(57)【要約】  各マニピュレータアームに対応して設定された各格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、各マニピュレータアームに保持された各外科用器具の先端部が位置した場合の各マニピュレータアームおよび外科用器具による姿勢をシミュレートし、各姿勢が干渉するような、各格子モデルにおける格子点の組み合わせを抽出し、干渉を生じる組み合わせのデータを記憶部に記憶し、制御部に伝達された動作指令が干渉を生じる組み合わせに該当するか否かを判定し、動作指令が干渉を生じる組み合わせに該当すると判定された場合に、制御部が干渉防止処理を実行する。
2017179624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科手術システムの制御方法であって、
前記外科手術システムは、
それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、
前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を入力するための操作装置と、
前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、
前記制御部にデータを読み出し可能な記憶部と、を備え、
前記制御方法は、
各マニピュレータアームの先端部と、当該マニピュレータアームに前記外科用器具が保持された際の前記外科用器具の先端部との間の予め定められた位置を拘束点として設定し、
前記拘束点における３次元位置を固定した状態で前記マニピュレータアームを３次元的に移動させた場合の前記外科用器具の先端部の３次元的な移動範囲を所定の立体的形状の表面上に複数の格子点が配された所定の格子モデルを作成することによって設定し、
第１のマニピュレータアームに対応して設定された第１の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第１のマニピュレータアームに保持された第１の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具による第１の姿勢をシミュレートし、
前記第１のマニピュレータアームに隣接する第２のマニピュレータアームに対応して設定された第２の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第２のマニピュレータアームに保持された第２の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具による第２の姿勢をシミュレートし、
前記第１の姿勢と前記第２の姿勢とが干渉するような、前記第１の格子モデルにおける格子点と前記第２の格子モデルにおける格子点との組み合わせを抽出し、
前記干渉を生じる組み合わせのデータを前記記憶部に記憶し、
前記制御部に伝達された前記動作指令が前記干渉を生じる組み合わせに該当するか否かを判定し、
前記動作指令が前記干渉を生じる組み合わせに該当すると判定された場合に、前記制御部が干渉防止処理を実行する、外科手術システムの制御方法。
【請求項２】
前記立体的形状は、球であり、
前記第１および第２の格子モデルにおける各格子点の位置座標は、対応する前記拘束点と前記球の中心とを結ぶ直線に垂直な前記球の断面の中心点の位置座標と当該断面の半径と各格子モデル上の所定の基準位置からの角度で定められる、請求項１に記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項３】
前記外科手術システムは、所定の報知部を備え、
前記干渉防止処理は、前記報知部から警報を出力することを含む、請求項１または２に記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項４】
前記干渉防止処理は、前記制御部が前記第１のマニピュレータアームおよび前記第２のマニピュレータアームの少なくとも一方を、前記干渉を生じる組み合わせの位置に移動させないようにする、請求項１から３の何れかに記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項５】
前記複数のマニピュレータアームは、当該マニピュレータアームの先端部の位置を変化させることなく姿勢を変えることができる冗長軸を含む７軸関節アームとして構成され、
前記干渉を生じる組み合わせが抽出された場合に、各マニピュレータアームの先端部の位置を変化させずに、前記第１の姿勢および前記第２の姿勢の少なくとも何れか一方の姿勢を変化させて干渉が生じるか否かの再判定を行う、請求項１から４の何れかに記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項６】
前記第１の格子モデルおよび前記第２の格子モデルは、それぞれ、中心位置が前記立体的形状の中心位置と同じ位置に配置され、前記立体的形状より小さい相似形状の表面上に配された格子点を含む、請求項１から５の何れかに記載の外科手術システムの制御方法。
【請求項７】
外科手術システムの制御方法であって、
前記外科手術システムは、
それぞれが外科用器具を保持可能な器具保持部を有する複数のマニピュレータアームと、
動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、
