援装置では、特別なセンサを用いずに操作器１に力覚フィードバックを与えることができるので、各駆動部の負荷をより正確かつ速やかに操作器１にフィードバックすることができ、操作性を向上させることができる。また、装置全体の小型化を図ることができる。さらに、マスタ側モータ６及びスレーブ側モータ１４としてダイレクトドライブ方式のモータを用いたので、微細な力覚フィードバックが可能となり、手術支援装置に特に適している。
【００４７】
ここで、スレーブ側からマスタ（術者）側へ動作反力等を伝達する場合、力や速度等に関する何等かのパラメータによって情報を伝達する必要がある。この際、例えば機械的な摩擦など、伝達情報を劣化させる要素（外乱）が存在するため、それを軽減するような制御が実行される。
【００４８】
このような制御には、外乱を受けてから、その影響を修正するフィードバック制御と、外乱に関する情報を事前に検知し、外乱の影響を軽減するような修正を事前に加えるフィードフォワード制御とが存在する。
【００４９】
これらのうち、フィードバック制御では、修正動作が後追いとなるため、外乱が生じるとその影響を必ず受けてしまう（最終的には収束するが）という欠点がある。この欠点は、リアルタイム性が重視されるマスタスレーブの反力伝達においては、重大な問題である。
【００５０】
一方、フィードフォワード制御を行うためには、外乱を事前に検知又は予測する必要がある。アームの動作による遠心力や重心移動等は動作指令を送った段階で計算できるため、事前に予測することができる。これに対して、機械的な摩擦やガタは、予測が難しく、フィードフォワード制御では問題となる。
【００５１】
力センサ等のアクチュエータとは別の機器を配置することは、ガタを増やす可能性があり、フィードフォワード制御には適していない。これに対して、モータ及びそれと同軸に配置されたエンコーダのみで取得できる要素である速度・加速度が反力伝達のパラメータとしては適している。従って、スレーブ側及びマスタ側モータとして、ダイレクトドライブ方式のモータ（例えば非接触のリニアモータ等）を用い、加速度制御（力センサレス制御）を実行することにより、摩擦を大幅に減らし、より正確な動作反力の伝達が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】この発明の実施の形態の一例による手術支援装置を示す構成図である。
【図２】図１の手術支援装置を示すブロック図である。
【図３】図１のマニピュレータの要部を示す斜視図である。
【図４】図３のマニピュレータ駆動機構の内部構造の第１例を示す斜視図である。
【図５】図３のマニピュレータ駆動機構の内部構造の第２例を示す斜視図である。
【図６】図１の操作器を示す斜視図である。
【図７】図６の操作入力部の要部を分解して示す斜視図である。
【図８】図１の操作器とマニピュレータの初期状態を示す斜視図である。
【図９】図７のレバーを動かしたときのマニピュレータの動きを示す斜視図である。
【図１０】図７のダイアルを回したときのマニピュレータの動きを示す斜視図である。
【図１１】図７のレバーを前後方向に動かしたときのマニピュレータの動きを示す斜視図である。
【図１２】図７のグリップを開いたときのマニピュレータの動きを示す斜視図である。
【図１３】図１２のレバーを前進させたときのマニピュレータの動きを示す斜視図である。
【図１４】図１３のグリップを把持したときのマニピュレータの動きを示す斜視図である。
【図１５】図１４のレバーを後退させたときのマニピュレータの動きを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  操作器、３  マニピュレータ、６  マスタ側モータ、１４  スレーブ側モータ、２１  マニピュレータ駆動機構。
【図１】
2006043349.tif 000003
【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】
2006043349.tif 000013
【図１２】
2006043349.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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