(57)【要約】      （修正有）【課題】術者の負担を軽減させる操作性の高い医療用マニピュレータを提供する。【解決手段】マスタスレーブ方式で動作する一体型の医療用マニピュレータ１であって、操作指令部を有するマスタ部２と、作業部を有するスレーブ部３と、マスタ部とスレーブ部とを一体的に接続する連結部４と、マスタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の姿勢差を検出する姿勢差検出手段６と、非マスタスレーブ動作モードからマスタスレーブ動作モードへ入りマスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢との間の姿勢差が解消するまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、姿勢差検出手段で検出した姿勢差に基づき、姿勢差が解消されるようにスレーブ部を制御する制御手段７と、を備えることを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非マスタスレーブ動作モードとマスタスレーブ動作モードとを備える医療用マニピュレ
ータの制御方法であって、
マスタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の姿勢差を検出し、
予め定められる前記マスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢とが一致しているか限りなく
近い値であることを判定するための第１のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとを比較し
、
前記第１のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとの比較の結果に応じて、予め定められる
前記マスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢とが近づいているかどうかの判断に用いる第
２のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとの比較を行うか、もしくは前記マスタスレーブ
動作モードへ移行し、
前記第２のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとの比較を行った場合、その比較の結果に
応じて、マスタスレーブ動作開始を意図する信号が入力されてからの時間パラメータと現
在の時間との比較を行うか、もしくは前記スレーブ部の減速動作を行い、
前記時間パラメータと現在の時間との比較を行った場合、その比較の結果に応じて、前記
スレーブ部の等速動作を行うか、もしくは前記スレーブ部の加速動作を行い、
前記減速動作、前記等速動作または前記加速動作の後、マスタ部の姿勢と前記スレーブ部
の姿勢との間の姿勢差を再び検出する、
ことを特徴とする医療用マニピュレータの制御方法。
【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に関し、特にマスタスレーブ方式で動作する一体型の
医療用マニピュレータの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、胆のう摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、患者の腹部に小さな穴をあけ、
その部分にトラカールを取り付け、トラカールを介して内視鏡や鉗子を挿入し、術者が内
視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような手術方法は開腹を必要とし
ないため患者への負担が少なく術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このよ
うに腹腔鏡下手術は患者への負担が少ないという点で優れ適用分野の拡大が期待されるも
のである。しかしその反面、術者にとっては直接患部が見られない、開閉グリッパしか設
けられていない操作性に乏しい鉗子を使用し、必ずしも手術に適したものとはいえず、術
者の熟練した技術を要するものであった。
【０００３】
そこで鉗子先端に姿勢の自由度を与え、複数の自由度を持つ操作部（マスタ部）を術者
が操作し、複数の自由度を持つ先端の作業部（スレーブ部）が操作部の動きに合わせて動
作するマスタスレーブ方式によって腹腔鏡下手術を行うことが研究され導入されつつある
。マスタ部とスレーブ部とが離れたところにあり複雑なシステムからなる遠隔操作型があ
る（特許文献１）。この場合、マスタ部とスレーブ部とが離れて位置し、事故的にスレー
ブ部が暴走した場合には生命に関わるので医療用マニピュレータとしては安全性の上で問
題があり得る。
【０００４】
また、マスタ部とスレーブ部が一部の共通軸を持ち簡素なシステムで導入しやすい一体