前記制御部に接続された記憶部と、を備え、
前記制御方法は、
第１のマニピュレータアームに保持された第１の外科用器具の位置として第１の基準点を設定し、
前記第１の基準点の移動範囲内に複数の点が配された第１の点群モデルを設定し、
前記第１の点群モデルにおける点の位置に前記第１の基準点が位置した場合の前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具の第１の姿勢をシミュレートし、
第２のマニピュレータアームに保持された第２の外科用器具の位置として第２の基準点を設定し、
前記第２の基準点の移動範囲内に複数の点が配された第２の点群モデルを設定し、
前記第２の点群モデルにおける点の位置に前記第２の基準点が位置した場合の前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具の第２の姿勢をシミュレートし、
前記第１の姿勢にある前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具と前記第２の姿勢にある前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具とが干渉するような、前記第１の点群モデルにおける点と前記第２の点群モデルにおける点との組み合わせのデータを前記記憶部に記憶し、
前記制御部に伝達された前記動作指令に対応する前記第１の基準点の位置と前記第２の基準点の位置が、記憶された前記組み合わせのデータに該当するか否かを判定し、
該当すると判定された場合に、前記制御部が干渉防止処理を実行する、外科手術システムの制御方法。
【請求項８】
それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、
前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を入力するための操作装置と、
前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、
前記制御部にデータを読み出し可能な記憶部と、を備え、
前記記憶部は、第１のマニピュレータアームに対応して設定され、前記第１のマニピュレータアームに保持された第１の外科用器具の先端部の３次元的な移動範囲を規定する所定の立体的形状の表面上に複数の格子点が配された第１の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第１の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具による第１の姿勢と、前記第１のマニピュレータアームに隣接する第２のマニピュレータアームに対応して設定され、前記第２のマニピュレータアームに保持された第２の外科用器具の先端部の３次元的な移動範囲を規定する前記立体的形状の表面上に複数の格子点が配された第２の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第２の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具による第２の姿勢とが干渉するような、前記第１の格子モデルにおける格子点と前記第２の格子モデルにおける格子点との組み合わせのデータを記憶し、
前記制御部は、受信した前記動作指令が前記干渉を生じる組み合わせに該当するか否かを判定し、前記動作指令が前記干渉を生じる組み合わせに該当すると判定された場合に、干渉防止処理を実行する、外科手術システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外科手術システムの制御方法および外科手術システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のマニピュレータアームを備え、施術者の操作に基づいて当該複数のマニピュレータアームを動かして外科手術を行うマスタ−スレーブ型のシステムが知られている（例えば特許文献１，２等参照）。このようなシステムにおいて、１つの施術部位に対して複数のマニピュレータアームが協動して細かい施術を行うことが可能なように、複数のマニピュレータアームは、互いに非常に近接して配置される。【０００３】
産業用ロボットでは、ロボットの動きが予め定められているので、複数のアームが存在する場合でも事前に互いのアームが干渉しないような動作順序を設定することで、動作時における干渉を防止することができる。しかし、上記のような外科手術システムにおける複数のマニピュレータアームは、施術者の動作指令に基づいてリアルタイムに動作する必要があるため、産業用ロボットにおいて行われるような事前のシミュレーションを行っても近接するマニピュレータアーム同士の干渉を防止することができない。【０００４】
これに対して、特許文献１では、複数のマニピュレータアームが患者の体内の処置領域へアクセスするためにマニピュレータアームごとに設けられる開口位置をシミュレーションにより最適化することで干渉を防止することが提案されている。【０００５】
また、特許文献２では、複数のマニピュレータアームがそれぞれ移動する際に各マニピュレータアームが占有する座標を計算し、当該座標に基づいてマニピュレータアーム同士が干渉するか否かを演算することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２９３７３４号明細書
