(57)【要約】【課題】湾曲部または処置具の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得る。【解決手段】軟性部および湾曲部１５を有する挿入部５と、湾曲部１５を湾曲動作させる湾曲部駆動部１２とを有するマニピュレータ１と、湾曲部１５に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部２と、軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部２２と、湾曲部１５の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部２３と、操作指示に従って湾曲部駆動部１２を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部３と、各形状検出部２２，２３によって検出された湾曲形状に基づいて補償値を設定する補償値設定部２４，２５とを備え、制御部３が、補償値設定部２４，２５によって設定された補償値を用いて補正した湾曲制御信号を湾曲部駆動部１２に送信するマニピュレータシステム１００を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する細長い軟性部および該軟性部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部とを有するマニピュレータと、
前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、
前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部と、
前記湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部と、
前記操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、
前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状および前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、
前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステム。
【請求項２】
前記マニピュレータが、前記挿入部内に長手方向に挿入される処置具を備え、
前記挿入部内の前記処置具の有無と、前記挿入部内に前記処置具が存在する場合にはその処置具とを識別する処置具識別部を備え、
前記補償値設定部は、前記処置具識別部によって識別された処置具の有無と、前記挿入部内に前記処置具が存在する場合には前記処置具識別部によって識別された処置具の力学的特性とにさらに基づいて、前記補償値を設定する請求項１に記載のマニピュレータシステム。
【請求項３】
前記マニピュレータは、前記軟性部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達する線材を備え、
前記挿入部に、該挿入部内における前記線材の経路を規定する通路が設けられている請求項１または請求項２に記載のマニピュレータシステム。
【請求項４】
前記マニピュレータは、前記軟性部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達する線材を備え、
該線材の、前記挿入部から外部に引き出された基端部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部を備え、
前記補償値設定部が、前記体外部分形状検出部によって検出された前記線材の基端部分の湾曲形状にさらに基づいて、前記補償値を設定する請求項１から請求項３のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
【請求項５】
前記制御部が、前記湾曲部駆動部をフィードフォワード制御し、
前記補償値設定部は、前記制御部が前記フィードフォワード制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項１から請求項４のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
【請求項６】
前記制御部が、前記湾曲部駆動部をフィードバック制御し、
前記補償値設定部は、前記制御部がフィードバック制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項１から請求項４のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
【請求項７】
前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信し、
前記補償値設定部が、前記湾曲部の湾曲動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を前記補償値として設定する請求項１から請求項４のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
【請求項８】
可撓性を有する細長い軟性部および該軟性部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、該挿入部内に長手方向に挿入される処置具と、前記挿入部内において前記処置具を進退動作および回転動作させる処置具駆動部とを有するマニピュレータと、
前記処置具に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、
前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部と、
前記湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部と、
前記操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記処置部駆動部を駆動させるための進退制御信号および回転制御信号を生成する制御部と、
前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状および前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状に基づいて、前記進退制御信号および前記回転制御信号の各々に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、
前記制御部が、前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記補償値設定部によって設定された各々に対する前記補償値を用いて補正し、補正された前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記処置部駆動部に送信するマニピュレータシステム。
【請求項９】
前記挿入部内の前記処置具を識別する処置具識別部を備え、
前記補償値設定部が、前記処置具識別部によって識別された処置具の力学的特性にさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項８に記載のマニピュレータシステム。
【請求項１０】
前記処置具の、前記挿入部から外部に引き出された基端部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部を備え、
前記補償値設定部が、前記体外部分形状検出部によって検出された前記処置具の基端部分の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項８または請求項９に記載のマニピュレータシステム。
【請求項１１】
前記挿入部に、長手方向に貫通形成され前記処置具が挿入される複数のチャネルが設けられ、
前記複数のチャネルのうち、前記処置具が挿入されているチャネルを検出する使用チャネル検出部を備え、
前記補償値設定部が、前記使用チャネル検出部によって検出された前記チャネルにさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項８から請求項１０のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
【請求項１２】
前記制御部が、前記処置具駆動部をフィードフォワード制御し、
前記補償値設定部は、前記制御部が前記フィードフォワード制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項８から請求項１１のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
【請求項１３】
前記制御部が、前記処置具駆動部をフィードバック制御し、
前記補償値設定部は、前記制御部がフィードバック制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項８から請求項１１のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