型の医療用マスタスレーブマニピュレータがある。産業ロボットの分野においては、マス
タ部とスレーブ部とを備えマスタスレーブ方式で動作する一体型のマニピュレータが知ら
れている。しかしながら、これらのマニピュレータはいずれも、非マスタスレーブ動作モ
ードからマスタスレーブ動作モードへ入りマスタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の姿
勢差が解消するまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、マスタ部の姿勢をスレ
ーブ部の姿勢に合わせるようにするものであった。操作者の手元にあるマスタ部を調整す
ることが容易であり、また、特に産業ロボットにおいては重厚なスレーブ部（作業部）を
マスタ部に合わせることは現実的でないからである。
【特許文献１】特開平８−３２３６５４号公報  図２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マスタスレーブ方式によって医療用マニピュレータを動作させるにあたり、マスタ部と
スレーブ部との姿勢関係が一致していない状態で動作を開始すると、操作者（術者）の思
い通りにスレーブが動作せず操作性が悪いという欠点がある。
【０００６】
そこで、マスタ部とスレーブ部との姿勢関係を一致させるための方法が開示されている
が、これらは、スレーブ部とマスタ部とにそれぞれの形状を検出する検出手段とそれらに
よる検出結果を比較する手段とを備えたマニピュレータにおいて、スレーブ部を停止して
おき、術者がマスタ部をスレーブ部の形状に一致させることでマスタスレーブ動作を開始
させるものである。すなわち、非マスタスレーブ動作モードからマスタスレーブ動作モー
ドへ入るまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、スレーブ部の姿勢に合わせる
ようにマスタ部を制御するものである。
【０００７】
この場合、マスタスレーブ動作を開始または再開する際にスレーブ部とマスタ部との形
状合わせを術者がいちいち行うのでは必ずしも操作性がよくないという問題があった。特
に複数の自由度を合わせなければならないので、形状合わせに時間がかかるという問題が
あった。グリッパのようにマスタ側にその自由度が必ずしも存在する必要がない動作自由
度を持つ医療用マニピュレータは、マスタ部の操作だけでは形状を合わせることは困難で
ある。これらの課題は現場での不測の事態に臨機応変に対処するという面からも適当では
ない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、非マスタスレーブ動作
モードからマスタスレーブ動作モードへ入りマスタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の
姿勢差が解消するまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、マスタ部に合わせる
ようにスレーブ部を制御することによって、操作性のよい医療用マニピュレータを提供す
ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、非マスタスレーブ動作モードとマスタスレーブ
動作モードとを備える医療用マニピュレータの制御方法であって、マスタ部の姿勢とスレ
ーブ部の姿勢との間の姿勢差を検出し、予め定められる前記マスタ部の姿勢と前記スレー
ブ部の姿勢とが一致しているか限りなく近い値であることを判定するための第１のパラメ
ータ値と前記姿勢差の大きさとを比較し、前記第１のパラメータ値と前記姿勢差の大きさ
との比較の結果に応じて、予め定められる前記マスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢と
が近づいているかどうかの判断に用いる第２のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとの比
較を行うか、もしくは前記マスタスレーブ動作モードへ移行し、前記第２のパラメータ値
と前記姿勢差の大きさとの比較を行った場合、その比較の結果に応じて、マスタスレーブ
動作開始を意図する信号が入力されてからの時間パラメータと現在の時間との比較を行う
か、もしくは前記スレーブ部の減速動作を行い、前記時間パラメータと現在の時間との比
較を行った場合、その比較の結果に応じて、前記スレーブ部の等速動作を行うか、もしく
は前記スレーブ部の加速動作を行い、前記減速動作、前記等速動作または前記加速動作の
後、マスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢との間の姿勢差を再び検出する、ことを特徴
とする。
【００１０】
本発明によれば、非マスタスレーブ動作モードからマスタスレーブ動作モードへ入りマ
スタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の姿勢差が解消するまでの遷移的マスタスレーブ
動作モードにおいて、姿勢差検出手段で検出した姿勢差に基づき、姿勢差が解消されるよ
うにマスタ部に合わせるようにスレーブ部を制御するので、良好な操作性を得ることがで
きる。ここで、マスタスレーブ方式で動作する一体型の医療用マニピュレータにあっては
、一体型であるため、姿勢差を解消させるためにスレーブ部を動作させてもスレーブ部は
限られた動作空間内で動作するので暴走等の危険がない。
【００１１】
また、本発明によれば、前記制御手段は、非マスタスレーブ動作モードからマスタスレ
ーブ動作モードへ移行する旨の信号を受信した時から前記姿勢差が解消するまでの制御時
間範囲に渡って予め定められた、姿勢差量と制御時間との関係に基づいて、前記スレーブ
部を制御するので、スレーブ部の姿勢をマスタ部の姿勢に迅速に効率的に合わせるように
することができる。
【００１２】
以上のように本発明では、術者がマスタスレーブの形状合わせを意図して行う必要がな
く操作性が向上するとともに、特に形状合わせが姿勢において行われるような一体型マス
タスレーブマニピュレータにおいては安全性を損なうことなくマスタスレーブ動作モード
に移行させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明の構成によれば、操作性に優れた医療用マニピュレータの
制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に図面を参照して、本発明の医療用マニピュレータの実施の形態について説明する
。
【００１５】
本発明においては、非マスタスレーブ動作モードとは、例えば装置電源を入れた直後等
のマスタ部とスレーブ部との間の姿勢関係に何の拘束性もない状態における動作モードを
いい、マスタスレーブ動作モードとは、マスタ部とスレーブ部との間に所定の姿勢関係を
有するように制御する動作モードをいい、遷移的マスタスレーブ動作モードとは、マスタ
スレーブ動作モードにおける初期の動作モードの部分であり、非マスタスレーブ動作モー
ドからマスタスレーブ動作モードに入った場合おいて、マスタ部とスレーブ部との間に所
定の姿勢関係を形成するまでの過渡的な動作モードをいう。
【００１６】
まず、図１、図２及び図７を参照して、本発明の概略構成について説明する。
【００１７】
マスタスレーブ方式で動作する一体型の医療用マニピュレータ１は、術者が操作指令する
マスタ部（操作指令部）２と、その動きに従って動作するスレーブ部（作業部）３と、マ
スタ部２とスレーブ部３とを一体的に接続する連結部４と、マスタ部２の姿勢とスレーブ
部３の姿勢との間の姿勢差を検出する姿勢差検出手段６と、姿勢差検出手段６で検出した
姿勢差に基づき、この姿勢差が解消されるようにスレーブ部３を制御する制御手段７と、
姿勢差検出手段６による姿勢差の検出時から制御手段７による制御によって姿勢差が解消
するまでの制御時間範囲に渡って予め作成された姿勢差量と制御時間との関係を定めた制
御プログラム８とを備えている。
【００１８】
姿勢差検出手段６は、マスタ部２の姿勢角度を検出する角度検出器２１とスレーブ部３
の姿勢角度を検出する角度検出器２２と角度検出器２１と角度検出器２２による検出角度
から姿勢差を演算する姿勢差演算部２３から構成されている。
【００１９】
制御手段７は、駆動手段９と制御演算部１２とから構成されている。駆動手段９は、モー
タ駆動回路２５とモータ２６とモータ９の動力をスレーブ部３へ伝達する動力伝達部２７
とから構成されている。
【００２０】
スレーブ部３は術部に処置を施すための複数の自由度を持ち、先端の姿勢が変化すると
ともにグリッパが術者の指令に従って開閉できる仕組みになっている。
【００２１】
スレーブ部３の各自由度は、モータ２６の動力がワイヤやロッドなどの動力伝達部２７を
介して伝わることで動作する。各駆動軸にはエンコーダが取り付けられており、スレーブ
部３の姿勢を検出しその値を制御演算部１２へ送信することができる。
【００２２】
マスタ部２にも複数の自由度が配置されている。通常、マスタ部２とスレーブ部３との
自由度構成は一致しているが、グリッパの開閉動作指令をスイッチで与え、必ずしもマス
タ部２側にスレーブ部３と同様にグリッパがあるとは限らない。マスタ部２の各自由度に
はポテンショメータが取り付けられており、図２のように動作させた量を検出し姿勢差演
算部２３で姿勢差を求める。
【００２３】
姿勢差演算部２３で求める姿勢差は３次元的なベクトル量であるが、このベクトル量の
大きさに応じて予め制御プログラム８が作成されている。姿勢差演算部２３の動作判定部
１４では、姿勢差演算部２３で求めた姿勢差の大きさに対応する制御プログラム８を参照
し、スレーブ部３への制御目標値を求める。
【００２４】
スレーブ部３で検出した現在角度と姿勢差演算部２３で求めた制御目標値とからスレー