【特許文献２】特開２０００−３００５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記のような態様では、以下のような問題がある。すなわち、特許文献１のような態様では、例えば肋骨の間を外科用器具を通して行う施術の際等、開口位置が自由に設定できない場合には、マニピュレータアーム同士の干渉が生じないように開口位置を最適化することができないおそれがある。また、干渉が生じないように最適化された開口位置が設定できたとしても、当該開口位置は、実際に施術を行う施術者にとって、施術を行い易い位置に位置するとは限らない。【０００８】
また、特許文献２のような態様は、施術者からの移動指令を受けてから当該移動指令によって動かす外科用器具の現在位置および移動目標位置と、他の外科用器具の現在位置とから各外科用器具を保持するマニピュレータアーム同士が干渉するか否かを計算し、干渉する場合には警告等が行われる。このように、特許文献２のような態様では、外科用器具を保持するマニピュレータアームを移動させる前に、または、移動させながら干渉が生じるか否かを計算する必要がある。このため、干渉が生じると計算された場合に、実際にマニピュレータアームまたは外科用器具同士が接触しないように施術者に事前に警告するためには、マニピュレータアームの移動速度をある程度以下に制限する必要が生じる。したがって、このような態様では、施術者の入力する動作指令に追従できない、または、施術者の入力と外科用器具の実際の動きとに時差が生じるおそれがあり、施術の精度を高くすることができない。【０００９】
本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、施術に影響を与えることなく複数のマニピュレータアーム同士の干渉を防止することができる外科手術システムの制御方法および外科手術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】
【００１０】
本発明のある態様は、外科手術システムの制御方法であって、前記外科手術システムは、それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を入力するための操作装置と、前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、前記制御部にデータを読み出し可能な記憶部と、を備え、前記制御方法は、各マニピュレータアームの先端部と、当該マニピュレータアームに前記外科用器具が保持された際の前記外科用器具の先端部との間の予め定められた位置を拘束点として設定し、前記拘束点における３次元位置を固定した状態で前記マニピュレータアームを３次元的に移動させた場合の前記外科用器具の先端部の３次元的な移動範囲を所定の立体的形状の表面上に配された所定の格子モデルを作成することによって設定し、第１のマニピュレータアームに対応して設定された第１の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第１のマニピュレータアームに保持された第１の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具による第１の姿勢をシミュレートし、前記第１のマニピュレータアームに隣接する第２のマニピュレータアームに対応して設定された第２の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第２のマニピュレータアームに保持された第２の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具による第２の姿勢をシミュレートし、前記第１の姿勢と前記第２の姿勢とが干渉するような、前記第１の格子モデルにおける格子点と前記第２の格子モデルにおける格子点との組み合わせを抽出し、前記干渉を生じる組み合わせのデータを前記記憶部に記憶し、前記制御部に伝達された前記動作指令が前記干渉を生じる組み合わせに該当するか否かを判定し、前記動作指令が前記干渉を生じる組み合わせに該当すると判定された場合に、前記制御部が干渉防止処理を実行する。【００１１】
上記制御方法によれば、外科用器具を患者の体内に挿入するための開口位置に相当する位置が拘束点として設定される。さらに、当該拘束点における３次元位置を固定した状態でマニピュレータアームを３次元的に移動させた場合の外科用器具の先端部の３次元的な移動範囲が所定の立体的形状の表面上に複数の格子点が配された所定の格子モデルを作成することによって設定される。このようなマニピュレータアームごとに設定される格子モデルを構成する各格子点に対応する外科用器具の先端部が位置した場合の各マニピュレータアームおよび外科用器具の姿勢をシミュレートし、近接する第１のマニピュレータアームおよび第１の外科用器具による第１の姿勢と第２のマニピュレータアームおよび第２の外科用器具による第２の姿勢とが干渉するか否かが判定され、干渉する格子点の組み合わせが施術前に外科手術システムの記憶部に記憶される。施術中において、施術者が入力した動作指令に基づく複数のマニピュレータアームの各姿勢の組み合わせが、干渉する格子点の組み合わせに該当すると判定されると、実際に干渉が生じないように干渉防止処理が実行される。このように、第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉する組み合わせが、マニピュレータアームごとに設定された移動範囲を規定する複数の格子点について総当たりで判定することにより、事前に抽出される。これにより、施術中においてマニピュレータアームを動かしながら複雑な演算を行うことなく、干渉を回避する処理を行うことができる。したがって、施術に影響を与えることなく複数のマニピュレータアーム同士の干渉を防止することができる。【００１２】