【請求項１４】
前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記処置具駆動部に送信し、
前記補償値設定部は、前記処置具の進退動作または回転動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を各前記補償値として設定する請求項８から請求項１１のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被検体に挿入される細長い挿入部と、挿入部の基端側に接続される操作部とから構成される内視鏡やマニピュレータは、挿入部の先端部分に湾曲部を有しており、湾曲部の湾曲動作によって、先端の向きを変更可能になっている。湾曲部を湾曲させるための機構としては、湾曲部に接続されたワイヤの基端部分を、操作部に設けられたノブを手動で回すことによって引っ張る方式が採用されている。近年、この湾曲機構の電動化技術の研究が進んでおり、現行の手動によるノブ操作をモータ駆動に置き換える技術が盛んに研究されている（例えば、特許文献１および２参照。）。一般に、モータ駆動においては、操作部に入力された操作量に比例する量だけモータを回転させることによって、操作量に対応する湾曲量だけ湾曲部の湾曲角度を変更することができる。
【０００３】
しかし、実際には、ワイヤと周囲の部材との間の摩擦やワイヤの弛み等によって、ワイヤの基端部分に加えられた引っ張り量は、完全にはワイヤの先端まで伝達され難い。すなわち、ワイヤの引っ張り量と湾曲部の湾曲量とは、非線形の関係にある。さらに、この非線形性は、挿入部の湾曲形状に依存して変化する。したがって、モータの回転量を単に操作量に比例させていたのでは、操作者の操作に対して、湾曲部の湾曲動作の良好かつ同一の応答性を得ることができない。このような応答性の低下およびばらつきは、挿入部のチャネル内に挿入されている処置具の進退動作および回転動作においても発生することが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
そこで、特許文献１〜３では、軟性部または湾曲部の湾曲形状に基づいて、湾曲部または処置具の動作の応答性の低下およびばらつきを補償するようにモータを制御することによって、応答性の改善を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２６４０４８号公報
【特許文献２】特許第５０４８１５８号公報
【特許文献３】特開２００７−８９８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、処置具および湾曲部の動作はいずれも、軟性部および湾曲部の両方の湾曲形状の影響を受ける。特許文献１〜３は、軟性部および湾曲部のうちいずれか一方の湾曲形状しか考慮していないので、処置具および湾曲部の応答性の向上には限界があるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、湾曲部または処置具の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができるマニピュレータシステム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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、可撓性を有する細長い軟性部および該軟性部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部とを有するマニピュレータと、前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部と、前記湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部と、前記操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状および前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステムを提供する。
【０００９】
本発明によれば、操作者が操作入力部に操作指示を入力すると、制御部がこの操作指示から生成した湾曲制御信号を補償値設定部によって設定された補償値によって補正した後に湾曲部駆動部に送信することによって、湾曲部が操作指示に対応する湾曲動作を行う。これにより、例えば、体内に配置された挿入部の湾曲部を、体外に配置された操作入力部を用いて遠隔操作することができる。
【００１０】
この場合に、操作信号に対する湾曲部の湾曲動作の応答性は、軟性部および湾曲部の両方の湾曲形状に依存する。補償値は、軟性部形状検出部および湾曲部形状検出部によって検出された、軟性部および湾曲部の両方の湾曲形状に基づいて設定されている。これにより、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができる。
【００１１】
上記発明においては、前記マニピュレータが、前記挿入部内に長手方向に挿入される処置具を備え、前記挿入部内の前記処置具の有無と、前記挿入部内に前記処置具が存在する場合にはその処置具とを識別する処置具識別部を備え、前記補償値設定部は、前記処置具識別部によって識別された処置具の有無と、前記挿入部内に前記処置具が存在する場合には前記処置具識別部によって識別された処置具の力学的特性とにさらに基づいて、前記補償値を設定してもよい。
このようにすることで、湾曲部の応答性は、挿入部内の処置具の有無およびその処置具が有する力学的特性にも依存する。したがって、挿入部内の処置具の有無および処置具の力学的特性も補償値に反映することによって、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記マニピュレータは、前記軟性部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達する線材を備え、前記挿入部に、該挿入部内における前記線材の経路を規定する通路が設けられていてもよい。
このようにすることで、湾曲部の応答性のばらつきの要因である、線材に発生する摩擦や弛みのばらつきが低減されるので、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
【００１３】
また、上記発明においては、前記マニピュレータは、前記軟性部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達する線材を備え、該線材の、前記挿入部から外部に引き出された基端部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部を備え、前記補償値設定部が、前記体外部分形状検出部によって検出された前記線材の基端部分の湾曲形状にさらに基づいて、前記補償値を設定してもよい。
このようにすることで、湾曲部の応答性は、挿入部の外部に位置する線材の基端部分の湾曲形状にも依存する。したがって、挿入部の外部における線材の基端部分の湾曲形状も補償値に反映することによって、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記制御部が、前記湾曲部駆動部をフィードフォワード制御またはフィードバック制御し、前記補償値設定部は、前記制御部が前記フィードフォワード制御またはフィードバック制御に用いるゲインを前記補償値としてもよい。
このようにすることで、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを簡便な制御方法を利用して補償することができる。
【００１５】
また、上記発明においては、前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信し、前記補償値設定部が、前記湾曲部の湾曲動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を前記補償値として設定してもよい。
このようにすることで、湾曲部の湾曲動作の方向が反転する際に生じるバックラッシを効果的に解消することができる。
【００１６】
また、本発明は、可撓性を有する細長い軟性部および該軟性部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、該挿入部内に長手方向に挿入される処置具と、前記挿入部内において前記処置具を進退動作および回転動作させる処置具駆動部とを有するマニピュレータと、前記処置具に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部と、前記湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部と、前記操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記処置部駆動部を駆動させるための進退制御信号および回転制御信号を生成する制御部と、前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状および前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状に基づいて、前記進退制御信号および前記回転制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、前記制御部が、前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記補償値設定部によって設定された各々に対する前記補償値を用いて補正し、補正された前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記処置部駆動部に送信するマニピュレータシステムを提供する。