ブ部３への指令値を算出し、モータ駆動回路２５へ出力する。マスタスレーブ動作時はマ
スタ部２の姿勢角度がそのままスレーブ部３の制御目標値である。
【００２５】
次に、マスタスレーブ動作に移行する手続きを述べる。医療用マニピュレータ１に電源
を入れると初期化の手続きが行われる。スレーブ部３は取り付けられた検出器によって、
その位置・姿勢を認識し、必要に応じて所定の初期位置へ移動し、停止する。マスタ部２
もまた、取り付けられた検出器によってその位置・姿勢を検出する。ここで通常、マスタ
部２とスレーブ部３との姿勢関係が異なっていることが多い。ここで前述した理由で、こ
の両者間の位置・姿勢あわせが必要となる。
【００２６】
術者１０がマスタスレーブ動作を開始したい旨を、制御コントローラへ入力する。入力
の具体的な方法は、キーボード入力、タッチパネル入力、マスタ部２や手元や足元にある
スイッチによる入力、またはトラカール５に備えられ医療用マニピュレータ１が挿入され
たことを認識する検出器による入力とがある。これによって、医療用マニピュレータ１は
非マスタスレーブ動作モードからマスタスレーブ動作モードへ入る。
【００２７】
マスタスレーブ動作開始指令が入力されると、医療用マニピュレータ１は、遷移的マス
タスレーブ動作モードに入り、マスタ部２とスレーブ部３の両者の角度差（姿勢差）をそ
れぞれの軸に対して算出する。この角度差と予め決められた制御プログラム８を参照して
パラメータを比較し、スレーブ部３とマスタ部２との姿勢関係の間に所望の姿勢関係（同
一の姿勢）を確立するために必要なマスタスレーブ動作へ移行するための動作を決定する
。
【００２８】
一体型マスタスレーブマニピュレータにおいては、マスタ部２とスレーブ部３とが一体
的に接続されているという理由から位置合わせの必要がない。合わせる必要があるのは姿
勢のみであり、その動作範囲は予想し得る限られた範囲であるため、これらの自由度が自
動で動作しても安全性が損なわれることはない。またマスタ部２とスレーブ部３が離れて
いても、位置に関しては、マスタスレーブ動作開始後は、スレーブ目標値を初期状態にお
ける値からの偏差と定義すれば同様である。
【００２９】
検出されたマスタ部２の角度θmasterとスレーブ部３の角度θslaveから、両者の角度
差Δθを式（１）より求める。
【００３０】
Δθ＝θmaster−θslave                        （１）
この角度差の算出は、各駆動軸について行ってもよいし、各姿勢軸について行ってもよ
い。また複数の軸に対し、個々に制御を行ってもよいし、複数の軸を組み合わせて行って
も良い。
【００３１】
以下、図３、図４に示したマスタスレーブ動作（ＭＳ動作）への移行制御について述べ
る。現在のマスタ部２とスレーブ部３との角度差の大きさと、マスタ部２とスレーブ部３
とが一致しているか限りなく近い値であることを判定するためのパラメータ値θαとを比
較する。
【００３２】
|Δθ|＜θα                                  （２）
式（２）の条件に適合すると判断されたら、マスタスレーブ動作に移行する。
【００３３】
式（２）を満たさない場合、角度差を判定する２番目のパラメータ値θβ（ただしθβ〉
θα）と比較する。この値はマスタ部２とスレーブ部３の両者が近づいているかどうかの
判断に用いられる。次式（３）を満たす場合、スレーブ部３は減速してマスタ部２と姿勢
を合わせる。動作方向は角度差が減少する方向で、角度差Δθの符号より求めることがで
きる。
【００３４】
|Δθ|＜θβ                                  （３）
式（３）を満たさない場合、スレーブ部３とマスタ部２との角度差は大きいと判断され
る。このときスレーブ部３は加速軌道を時々刻々生成しながら、マスタ部２と姿勢を合わ
せるべく動作する。マスタスレーブ動作開始を意図する信号が入力されてからの時間パラ
メータｔγと現在の時間ｔを比較し、スレーブ部３の加速度を決定する。
【００３５】
ｔ＜ｔγ                                      （４）
式（４）を満たすならば、スレーブ部３は式（２）または式（３）を満たさない限り、
決められた速度まで加速する。
【００３６】
ｔ＞ｔγ                                      （５）
式（５）を満たすならば、スレーブ部３は式（２）または式（３）を満たさない限り、
等速動作しマスタの姿勢に一致するように動作する。なお加速運動を必要としないときは
パラメータｔγを零にすればよい。このパラメータｔγと比較さあれる時間ｔは、姿勢合
わせ制御がいったん減速動作に入ったならば零にされる。
【００３７】
上記の作業を一定時間間隔で行うことでスレーブ部３がマスタ部２の姿勢へ自動で一致
することができる。このマスタスレーブ姿勢合わせ制御方法は、一時中断されたマスタス