前記立体的形状は、球であり、前記第１および第２の格子モデルにおける各格子点の位置座標は、対応する前記拘束点と前記球の中心とを結ぶ直線に垂直な前記球の断面の中心点の位置座標と当該断面の半径と各格子モデル上の所定の基準位置からの角度とで定められてもよい。これにより、格子点の位置座標を簡単に定めることができ、干渉が生じる組み合わせの位置の把握を容易に行うことができる。【００１３】
前記外科手術システムは、所定の報知部を備え、前記干渉防止処理は、前記報知部から警報を出力することを含んでもよい。これにより、干渉が生じる動作指令が入力されたことを施術者に迅速に知らせることができる。【００１４】
前記干渉防止処理は、前記制御部が前記第１のマニピュレータアームおよび前記第２のマニピュレータアームの少なくとも一方を、前記干渉を生じる組み合わせの位置に移動させないようにしてもよい。これにより、干渉が生じる動作指令が入力された場合に、実際に干渉が生じないようにすることができる。【００１５】
前記複数のマニピュレータアームは、当該マニピュレータアームの先端部の位置を変化させることなく姿勢を変えることができる冗長軸を含む７軸関節アームとして構成され、前記干渉を生じる組み合わせが抽出された場合に、各マニピュレータアームの先端部の位置を変化させずに、前記第１の姿勢および前記第２の姿勢の少なくとも何れか一方の姿勢を変化させて干渉が生じるか否かの再判定を行ってもよい。これにより、干渉が生じる組み合わせを事前になるべく少なくすることができる。【００１６】
前記第１の格子モデルおよび前記第２の格子モデルは、それぞれ、中心位置が前記立体的形状の中心位置と同じ位置に配置され、前記立体的形状より小さい相似形状の表面上に配された格子点を含んでもよい。これにより、外科用器具の先端部が移動範囲の内部に位置した場合のマニピュレータアームおよび外科用器具の姿勢も考慮することができ、より精密な干渉判定を行うことができる。【００１７】
本発明の他の態様に係る外科手術システムの制御方法は、前記外科手術システムは、それぞれが外科用器具を保持可能な器具保持部を有する複数のマニピュレータアームと、動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、前記制御部に接続された記憶部と、を備え、前記制御方法は、第１のマニピュレータアームに保持された第１の外科用器具の位置として第１の基準点を設定し、前記第１の基準点の移動範囲内に複数の点が配された第１の点群モデルを設定し、前記第１の点群モデルにおける点の位置に前記第１の基準点が位置した場合の前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具の第１の姿勢をシミュレートし、第２のマニピュレータアームに保持された第２の外科用器具の位置として第２の基準点を設定し、前記第２の基準点の移動範囲内に複数の点が配された第２の点群モデルを設定し、前記第２の点群モデルにおける点の位置に前記第２の基準点が位置した場合の前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具の第２の姿勢をシミュレートし、前記第１の姿勢にある前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具と前記第２の姿勢にある前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具とが干渉するような、前記第１の点群モデルにおける点と前記第２の点群モデルにおける点との組み合わせのデータを前記記憶部に記憶し、前記制御部に伝達された前記動作指令に対応する前記第１の基準点の位置と前記第２の基準点の位置が、記憶された前記組み合わせのデータに該当するか否かを判定し、該当すると判定された場合に、前記制御部が干渉防止処理を実行する。【００１８】
上記制御方法によれば、外科用器具の位置が基準点として設定される。さらに、当該基準点の移動範囲として複数の点が配された点群モデルを用いて複数のマニピュレータアームおよび外科用器具の位置がシミュレートされる。これにより、第１のマニピュレータアームおよび第１の外科用器具の第１の姿勢と第２のマニピュレータアームおよび第２の外科用器具の第２の姿勢とが干渉するか否かが判定され、干渉する点の組み合わせが施術前に外科手術システムの記憶部に記憶される。施術中において、施術者が入力した動作指令に基づく複数のマニピュレータアームの各姿勢の組み合わせが、干渉する点の組み合わせに該当すると判定されると、実際に干渉が生じないように干渉防止処理が実行される。このように、第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉する組み合わせが、マニピュレータアームごとに設定された移動範囲を規定する点群モデルを用いて判定される。これにより、施術中においてマニピュレータアームを動かしながら複雑な演算を行うことなく、干渉を回避する処理を行うことができる。したがって、施術に影響を与えることなく複数のマニピュレータアーム同士の干渉を防止することができる。【００１９】