【００１７】
本発明によれば、操作者が操作入力部に操作指示を入力すると、制御部が、この操作指示から生成した進退制御信号および回転制御信号を補償値設定部によって設定された補償値によって補正した後に処置具駆動部に送信することによって、処置具が操作指示に対応する進退動作および回転動作を行う。これにより、例えば、挿入部を介して体内に配置された処置具を、体外に配置された操作入力部を用いて遠隔操作することができる。
【００１８】
この場合に、操作信号に対する処置具の進退動作および回転動作の応答性は、軟性部および湾曲部の両方の湾曲形状に依存する。補償値は、軟性部形状検出部および湾曲部形状検出部によって検出された、軟性部および湾曲部の両方の湾曲形状に基づいて設定されている。これにより、処置具の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができる。
【００１９】
上記発明においては、前記挿入部内の前記処置具を識別する処置具識別部を備え、前記補償値設定部が、前記処置具識別部によって識別された処置具の力学的特性にさらに基づいて、各前記補償値を設定してもよい。
このようにすることで、処置具の応答性は、その処置具が有する力学的特性にも依存する。したがって、処置具の力学的特性も補償値に反映することによって、処置具の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
【００２０】
また、上記発明においては、前記処置具の、前記挿入部から外部に引き出された基端部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部を備え、前記補償値設定部が、前記体外部分形状検出部によって検出された前記処置具の基端部分の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定してもよい。
このようにすることで、処置具の応答性は、挿入部の外部に位置する基端部分の湾曲形状にも依存する。したがって、挿入部の外部における処置具の基端部分の湾曲形状も補償値に反映することによって、処置具の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
【００２１】
また、上記発明においては、前記挿入部に、長手方向に貫通形成され前記処置具が挿入される複数のチャネルが設けられ、前記複数のチャネルのうち、前記処置具が挿入されているチャネルを検出する使用チャネル検出部を備え、前記補償値設定部が、前記使用チャネル検出部によって検出された前記チャネルにさらに基づいて、各前記補償値を設定としてもよい。
このようにすることで、処置具の応答性は、処置具が挿入されているチャネルの、挿入部内における位置や内径寸法等の特性にも依存する。したがって、処置具が挿入されているチャネルも補償値に反映することによって、処置具の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
【００２２】
また、上記発明においては、前記制御部が、前記処置具駆動部をフィードフォワード制御またはフィードバック制御し、前記補償値設定部は、前記制御部が前記フィードフォワード制御またはフィードバック制御に用いるゲインを前記補償値としてもよい。
また、上記発明においては、前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記処置具駆動部に送信し、前記補償値設定部が、前記処置具の進退動作または回転動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を前記補償値として設定してもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、湾曲部または処置具の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るマニピュレータシステムの基本構成を示す外観図である。
【図２】図１のマニピュレータシステムが備える挿入部の先端部分の構成を示す外観図である。
【図３】図１のマニピュレータシステムの全体構成を示すブロック図である。
【図４】図１のマニピュレータシステムが備える挿入部の全体構成を示す外観図である。
【図５】図４の湾曲部を湾曲させる機構を示す構成図である。
【図６】図１のマニピュレータシステムが備える処置具の全体構成を示す外観図である。
【図７】図４の軟性部形状検出部による特徴量ｋの算出方法を説明する図であり、（ａ）軟性部形状検出部によって検出された軟性部の湾曲形状を示す図と、（ｂ）微小区間の変数を示す図ある。
【図８】（ａ）〜（ｃ）図４の軟性部形状検出部による特徴量ｋのもう１つの算出方法を説明する図である。
【図９】軟性部が（ａ）直線状および（ｂ）湾曲状であるときの通常制御における湾曲部の応答特性と、（ｃ）軟性部が湾曲状であるときのＦＦ制御における湾曲部の応答特性とを示すグラフである。
【図１０】制御部による湾曲部駆動部のもう１つの制御方法を説明する図であって、摩擦補償係数によって補正される前（実線）と後（破線）の制御信号を示すグラフである。
【図１１】図１のマニピュレータシステムの変形例を示すブロック図である。
【図１２】挿入部の変形例を示す（ａ）部分的な縦断面図と、（ｂ）Ｉ−Ｉ線における横断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータシステムの全体構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係るマニピュレータシステムの全体構成を示すブロック図である。
【図１５】軟性部が（ａ）直線状および（ｂ），（ｃ）湾曲状であるときの通常制御における湾曲部の応答特性と、（ｄ）軟性部が直線状であるときのＦＦ制御における湾曲部の応答特性とを示すグラフである。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係るマニピュレータシステムの全体構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態に係るマニピュレータシステムの全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るマニピュレータシステム１００について図１から図１２を参照して説明する。
まず、本実施形態に係るマニピュレータシステム１００の概要について説明する。本実施形態に係るマニピュレータシステム１００は、図１に示すように、スレーブマニピュレータ（マニピュレータ）１と、術者（操作者）Ｏｐによって操作されるマスタ入力部（操作入力部）２と、該マスタ入力部２になされた操作に基づいてスレーブマニピュレータ１を制御する制御部３とを主な構成として備えている。
【００２６】
スレーブマニピュレータ１は、患者Ｐが横たわる手術台８０の近傍に配置されるスレーブアーム４と、該スレーブアーム４の先端に保持された挿入部５と、該挿入部５内に挿入される処置具６とを備えている。挿入部５の先端には、図２に示されるように、観察部材７が設けられ、該観察部材７によって、挿入部５の先端前方の視野と、挿入部５の先端から突出した処置具６とが、撮影されるようになっている。観察部材７によって取得された映像は、マスタ入力部２に設けられた表示部８に表示される。観察部材７の視野は、挿入部５の先端部分に設けられた湾曲部１５の湾曲角度を、挿入部５の長手方向に直交する上下方向（ＵＤ方向）または左右方向（ＬＲ方向）に変更することによって、移動可能になっている。
【００２７】
術者Ｏｐは、表示部８に表示される体内および処置具６の映像を観察しながら、マスタ入力部２に設けられたマスタアーム９を操作することによって、患者Ｐの体内に挿入された挿入部５と、該挿入部５内を介して体内に導入された処置具６とを、遠隔操作することができる。
【００２８】
次に、マニピュレータシステム１００の各部について詳細に説明する。
スレーブアーム４は、図３に示されるように、挿入部５が取り付けられる挿入部取付部１０と、処置具６が取り付けられる処置具取付部１１と、挿入部取付部１０に取り付けられた挿入部５の湾曲部１５を駆動する湾曲部駆動部１２と、処置具取付部１１に取り付けられた処置具６を駆動する処置具駆動部１３とを備えている。湾曲部駆動部１２および処置具駆動部１３は、制御部３から受信した制御信号に従って湾曲部１５または処置具６をそれぞれ駆動する。
【００２９】