レーブ動作を再開するときにも同様に適用できる。
【００３８】
さらに本発明においては時々刻々逐次時間的に判定を繰り返すので、スレーブ部３がマ
スタ部２の姿勢へ一致するまでの間にマスタ部２の姿勢を動かしても構わない。すなわち
、前述の移行制御方法を適用すれば、図５のようにスレーブ部３は目標値を生成する。こ
のことは術者１０にとって、スレーブ部３とマスタ部２の姿勢合わせという作業を行わな
くて良いばかりか、姿勢合わせが終了するまでマスタ部２が動かないように止めておくと
いう作業が入ることもなく、操作性の良いマニピュレータとなる。また、術者１０がマス
タ部２の動作範囲内でスレーブ部３との角度差を広げる方向へ動かしてもスレーブ部３は
両者の角度差が広がったことを認識し、パラメータとの比較結果に応じてマスタ部２と姿
勢を一致させるように動作する。
【００３９】
角度差の大きさによってスレーブ部３がマスタ部２の姿勢と一致する動作の速度に違い
を持たせることによって、姿勢合わせ動作中、次のような能力を備えることができる。姿
勢合わせを早く終わらせようと考えたら、術者１０は自らが操作するマスタ部２をスレー
ブ部３の現姿勢へ動作させればよい。姿勢合わせ中にスレーブ部３が減速し始めたがまだ
両者の姿勢が一致せずマスタスレーブ動作に移行できていなくとも、現在の動作方向へさ
らに動かしたいと考えたら、図６のようにマスタ部２をスレーブ部３から逃げる方向すな
わち角度差を広げる方向へ動作させることで、スレーブ部３を再加速させればよい。
【００４０】
以上のことにより、医療現場で起こりうる不測の事態に臨機応変に対応できる能力を備
えた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。
【００４１】
前述した判定基準にマスタ部２とスレーブ部３との角度差と動作時間を用いたが、これに
付け加え、またはこれに替わって、マスタ部２の速度ωmasterや加速度αmaster、さらに
は両者の角度差の速度Δωや加速度Δαを用いてスレーブ部３の目標値を生成し、より細
かな移行動作をスレーブ部３に要求することが可能である。速度、加速度を用いることで
、マスタスレーブ移行動作中でもマスタ部２とスレーブ部３との間に仮想のバネ、ダンパ
を与え、それらに対応したパラメータを調整することで術者の意図がより反映しやすくな
る。
【００４２】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、非マスタスレーブ動作モードから
マスタスレーブ動作モードへ入りマスタ部２の姿勢とスレーブ部３の姿勢との間の姿勢差
が解消するまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、姿勢差検出手段６で検出し
た姿勢差に基づき、姿勢差が解消されるようにマスタ部２に合わせるようにスレーブ部３
を制御するので、良好な操作性を得ることができ、マスタ部２とスレーブ部３とを自動的
に姿勢合わせを行い、術者１０の負担が軽減され操作性に優れた医療用マニピュレータを
提供することができる。また、マスタスレーブ姿勢合わせ中でも術者の意図を反映させる
ことができ、操作性がよくかつ安全な医療用マスタスレーブマニピュレータを提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る医療用マニピュレータのマスタ部とスレーブ部と連結部を示す斜視図。
【図２】医療用マニピュレータの構成概略を示す図。
【図３】遷移的マスタスレーブ動作モードにおける動作判定の流れを示す図。
【図４】姿勢差の検出時から姿勢差が解消するまでの制御時間範囲に渡る制御される姿勢差量と制御時間との関係を定めた制御プログラムの例を示す図。
【図５】遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて移行動作中にマスタ部が動いた場合の制御例を示す図。
【図６】遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、マスタ部をスレーブ部から逃げる方向すなわち角度差を広げる方向へ動作させることで、スレーブ部を再加速させる例を示す図。
【図７】医療用マニピュレータの制御を説明するブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  医療用マニピュレータ
２  マスタ部
３  スレーブ部
４  連結部
６  姿勢差検出手段
７  制御手段
８  制御プログラム
９  駆動手段
【図１】
2005131417.tif 000003
【図２】
2005131417.tif 000004
【図３】
2005131417.tif 000005
【図４】
2005131417.tif 000006
【図５】
2005131417.tif 000007
【図６】
2005131417.tif 000008
【図７】
2005131417.tif 000009