本発明の他の態様に係る外科手術システムは、それぞれの先端部に長軸状の外科用器具を保持可能な器具保持部を有し、それぞれの先端部が基端部に対して３次元的に移動する複数のマニピュレータアームと、前記複数のマニピュレータアームを移動させるための動作指令を入力するための操作装置と、前記動作指令に基づいて前記複数のマニピュレータアームの移動を制御する制御部と、前記制御部にデータを読み出し可能な記憶部と、を備え、前記記憶部は、第１のマニピュレータアームに対応して設定され、前記第１のマニピュレータアームに保持された第１の外科用器具の先端部の３次元的な移動範囲を規定する所定の立体的形状の表面上に複数の格子点が配された第１の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第１の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具による第１の姿勢と、前記第１のマニピュレータアームに隣接する第２のマニピュレータアームに対応して設定され、前記第２のマニピュレータアームに保持された第２の外科用器具の先端部の３次元的な移動範囲を規定する前記立体的形状の表面上に複数の格子点が配された第２の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第２の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具による第２の姿勢とが干渉するような、前記第１の格子モデルにおける格子点と前記第２の格子モデルにおける格子点との組み合わせのデータを記憶し、前記制御部は、受信した前記動作指令が前記干渉を生じる組み合わせに該当するか否かを判定し、前記動作指令が前記干渉を生じる組み合わせに該当すると判定された場合に、干渉防止処理を実行する。【００２０】
上記構成によれば、第１のマニピュレータアームに対応して設定された第１の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第１のマニピュレータアームに保持された第１の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第１のマニピュレータアームおよび前記第１の外科用器具による第１の姿勢と、前記第１のマニピュレータアームに隣接する第２のマニピュレータアームに対応して設定された第２の格子モデルにおける各格子点の３次元位置に、前記第２のマニピュレータアームに保持された第２の外科用器具の先端部が位置した場合の前記第２のマニピュレータアームおよび前記第２の外科用器具による第２の姿勢とが干渉するような、前記第１の格子モデルにおける格子点と前記第２の格子モデルにおける格子点との組み合わせが予め記憶部に記憶されている。施術中において、施術者が入力した動作指令に基づく複数のマニピュレータアームの各姿勢の組み合わせが、干渉する格子点の組み合わせに該当すると判定されると、実際に干渉が生じないように干渉防止処理が実行される。このように、第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉する組み合わせが、マニピュレータアームごとに設定された移動範囲を規定する複数の格子点について総当たりで判定することにより、事前に抽出される。これにより、施術中においてマニピュレータアームを動かしながら複雑な演算を行うことなく、干渉を回避する処理を行うことができる。したがって、施術に影響を与えることなく複数のマニピュレータアーム同士の干渉を防止することができる。【００２１】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、施術に影響を与えることなく複数のマニピュレータアーム同士の干渉を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は本発明の一実施の形態に係る外科手術システムの全体的な構成を示す概略図である。
【図２】図２は図１の外科手術システムにおける患者側システムのマニピュレータアームの全体的な構成を示す概略図である。
【図３】図３は図１に示す外科手術システムのマニピュレータアームの制御系統の概略構成を示すブロック図である。
【図４】図４は本実施の形態における干渉判定処理用データの作成処理の流れを説明するフローチャートである。
【図５】図５は図４において作成される第１の格子モデルおよび第２の格子モデルの例を示す概念図である。
【図６】図６は本実施の形態における干渉判定処理の流れを説明するフローチャートである。
【図７】図７は本実施の形態の変形例に係る格子モデルの例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、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。
【００２５】
図１は、本発明の一実施の形態に係る外科手術システム１００の全体的な構成を示す概略図である。図１に示すように、外科手術システム１００は、ロボット支援手術やロボット遠隔手術などのように、医師などの施術者Ｏが患者側システム１を用いて患者Ｐに内視鏡外科手術を施すシステムである。