図４は、挿入部５の外観を示している。図４に示されるように、挿入部５は、可撓性を有する細長い軟性部１４と、該軟性部１４の先端側に設けられた湾曲部１５とを備えている。また、軟性部１４の基端側には、スレーブアーム４の挿入部取付部１０に取り付けられる取付ユニット１６が接続されている。湾曲部１５は、複数の節輪や湾曲コマ等が連結された公知の構造を有し、最も先端側の節輪等に接続されたＵＤ湾曲用のワイヤ（線材）１５ａおよびＬＲ湾曲用のワイヤ（線材）１５ｂの基端部分が取付ユニット１６内において長手方向に押し引きされることによって、ＵＤ方向およびＬＲ方向に湾曲するように構成されている。
【００３０】
具体的には、各ワイヤ１５ａ，１５ｂの基端部分は、図５に示されるように、軟性部１４の基端から引き出され、取付ユニット１６内に設けられたプーリ１６ａに巻き付けられている。取付ユニット１６は、挿入部取付部１０に取り付けられたときに、各プーリ１６ａと、湾曲部駆動部１２が有する各モータ１２ａとが同軸に連結するように構成されている。制御部３からの回転制御信号に従ってモータ１２ａが回転することによってプーリ１６ａが正転または反転し、これによりワイヤ１５ａ，１５ｂが押し引きされて湾曲部１５の湾曲角度が変更されるようになっている。なお、図５においては、図面を簡略にするために、モータ１２ａは１つだけ、また、ワイヤ１５ａ，１５ｂは、軟性部１４側の２つのプーリ１６に巻き付けられている２つだけ、図示されている。
【００３１】
また、挿入部５は、長手方向に貫通形成されたチャネルを有している。このチャネルは、挿入部５の基端側に設けられた処置具用ポート１７と連通しており、該処置具用ポート１７からチャネルへ処置具６が挿入される。
【００３２】
処置具６は、高周波ナイフやスネアループ、把持鉗子等であり、図６に示されるように、可撓性を有する細長い本体１８と、該本体１８の先端に設けられた処置部１９とを備えている。また、本体１８の基端側には、スレーブアーム４の処置具取付部１１に取り付けられる取付ユニット２０が接続されている。本体１８の基端部分が取付ユニット２０内において長手方向に押し引きされ、または、周方向に回転されることによって、処置具６全体がチャネル内において進退または回転するようになっている。
【００３３】
具体的には、取付ユニット２０内には、本体１８の基端に同軸に連結されたプーリ２０ａが設けられている。このプーリ２０ａは、本体１８の長手方向に直線運動可能なステージ２０ｂ上に固定されている。一方、処置具駆動部１３には、プーリ２０ａを回転させる回転モータ１３ａと、ステージ２０ｂを直線移動させる直動モータ１３ｂとが設けられている。取付ユニット２０は、処置具取付部１１に取り付けられたときに、プーリ２０ａと回転モータ１３ａとが連結し、ステージ２０ｂと直動モータ１３ｂとが連結するように、構成されている。これにより、制御部３からの回転制御信号に従って回転モータ１３ａがプーリ２０ａを回転させることによって、処置具６が回転するようになっている。また、制御部３からの進退制御信号に従って直動モータ１３ｂがステージ２０ｂを直線移動させることによって、処置具６が進退するようになっている。
【００３４】
マスタ入力部２は、上述したように、観察部材７によって取得された映像を表示する表示部８と、術者Ｏｐによって操作される複数のマスタアーム９とを備えている。マスタアーム９は、少なくとも湾曲部１５および処置具６に対する操作指示が術者Ｏｐによって入力可能になっている。マスタ入力部２は、術者Ｏｐによってマスタアーム９に入力された操作指示に応じた操作信号を生成し、生成した操作信号を制御部３に送信する。
【００３５】
制御部３は、マスタ入力部２から湾曲部１５に対する操作信号を受信したときに、当該操作信号から湾曲部駆動部１２を駆動させるための湾曲制御信号を生成し、該湾曲制御信号を湾曲部駆動部１２に送信する。また、制御部３は、マスタ入力部２から処置具６に対する操作信号を受信したときに、当該操作信号から処置具駆動部１３を駆動させるための進退制御信号および回転制御信号を生成し、該進退制御信号および回転制御信号を処置具駆動部１３に送信する。各駆動部１２，１３のモータ１２ａ，１３ａ，１３ｂには、その回転量を検出するエンコーダ（図示略）が取り付けられている。制御部３は、各モータ１２ａ，１３ａ，１３ｂの回転量をエンコーダから受信することによって、湾曲部１５の湾曲量や、処置具６の進退量または回転量を認識し、認識したこれらの量に基づいて、各駆動部１２，１３のモータをフィードバック（ＦＢ）制御するようになっている。
【００３６】
さらに、本実施形態に係るマニピュレータシステム１００は、軟性部１４の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部２２と、湾曲部１５の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部２３と、補償値設定部２４，２５とを備えている。補償値設定部２４，２５は、各形状検出部２２，２３によって検出された軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に応じた補償値を設定する。制御部３は、補償値設定部２３，２４によって設定された補償値を用いて、操作信号に対して湾曲部１５の湾曲動作が正確に追従するように、湾曲部駆動部１２をフィードフォワード（ＦＦ）制御する。次に、この制御部３による湾曲部１５の制御方法について具体的に説明する。
【００３７】
軟性部形状検出部２２は、軟性部１４に内蔵された磁気コイルが発生する磁気を検出することによって軟性部１４の形状を取得する内視鏡挿入形状観測装置を備えている。軟性部形状検出部２２は、内視鏡挿入形状観測装置によって取得された軟性部１４の形状に基づいて、該軟性部１４の湾曲形状を表わす特徴量ｋを算出する。
【００３８】
磁気コイルは、軟性部１４の長手方向に異なる位置に複数個設けられている。内視鏡挿入形状観測装置は、各磁気コイルが発生する磁気を受信するアンテナを有し、アンテナによって受信した磁気から各磁気コイルの位置を演算し、得られた磁気コイルの位置を滑らかな曲線で結ぶことによって、軟性部１４の湾曲形状を取得する。
【００３９】
軟性部形状検出部２２は、内視鏡挿入形状観測装置によって取得された軟性部１４の湾曲形状から次の手順に従って特徴量ｋを算出する。まず、軟性部形状検出部２２は、図７（ａ），（ｂ）に示されるように、軟性部１４を長手方向に微小区間Δｄに分割し、各微小区間Δｄについて、曲げ半径ｒおよび曲げ角度Δφを測定する。軟性部形状検出部２２は、微小区間Δｄの特徴量Δｋと、曲げ半径ｒおよび曲げ角度Δφとの関係を定義する関数を保持している。この関数は、軟性部１４が直線状に延びているとき（すなわち、ｒ＝∞かつ曲げ角度Δφ＝０のとき）に特徴量Δｋがゼロになり、曲げ半径ｒが小さい程、また、曲げ角度Δφが大きい程、特徴量Δｋが大きくなるように、設定されている。この関数に曲げ半径ｒおよび曲げ角度Δφを代入することによって、各微小区間Δｄについての特徴量Δｋが得られる。そして、軟性部１４の全長にわたって特徴量Δｋを積分することによって、軟性部１４全体の湾曲形状の湾曲量を表わす特徴量ｋが算出される。図７（ａ）において、符号Ｘは、挿入部５が挿入される大腸を示している。
なお、特徴量ｋは、曲げ半径ｒおよび曲げ角度Δφのうち一方のみを用いて算出してもよい。
【００４０】
また、軟性部形状検出部２２は、内視鏡挿入形状観測装置の他に、他の手段を用いて軟性部１４の湾曲形状を検出してもよい。例えば、軟性部形状検出部２２は、軟性部１４の長手方向の複数の位置に設けられた曲げセンサによって軟性部１４の実際の曲げ角度を検出してもよい。曲げセンサとしては、例えば、歪みセンサまたは光ファイバセンサ等が用いられる。
【００４１】
あるいは、軟性部形状検出部２２は、軟性部１４が挿入される体内の部位の形状に基づいて、軟性部１４の湾曲形状を検出してもよい。例えば、軟性部１４が大腸Ｘに挿入される場合、体内における軟性部１４の形状は、大腸Ｘの形状とほぼ同一となる。したがって、軟性部１４が挿入される体内の部位の形状を軟性部１４の湾曲形状として用いることができる。この場合、軟性部１４の挿入位置に応じて軟性部１４の全体の湾曲形状は異なるので、例えば、図８（ａ）〜（ｃ）に示されるように、複数の処置部位ａ，ｂ，ｃに対応する軟性部１４の湾曲形状の各々について、上述の特徴量ｋを記憶しておくことが好ましい。
【００４２】
湾曲部形状検出部２３は、制御部３が湾曲部駆動部１２に送信する湾曲制御信号に基づいて、湾曲部１５のＵＤ方向およびＬＲ方向の湾曲角度θＵＤ，θＬＲを検出する。そして、湾曲部形状検出部２３は、ＬＲ方向の湾曲角度θＬＲをＵＤ補償値設定部２４に送信し、ＵＤ方向の湾曲角度θＵＤをＬＲ補償値設定部２５に送信する。
【００４３】
なお、湾曲部形状検出部２３は、湾曲制御信号に代えて、湾曲部駆動部１２のモータ１２ａに設けられたエンコーダの出力に基づいて湾曲部１５の湾曲形状を検出してもよい。または、湾曲部形状検出部２３は、上述した内視鏡挿入形状観測装置または曲げセンサ等を用いてもよい。
【００４４】
補償値設定部は、ＵＤ方向用の補償値を設定するＵＤ補償値設定部（補償値設定部）２４と、ＬＲ方向用の補償値を設定するＬＲ補償値設定部（補償値設定部）２５とからなる。
【００４５】
ＵＤ補償値設定部２４は、制御部３が湾曲部１５のＵＤ方向の湾曲動作をフィードフォワード（ＦＦ）制御するためのＦＦゲインＧｆｆＵＤを、軟性部形状検出部２２によって算出された特徴量ｋと、湾曲部形状検出部２３によって検出された湾曲角度θＬＲとを用いて、下式（１）から算出する。
（１）      ＧｆｆＵＤ＝ｇｆｆＵＤ×αＵＤ（θＬＲ）×βｆｆ（ｋ）
【００４６】
ここで、ｇｆｆＵＤは、軟性部１４および湾曲部１５が一直線に延びているとき（すなわち、θＬＲ＝ｋ＝０であるとき）のＦＦゲインであり、αＵＤ（θＬＲ）は、湾曲角度θＬＲに応じた補正係数であり、βｆｆ（ｋ）は、特徴量ｋに応じた補正係数である。ただし、αＵＤ（０）＝１であり、βｆｆ（０）＝１である。
【００４７】
補正係数αＵＤ（θＬＲ）は、湾曲角度θＬＲの比例関数または多項式関数であり、湾曲部１５の力学的特性に応じて異なる。補正係数αＵＤ（θＬＲ）は、例えば、様々なＬＲ方向の湾曲角度θＬＲの下で、湾曲部駆動部１２に入力される湾曲制御信号と湾曲部１５の実際のＵＤ方向の湾曲角度θＵＤとの関係を測定することによって、実験的に決定される。あるいは、補正係数αＵＤ（θＬＲ）は、機構的特性または力学的特性に基づくシミュレーションによって理論的に決定されてもよい。機構的特性とは、例えば、機械設計図面等に基づく形状や寸法等の特性のことである。または、補正係数αＵＤ（θＬＲ）は、理論的手法および実験的手法を組み合わせて決定されてもよい。
【００４８】
補正係数βｆｆ（ｋ）は、特徴量ｋの比例関数または多項式関数であり、軟性部１４の力学的特性に応じて異なる。補正係数βｆｆ（ｋ）は、例えば、様々な軟性部１４の湾曲形状の下で、湾曲部駆動部１２に入力される湾曲制御信号と湾曲部１５の実際のＵＤ方向の湾曲角度θＵＤとの関係を測定することによって、実験的に決定される。あるいは、補正係数βｆｆ（ｋ）は、機構的特性または力学的特性に基づくシミュレーションによって理論的に決定されてもよい。または、補正係数βｆｆ（ｋ）は、理論的手法および実験的手法を組み合わせて決定されてもよい。
【００４９】
同様に、ＬＲ補償値設定部２５は、制御部３が湾曲部１５のＬＲ方向の湾曲動作をＦＦ制御するためのＦＦゲインＧｆｆＬＲを、湾曲角度θＵＤと特徴量ｋとを用いて、下式（２）から算出する。
（２）      ＧｆｆＬＲ＝ｇｆｆＬＲ×αＬＲ（θＵＤ）×βｆｆ（ｋ）
ここで、ｇｆｆＬＲは、軟性部１４および湾曲部１５が一直線に延びているとき（すなわち、θＵＤ＝ｋ＝０であるとき）のＦＦゲインであり、αＬＲ（θＵＤ）は、湾曲部１５の湾曲角度θＵＤに応じた補正係数である。ただし、αＬＲ（０）＝１である。
【００５０】
制御部３は、マスタ入力部２から入力された操作信号から生成した湾曲制御信号に、式（１）および式（２）から得られたＦＦゲインＧｆｆＵＤ，ＧｆｆＬＲを乗算することによって湾曲制御信号を増幅し、増幅された湾曲制御信号を湾曲部駆動部１２に送信する。これにより、湾曲部駆動部１２は、ＦＦ制御されるようになっている。
【００５１】
次に、このように構成されたマニピュレータシステム１００の作用について説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム１００を用いて体内を処置するには、図１に示されるように、術者Ｏｐは、まず挿入部５を患者Ｐの自然開口（図示する例では口）から体内に挿入する。術者Ｏｐは、観察部材７によって取得される映像を表示部８で観察しながら、挿入部５の先端を対象部位まで移動させる。
【００５２】
次に、術者Ｏｐは、挿入部５のチャネル内に挿入されている処置具６を挿入部５の先端開口から突出させる。そして、術者Ｏｐは、表示部８に表示される映像を観察しながら、湾曲部１５の湾曲角度や、処置具６の突出量および回転方向を変更することによって、処置部１９と体内の対象部位との位置関係を調整し、処置部１９によって対象部位を処置する。
【００５３】
このときに、術者Ｏｐが、湾曲部１５の湾曲角度を変更する操作をマスタアーム９に入力すると、この操作に応じた操作信号がマスタアーム９から制御部３に送信される。制御部３は、受信した操作信号に従い、湾曲部１５をＬＲ方向またはＵＤ方向に湾曲させるための湾曲制御信号を生成する。この一方で、補償値設定部２４，２５が、その時点における軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に基づいてＦＦゲインＧｆｆＵＤ，ＧｆｆＬＲを設定し、該ＦＦゲインＧｆｆＵＤ，ＧｆｆＬＲを制御部３に送信する。制御部３は、ＦＦゲインＧｆｆＵＤ，ＧｆｆＬＲによって増幅した湾曲制御信号を湾曲部駆動部１２に送信することによって、湾曲部駆動部１２をＦＦ制御する。
【００５４】
ここで、術者Ｏｐがマスタアーム９に入力した操作に対する、湾曲部１５の湾曲動作の応答性について説明する。
図９（ａ）〜（ｃ）は、操作信号に対する湾曲部１５の応答特性を示しており、図９（ａ）は、軟性部１４が直線状に延びているとき、図９（ｂ），（ｃ）は、軟性部１４が直径１５０ｍｍの円を形成するように３６０°湾曲しているときのものである。図９（ａ）〜（ｃ）において、実線は、制御部３に入力される操作信号が指定する湾曲角度を示し、破線は、湾曲部駆動部１２に設けられているエンコーダの出力から理論的に算出される湾曲部１５の湾曲角度を示し、一点鎖線は、湾曲部１５の実際の湾曲角度を示している。
【００５５】
図９（ａ），（ｂ）に示されるように、マスタアーム９に入力された操作量に対してモータ１２ａの回転量が比例するようにモータ１２ａを制御する（すなわち、ＦＦ制御なしの）通常制御において、モータ１２ａが回転を開始してから湾曲部１５が動作するまでの間に、遅れ時間Ｔ１，Ｔ２が発生する。さらに、モータ１２ａの回転に対して湾曲部１５の湾曲動作が追従しない不感帯Ｄ１，Ｄ２が存在する。遅れ時間Ｔ１，Ｔ２および不感帯Ｄ１，Ｄ２は、軟性部１４が直線状であるときよりも、軟性部１４が湾曲しているときにさらに大きくなっていることが分かる。この遅れ時間Ｔ１，Ｔ２および不感帯Ｄ１，Ｄ２の違いは、術者Ｏｐがマスタアーム９に入力した操作に対する湾曲部１５の湾曲動作の応答性が軟性部１４の形状に応じて異なることを意味する。
【００５６】
このような湾曲部１５の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきは、以下の理由によって生じる。すなわち、湾曲部１５を湾曲させるためのワイヤ１５ａ，１５ｂと周囲の部材との間に発生する摩擦や、ワイヤ１５ａ，１５ｂの弛み等が要因で、モータ１２ａによるワイヤ１５ａ，１５ｂの基端部分の引っ張り力は、ワイヤ１５ａ，１５ｂの先端まで伝達する間に減衰する。これにより、モータ１２ａの回転量に対して、実際の湾曲部１５の湾曲量が小さくなる。上記摩擦や弛みは、軟性部１４の湾曲形状に応じて異なり、軟性部１４の全体の湾曲量が大きい程、大きくなる傾向にある。その結果、術者Ｏｐが同一の操作をマスタアーム９に入力したとしても、軟性部１４の湾曲形状に応じて湾曲部１５の湾曲動作の応答性にばらつきが生じる。同様の理由によって、湾曲部１５の応答性のばらつきは、湾曲部１５の湾曲角度θＵＤ，θＬＲの違いに因っても生じる。
【００５７】
図９（ｃ）は、図９（ｂ）と同じく軟性部１４を３６０°湾曲させた状態において湾曲部駆動部１２をＦＦ制御したときの、湾曲部１５の応答特性を示している。図９（ｃ）から分かるように、図９（ａ）および図９（ｂ）において顕著に表れていた遅れ時間Ｔ１，Ｔ２および不感帯Ｄ１，Ｄ２が大幅に解消され、操作信号に対する湾曲部１５の応答性が向上している。図示はしていないが、軟性部１４が直線状である場合にも、図９（ｃ）と同様の良好な応答性が得られる。このように、軟性部１４の形状に依らずに湾曲部１５の高い応答感度が得られることは、軟性部１４がどのような湾曲形状をしていたとしても、術者Ｏｐがマスタアーム９に入力した操作に対して、常に良好かつ同一の湾曲部１５の応答性が得られることを意味する。
【００５８】
このように、本実施形態によれば、湾曲部１５を湾曲動作させるための湾曲制御信号を、軟性部１４および湾曲部１５の両方の湾曲形状に基づいて増幅することによって、湾曲部１５の応答性の低下およびばらつきが精度良く補償される。これにより、常に良好かつ同一の湾曲部１５の湾曲動作の応答性を得ることができるという利点がある。特に、湾曲部１５のＵＤ方向の湾曲動作とＬＲ方向の湾曲動作とは、互いに影響を与える。したがって、ＵＤ方向の湾曲制御にＬＲ方向の湾曲角度θＬＲを反映し、ＬＲ方向の湾曲制御にＵＤ方向の湾曲角度θＵＤを反映することによって、各方向の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきを精度良く補償することができる。
【００５９】
なお、本実施形態においては、補償値設定部２４，２５が、補償値としてＦＦゲインＧｆｆＵＤ，ＧｆｆＬＲを設定することとしたが、これに代えて、他の補償値を設定してもよい。
【００６０】
例えば、補償値設定部２４，２５は、制御部３が湾曲部駆動部１２のＦＢ制御に用いるＦＢゲインを設定してもよい。
上述したように、制御部３は、エンコーダによって検出されたモータ１２ａの回転量に基づいて該モータ１２ａをＦＢ制御している。そこで、補償値設定部２４，２５が、ＦＢ制御に用いられるＦＢゲインを、軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に基づいて設定してもよい。このようにしても、軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状の違いに依存する湾曲部１５の応答性の低下およびばらつきを精度良く補償することができる。
【００６１】
あるいは、補償値設定部２４，２５は、制御部３が湾曲制御信号に重畳する摩擦補償係数（オフセット信号）を設定してもよい。摩擦補償係数は、図１０に示されるように、湾曲部１５の湾曲動作の方向が逆方向に切り替わる折り返し部分において、湾曲制御信号のオフセット量が大きくなるように設定される。これにより、特に、湾曲動作の方向を逆方向へ切り替えたとき（例えば、Ｌ方向からＲ方向へ切り替えたとき）に発生するバックラッシを低減することができ、上述した不感帯Ｄ１，Ｄ２を効果的に解消することができる。
【００６２】
また、本実施形態においては、図１１に示されるように、チャネル内の処置具６の有無と、チャネル内に処置具６が存在する場合にはその処置具６とを識別する処置具識別部２６をさらに備え、補償値設定部２４，２５が、軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に加えて、処置具６の有無および、処置具６がチャネル内に存在する場合には当該処置具６の力学的特性も加味して補償値を設定してもよい。
【００６３】
処置具６の取付ユニット２０には、その処置具６を識別する識別情報を記録したバーコードやＩＣタグ等の記録媒体が設けられている。
処置具識別部２６は、処置具取付部１１に取り付けられた取付ユニット２０の記録媒体に記録されている識別情報を読み取り、読み取った識別情報を補償値設定部２４，２５に送信する。
【００６４】
なお、処置具識別部２６は、電気的または磁気的に処置具６を識別するように構成されていてもよい。例えば、取付ユニット２０に、処置具６に応じて異なる特性を有する磁石または抵抗が設けられ、処置具識別部２６が磁石または抵抗の特性を検出するように構成されていてもよい。または、処置具識別部２６は、キーボードやタッチパネル、ボタン等の入力手段から構成されていてもよい。
【００６５】
補償値設定部２４，２５は、処置具６の識別情報毎に異なる力学的特性を有する補正係数αＵＤ（θＬＲ），αＬＲ（θＵＤ），βｆｆ（ｋ）の組み合わせを保持している。補償値設定部２４，２５は、処置具識別部２６から受信した識別情報に対応する補正係数αＵＤ（θＬＲ），αＬＲ（θＵＤ），βｆｆ（ｋ）の組み合わせを選択し、選択した補正係数αＵＤ（θＬＲ），αＬＲ（θＵＤ），βｆｆ（ｋ）を用いて、ＦＦゲインＧｆｆＵＤ，ＧｆｆＬＲを算出する。
【００６６】
湾曲部１５の応答性は、チャネル内の処置具６の有無と、チャネル内に処置具６が存在する場合にはその処置具６の力学的特性（例えば、剛性や摩擦係数）に応じても異なる。例えば、処置具６がチャネル内に存在するときは、処置具６がチャネル内に存在しないときと比べて、湾曲部１５の応答性は低くなる。そこで、処置具６の有無およびその力学的特性も加味することによって、湾曲部１５の応答性のばらつきをさらに精度良く補償することができる。
【００６７】
また、本実施形態においては、図１２（ａ），（ｂ）に示されるように、軟性部１４および湾曲部１５に、湾曲部１５を湾曲させるためのワイヤ１５ａ，１５ｂの位置を規定する通路２７が形成されていてもよい。この通路２７は、湾曲部１５においては、節輪の内周面に固定された環状の部材からなる。軟性部１４においては、通路２７は、軟性部１４の長手方向に貫通形成され、ワイヤ１５ａ，１５ｂ以外の部材が設置されている空間とは隔離された空間である。
【００６８】
もし、軟性部１４および湾曲部１５の内部においてワイヤ１５ａ，１５ｂが径方向に移動自在であった場合、軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状が同一であったとしても、最適な補償値が異なる可能性がある。これは、ワイヤ１５ａ，１５ｂの経路にばらつきが生じることによって、ワイヤ１５ａ，１５ｂに発生する摩擦や弛みが異なる可能性があるためである。そこで、軟性部１４および湾曲部１５の内部におけるワイヤ１５ａ，１５ｂの経路を通路２７によって規定し、さらに、ワイヤ１５ａ，１５ｂが他の部材と不規則に接触することを防ぐことによって、湾曲部１５の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきをさらに精度良く補償することができる。
【００６９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータシステム２００について、図１３を参照して説明する。
本実施形態においては、上述した第１の実施形態と異なる点について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
本実施形態に係るマニピュレータシステム２００は、図１３に示すように、挿入部５の取付ユニット１６を識別する体外部分形状検出部２９をさらに備えている点において、第１の実施形態と主に異なっている。
【００７１】
取付ユニット１６には、当該取付ユニット１６を識別する識別情報を記録した記録媒体が設けられている。
体外部分形状検出部２９は、挿入部取付部１０に取り付けられた取付ユニット１６の記録媒体に記録されている識別情報を読み取り、読み取った識別情報を補償値設定部２４，２５に送信する。
記録媒体および体外部分形状検出部２９のその他の構成は、第１の実施形態において説明した、取付ユニット２０に設けられた記録媒体および処置具識別部２６と同様にそれぞれ構成されている。
【００７２】
ＵＤ補償値設定部２４は、取付ユニット１６の識別情報毎に異なる力学的特性を有する補正係数αＵＤ（θＬＲ），βｆｆ（ｋ）の組み合わせを保持している。ＵＤ補償値設定部２４は、体外部分形状検出部２９から受信した取付ユニット１６の識別情報に対応する補正係数αＵＤ（θＬＲ），βｆｆ（ｋ）の組み合わせを選択し、選択した補正係数αＵＤ（θＬＲ），βｆｆ（ｋ）を用いて、式（１）からＦＦゲインＧｆｆＵＤを算出する。本実施形態において、補正係数αＵＤ（θＬＲ），βｆｆ（ｋ）は、各取付ユニット１６内のＵＤ湾曲用のワイヤ１５ａの引き回し形状に応じて設定されている。
【００７３】
ＬＲ補償値設定部２５は、取付ユニット１６の識別情報毎に異なる力学的特性を有する補正係数αＬＲ（θＵＤ），βｆｆ（ｋ）の組み合わせを保持している。ＬＲ補償値設定部２５は、体外部分形状検出部２９から受信した識別情報に対応する補正係数αＬＲ（θＵＤ），βｆｆ（ｋ）の組み合わせを選択し、選択した補正係数αＬＲ（θＵＤ），βｆｆ（ｋ）を用いて、式（２）からＦＦゲインＧｆｆＬＲを算出する。本実施形態において、補正係数αＬＲ（θＵＤ），βｆｆ（ｋ）は、各取付ユニット１６内のＬＲ湾曲用のワイヤ１５ｂの引き回し形状に応じて設定されている。
【００７４】
本実施形態に係るマニピュレータシステム２００によれば、第１の実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。湾曲部１５のＵＤ方向およびＬＲ方向の湾曲動作の応答性は、第１の実施形態において説明した軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に加えて、取付ユニット１６内のワイヤ１５ａ，１５ｂの引き回し形状の違いにも依存して異なる。このワイヤ１５ａ，１５ｂの引き回し形状も加味して補償値ＧｆｆＵＤ，ＧｆｆＬＲを設定することによって、湾曲部１５の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができるという利点がある。
【００７５】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るマニピュレータシステム３００について、図１４および図１５を参照して説明する。
本実施形態においては、上述した第１および第２の実施形態と異なる点について主に説明し、第１および第２の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７６】
本実施形態に係るマニピュレータシステム３００は、図１４に示すように、処置具識別部３０をさらに備える点、および、補償値設定部２４，２５に代えて、処置具駆動部１３の制御用の補償値Ｇｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔを設定する補償値設定部３１，３２を備える点において、第１および第２の実施形態と主に異なっている。
【００７７】
取付ユニット２０には、当該取付ユニット２０が接続されている処置具６を識別する識別情報を記録した記録媒体が設けられている。
処置具識別部３０は、処置具取付部１１に取り付けられた取付ユニット２０の記録媒体に記録されている識別情報を読み取り、読み取った識別情報を補償値設定部３１，３２に送信する。
記録媒体および処置具識別部３０のその他の構成は、第１の実施形態において説明した、記録媒体および処置具識別部２６と同様に構成されている。
【００７８】
本実施形態において、補償値設定部３１，３２は、処置具６の進退動作用の補償値を設定する進退補償値設定部（補償値設定部）３１と、処置具６の回転動作用の補償値を設定する回転補償値設定部（補償値設定部）３２とからなる。
【００７９】
進退補償値設定部３１は、制御部３が処置具６の進退動作のＦＦ制御に用いるＦＦゲインＧｆｆｂｆを、下式（３）に基づいて設定する。
（３）      Ｇｆｆｂｆ＝ｇｆｆｂｆ×αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ）×βｂｆ（ｋ）
【００８０】
ここで、ｇｆｆｂｆは、軟性部１４および湾曲部１５が一直線に延びているとき（すなわち、θＬＲ＝θＵＤ＝ｋ＝０であるとき）のＦＦゲインであり、αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ）は、湾曲部１５の湾曲角度θＵＤ，θＬＲに応じた補正係数であり、βｂｆ（ｋ）は、軟性部１４の特徴量ｋに応じた補正係数である。ただし、αＵＤ（０，０）＝１であり、βｂｆ（０）＝１である。
【００８１】
補正係数αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ）は、湾曲角度θＵＤ，θＬＲの比例関数または多項式関数であり、湾曲部１５の力学的特性に応じて異なる。補正係数βｂｆ（ｋ）は、特徴量ｋの比例関数または多項式関数であり、軟性部１４の力学的特性に応じて異なる。このような補正係数αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ），βｂｆ（ｋ）は、第１の実施形態において説明した補正係数αＵＤ（θＬＲ），αＬＲ（θＵＤ），βｆｆ（ｋ）と同様に、実験的にまたは理論的に決定される。または、補正係数αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ），βｂｆ（ｋ）は、理論的手法および実験的手法を組み合わせて決定されてもよい。
【００８２】
同様に、回転補償値設定部３２は、制御部３が処置具６の回転動作のＦＦ制御に用いるＦＦゲインＧｆｆｒｏｔを、下式（４）に基づいて設定する。
（４）      Ｇｆｆｒｏｔ＝ｇｆｆｒｏｔ×αｒｏｔ（θＵＤ，θＬＲ）×βｒｏｔ（ｋ）
【００８３】
ここで、ｇｆｆｒｏｔは、軟性部１４および湾曲部１５が一直線に延びているとき（すなわち、θＵＤ＝θＬＲ＝ｋ＝０であるとき）のＦＦゲインであり、αｒｏｔ（θＵＤ，θＬＲ）は、湾曲部１５の湾曲角度θＬＲ，θＵＤに応じた補正係数であり、βｒｏｔ（ｋ）は、軟性部１４の特徴量ｋに応じた補正係数である。ただし、αｒｏｔ（０，０）＝１であり、βｒｏｔ（０）＝１である。
【００８４】
進退補償値設定部３１は、処置具６の識別情報に対応し、各処置具６の力学的特性（例えば、剛性や摩擦係数）に応じてされた補正係数αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ），βｂｆ（ｋ）の組み合わせを保持している。進退補償値設定部３１は、処置具識別部３０から受信した識別情報に対応する補正係数αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ），βｂｆ（ｋ）の組み合わせを選択し、選択した補正係数αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ），βｂｆ（ｋ）を用いて、式（３）からＦＦゲインＧｆｆＬＲを算出する。
【００８５】
回転補償値設定部３２は、処置具６の識別情報に対応し、各処置具６の力学的特性（例えば、剛性や摩擦係数）に応じてされた補正係数αｒｏｔ（θＵＤ，θＬＲ），βｒｏｔ（ｋ）の組み合わせを保持している。回転補償値設定部３２は、処置具識別部３０から受信した識別情報に対応する補正係数αｒｏｔ（θＵＤ，θＬＲ），βｒｏｔ（ｋ）の組み合わせを選択し、選択した補正係数αｒｏｔ（θＵＤ，θＬＲ），βｒｏｔ（ｋ）を用いて、式（４）からＦＦゲインＧｆｆｒｏｔを算出する。
【００８６】
制御部３は、マスタ入力部２から入力された操作信号から生成した進退制御信号および回転制御信号に、式（３）および式（４）から得られたＦＦゲインＧｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔをそれぞれ乗算することによって、これら制御信号を増幅し、増幅された制御信号を処置具駆動部１３に送信する。これにより、処置具駆動部１３は、ＦＦ制御されるようになっている。
【００８７】
次に、このように構成されたマニピュレータシステム３００の作用について説明する。
基本手順は、第１の実施形態と同様である。本実施形態に係るマニピュレータシステム１００は、処置具６を進退または回転させるときの制御が、第１および第２の実施形態とは異なる。
【００８８】
術者Ｏｐがマスタアーム９に処置具６を前進または後退させるための操作を入力すると、この操作に応じた操作信号がマスタアーム９から制御部３に送信される。制御部３は、受信した操作信号から、処置具６を進退動作ための進退制御信号および回転動作させるための回転制御信号を生成する。この一方で、補償値設定部３１，３２が、その時点における軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に基づいてＦＦゲインＧｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔを設定し、該ＦＦゲインＧｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔを制御部３に送信する。制御部３は、ＦＦゲインＧｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔによって増幅した進退制御信号および回転制御信号を処置具駆動部１３に送信することによって、処置具駆動部１３をＦＦ制御する。
【００８９】
ここで、術者Ｏｐがマスタアーム９に入力した操作に対する、処置具６の動作の応答特性について説明する。
図１５（ａ）〜（ｄ）は、操作信号に対する処置具６の進退動作の応答特性を示しており、図１５（ａ）は、軟性部１４および湾曲部１５が直線状に延びているとき、図１５（ｂ）は、軟性部１４が直径１５０ｍｍの半円を形成するように１８０°湾曲しているとき、図１５（ｃ）は、軟性部１４が直径１５０ｍｍの円を形成するように３６０°湾曲しているときのものである。図１５（ａ）〜（ｄ）において、実線は、マスタ入力部２が生成する操作信号を示し、破線は、処置具駆動部１３に設けられているエンコーダの出力から理論的に算出される処置具６の位置を示し、一点鎖線は、処置具６の実際の位置を示している。
【００９０】
図１５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、マスタアーム９に入力された操作量に対して処置具駆動部１３のモータ１３ａ，１３ｂの回転量が比例するように当該モータ１３ａ，１３ｂを制御する（すなわち、ＦＦ制御なしの）通常制御において、図９（ａ），（ｂ）と同様の遅れ時間が発生し、さらに、モータ１３ａ，１３ｂの回転に対して処置具６の進退動作が追従しない不感帯Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５が存在する。遅れ時間および不感帯Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５は、軟性部１４が直線状であるときよりも、軟性部１４が湾曲しているときにさらに大きくなり、術者Ｏｐがマスタアーム９に入力した操作に対する処置具６の進退動作の応答性が軟性部１４の形状に応じて異なることが分かる。このような処置具６の進退動作の応答性のばらつきは、第１の実施形態において説明した、湾曲部１５の湾曲動作の応答性のばらつきと同様の理由によって生じる。
【００９１】
図１５（ｄ）は、図１５（ａ）と同じく軟性部１４を直線状に延ばした状態において処置具駆動部１３をＦＦ制御したときの、処置具６の進退動作の応答特性を示している。図１５（ｄ）から分かるように、遅れ時間および不感帯が大幅に解消され、操作信号に対する処置具６の進退動作の応答性が向上している。
【００９２】
同様の応答性の特徴が、処置具６の回転動作においても見られる。すなわち、操作信号に対する処置具６の回転動作の応答性は、軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に応じて変化し、軟性部１４および湾曲部１５が直線状に延びているときに比べて、軟性部１４および湾曲部１５が湾曲しているときの方が、処置具６の応答性が低下する。この応答性の低下も、処置具駆動部１３をＦＦ制御することによって改善される。
【００９３】
このように、本実施形態によれば、処置具６を進退動作および回転動作させるための進退制御信号および回転制御信号を、軟性部１４および湾曲部１５の両方の湾曲形状に基づいて補償することによって、軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状の差異に依存する処置具６の動作の応答性の低下およびばらつきが精度良く補償される。これにより、常に良好かつ同一の処置具６の進退動作および回転動作の応答性を得ることができるという利点がある。
【００９４】
なお、本実施形態において、補償値設定部３１，３２は、第１の実施形態と同様に、ＦＦゲインに代えて、制御部３がモータ１３ａ，１３ｂのＦＢ制御に用いるＦＢゲインを設定してもよく、制御部３が湾曲制御信号に重畳する摩擦補償係数（オフセット信号）を設定してもよい。
【００９５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るマニピュレータシステム４００について、図１６を参照して説明する。
本実施形態においては、上述した第１から第３の実施形態と異なる点について主に説明し、第１から第３の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００９６】
本実施形態に係るマニピュレータシステム４００は、第３の実施形態を変形したものであって、図１６に示すように、挿入部５に挿入されている処置具６の取付ユニット２０を識別することによって、処置具６の本体１８の基端部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部３４をさらに備えている点において、第３の実施形態と主に異なっている。
【００９７】
体外部分形状検出部３４は、本体１８の、処置具用ポート１７から引き出されている部分（以下、この部分を処置具６の体外部分という。）の湾曲角度θｅｘを検出する。本体１８の剛性や長さ寸法等の違いに応じて、体外部分の引き回し形状は処置具６毎に異なる。また、処置具取付部１１が複数設けられ、処置具６の種類や、処置具６が挿入されるチャネルに応じて取付ユニット２０を取り付ける処置具取付部１１を選択するように構成されている場合には、取付ユニット２０が取り付けられる処置具取付部１１の位置が異なることに起因し、処置具６の体外部分の引き回し形状が異なる。
【００９８】
体外部分の引き回し形状は、処置具６および処置具取付部１１の組み合わせ毎にほぼ一定である。そこで、体外部分形状検出部３４は、処置具６および処置具取付部１１の組み合わせと、予め測定した湾曲角度θｅｘとを対応付けたテーブルを保持している。体外部分形状検出部３４は、取付ユニット２０が取り付けられる処置具取付部１１と、当該取付ユニット２０とを識別し、テーブルを参照することによって湾曲角度θｅｘを得る。
【００９９】
具体的には、取付ユニット２０には、当該取付ユニット２０を識別する識別情報を記録した記録媒体が設けられている。
体外部分形状検出部３４は、処置具取付部１１に取り付けられた取付ユニット２０の記録媒体に記録されている識別情報を読み取り、読み取った識別情報を補償値設定部３１，３２に送信する。
記録媒体および体外部分形状検出部３４のその他の構成は、第１の実施形態において説明した、処置具６の取付ユニット２０に設けられた記録媒体および処置具識別部２６と同様にそれぞれ構成されている。
【０１００】
各補償値設定部３１，３２は、ＦＦゲインＧｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔを、下式（５）および（６）に基づいてそれぞれ設定する。
（５）  Ｇｆｆｂｆ＝ｇｆｆｂｆ×αｂｆ（θＵＤ，θＬＲ）×βｂｆ（ｋ）×γｂｆ（θｅｘ）
（６）  Ｇｆｆｒｏｔ＝ｇｆｆｒｏｔ×αｒｏｔ（θＵＤ，θＬＲ）×βｒｏｔ（ｋ）×γｒｏｔ（θｅｘ）
ここで、γｂｆ（θｅｘ）およびγｒｏｔ（θｅｘ）は、湾曲角度θｅｘに応じた補正係数である。ただし、γｂｆ（０）＝γｒｏｔ（０）＝１である。
【０１０１】
本実施形態に係るマニピュレータシステム４００によれば、第３の実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。処置具６の進退動作および回転動作の応答性は、軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に加えて、挿入部５の外部に位置する処置具６の体外部分の湾曲形状の違いにも依存して異なる。この体外部分の湾曲形状も加味して補償値Ｇｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔを設定することによって、処置具６の進退動作および回転動作の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができるという利点がある。
【０１０２】
なお、本実施形態においては、処置具６用のチャネルを１つだけ有する挿入部５について説明したが、これに代えて、挿入部５が、２以上のチャネルを有していてもよい。
この場合、マニピュレータシステム４００は、いずれのチャネルに処置具６が挿入されているかを検出する使用チャネル検出部（図示略）をさらに備え、各補償値設定部３１，３２が、使用チャネル検出部によって検出されたチャネルにさらに基づいて、補償値Ｇｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔを設定することが好ましい。
【０１０３】
複数のチャネルが挿入部５に設けられている場合、処置具６がいずれのチャネルに挿入されているかに応じて、処置具６の応答性が異なる。すなわち、チャネル内において処置具６に作用する摩擦力は、チャネルの内面の形状および材質と、処置具６の形状および材質との組み合わせに応じて異なる。また、挿入部５が湾曲したときの処置具６の湾曲形状は、処置具６がいずれのチャネルに挿入されているかに応じて異なる。
本変形例によれば、補償値設定部３１，３２が、チャネルと処置具６との組み合わせに応じて補償値Ｇｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔを設定することによって、処置具６の動作の応答性の低下およびばらつきをさらに精度良く補償することができるという利点がある。
【０１０４】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るマニピュレータシステム５００について、図１７を参照して説明する。
本実施形態においては、第１から第４の実施形態と異なる点について主に説明し、第１から第４の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム５００は、第１の実施形態および第３の実施形態を組み合わせたものであって、図１７に示されるように、上述した４つの補償値設定部２４，２５，３１，３２を備えている。
【０１０５】
制御部３は、第１の実施形態において説明したように、ＵＤ補償値設定部２４およびＬＲ補償値設定部２５によって設定されたＦＦゲインＧｆｆＵＤ，ＧｆｆＬＲを用いて、湾曲部駆動部１２をＦＦ制御する。これと同時に、制御部３は、進退補償値設定部３１および回転補償値設定部３２によって設定されたＦＦゲインＧｆｆｂｆ，Ｇｆｆｒｏｔを用いて、処置具駆動部１３をＦＦ制御する。
【０１０６】
本実施形態によれば、湾曲部１５の湾曲動作と、処置具６の進退動作および回転動作との応答性を、軟性部１４および湾曲部１５の湾曲形状に応じて同時に補償することができるという利点がある。
【符号の説明】
【０１０７】
１  スレーブマニピュレータ（マニピュレータ）
２  マスタ入力部（操作入力部）
３  制御部
４  スレーブアーム
５  挿入部
６  処置具
７  観察部材
８  表示部
９  マスタアーム
１０  挿入部取付部
１１  処置具取付部
１２  湾曲部駆動部
１３  処置具駆動部
１３ａ  回転モータ
１３ｂ  直動モータ
１４  軟性部
１５  湾曲部
１５ａ，１５ｂ  ワイヤ（線材）
１６，２０  取付ユニット
１７  処置具用ポート
１８  本体
１９  処置部
２０ａ  プーリ
２０ｂ  ステージ
２２  軟性部形状検出部
２３  湾曲部形状検出部
２４  ＵＤ補償値設定部（補償値設定部）
２５  ＬＲ補償値設定部（補償値設定部）
２６，３０  処置具識別部
２７  通路
２９，３４  体外部分形状検出部
３１  進退補償値設定部（補償値設定部）
３２  回転補償値設定部（補償値設定部）
８０  手術台
１００，２００，３００，４００，５００  マニピュレータシステム
Ｘ  大腸
Ｏｐ  術者（操作者）
【図１】
2015023950.tif 000003
【図２】
2015023950.tif 000004
【図３】
2015023950.tif 000005
【図４】
2015023950.tif 000006
【図５】
2015023950.tif 000007
【図６】
2015023950.tif 000008
【図７】
2015023950.tif 000009
【図８】
2015023950.tif 000010
【図９】
2015023950.tif 000011
【図１０】
2015023950.tif 000012
【図１１】
2015023950.tif 000013
【図１２】
2015023950.tif 000014
【図１３】
2015023950.tif 000015
【図１４】
2015023950.tif 000016
【図１５】
2015023950.tif 000017
【図１６】
2015023950.tif 000018
【図１７】
2015023950.tif 000019