【００２６】
外科手術システム１００は、患者側システム１と、この患者側システム１を操る操作装置２とを備えている。操作装置２は患者側システム１から離れて配置され、患者側システム１は操作装置２によって遠隔操作される。施術者Ｏは患者側システム１に行わせる動作を操作装置２に入力し、操作装置２はその動作指令を患者側システム１に送信する。そして、患者側システム１は、操作装置２から送信された動作指令を受け取り、この動作指令に基づいて患者側システム１が具備する内視鏡アセンブリ４１やインストゥルメント（外科用器具）４２などを動作させる。
【００２７】
操作装置２は、外科手術システム１００と施術者Ｏのインターフェースを構成し、患者側システム１を操作するための装置である。操作装置２は、手術室内において手術台１１１の傍らにまたは手術台１１１から離れて、あるいは、手術室外に設置されている。操作装置２は、施術者Ｏが動作指令を入力するための操作用マニピュレータアーム５１および操作ペダル５２などの操作入力部５０と、内視鏡アセンブリ４１で撮影された画像を表示するモニタ５３とを含む。施術者Ｏは、モニタ５３で患部を視認しながら、操作入力部５０を操作して操作装置２に動作指令を入力する。操作装置２に入力された動作指令は、有線または無線により患者側システム１の後述するコントローラ６に伝達される。
【００２８】
患者側システム１は、外科手術システム１００と患者Ｐとのインターフェースを構成する。患者側システム１は、手術室内において患者Ｐが横たわる手術台１１１の傍らに配置されている。手術室内は滅菌された滅菌野である。
【００２９】
患者側システム１は、ポジショナ７と、ポジショナ７の先端部に取り付けられたプラットホーム５と、プラットホーム５に着脱可能に取り付けられた複数の患者側マニピュレータアーム（以下、単に「アーム３」という）とを備えている。ポジショナ７は、水平多関節形ロボットとして構成されており、手術室の所定位置に載置されたベース７０に対してプラットホーム５の位置を３次元的に移動させることができる。ポジショナ７およびプラットホーム５は、滅菌ドレープ９で覆われ、ポジショナ７およびプラットホーム５が手術室内の滅菌野から遮蔽される。
【００３０】
複数のアーム３のうち１本のアーム３Ａの先端部には、内視鏡アセンブリ４１が保持される。複数のアーム３のうち余のアーム３Ｂの先端部には、インストゥルメント４２が着脱可能に保持される。以下、内視鏡アセンブリ４１が取り付けられたアーム３を「カメラアーム３Ａ」ということがあり、インストゥルメント４２が取り付けられたアーム３を「インストゥルメントアーム３Ｂ」ということがある。本実施の形態における患者側システム１は、１本のカメラアーム３Ａと３本のインストゥルメントアーム３Ｂとの、合わせて４本のアーム３を備えている。
【００３１】
患者側システム１は、コントローラ６により動作制御される。コントローラ６は、例えばマイクロコントローラ等のコンピュータにより構成される。
【００３２】
上記の患者側システム１において、プラットホーム５は、複数のアーム３の拠点となる「ハブ」としての機能を有している。本実施形態では、ポジショナ７およびプラットホーム５によって、複数のアーム３を移動可能に支持するマニピュレータアーム支持体Ｓが構成されている。ただし、マニピュレータアーム支持体Ｓは少なくともプラットホーム５を含んでいればよく、例えば、ポジショナ７に代えて直動レール、昇降装置、あるいは、天井または壁に取り付けられたブラケットに支持されたプラットホーム５によってマニピュレータアーム支持体Ｓが構成されてもよい。
【００３３】
上記の患者側システム１では、ポジショナ７から内視鏡アセンブリ４１または各インストゥルメント４２まで、要素が一連に繋がっている。本明細書では、上記一連の要素において、ポジショナ７（より詳細には、ポジショナ７の手術室の床との接触部）へ向かう側の端部を「基端部」といい、その反対側の端部を「先端部」ということとする。
【００３４】
インストゥルメント４２は、その基端部に設けられた駆動ユニット４５と、その先端部に設けられたエンドエフェクタ（処置具）４４と、駆動ユニット４５とエンドエフェクタ４４の間を繋ぐ細長いシャフト４３とを有している（いずれも、図２参照）。インストゥルメント４２には長軸方向Ｄが規定されており、駆動ユニット４５、シャフト４３、およびエンドエフェクタ４４は長軸方向Ｄに沿って配置される。インストゥルメント４２のエンドエフェクタ４４は、動作する関節を有する器具（例えば、鉗子、ハサミ、グラスパー、ニードルホルダ、マイクロジセクター、ステープルアプライヤー、タッカー、吸引洗浄ツール、スネアワイヤ、および、クリップアプライヤー等）、ならびに、関節を有しない器具（例えば、切断刃、焼灼プローブ、洗浄器、カテーテル、および、吸引オリフィス等）を含む群より選択される。本明細書および特許請求の範囲における「長軸状の外科用器具」には、内視鏡アセンブリ４１および各インストゥルメント４２の双方が含まれる。
【００３５】
上記構成の患者側システム１を用いた施術において、まず、操作装置２から動作指令を受けたコントローラ６が、プラットホーム５と手術台１１１または患者Ｐとが所定の位置関係となるように、ポジショナ７を動作させてプラットホーム５の位置決めを行う。次に、コントローラ６が、患者Ｐの体表に留置されたスリーブ（カニューレスリーブ）１１０と内視鏡アセンブリ４１および各インストゥルメント４２とが所定の初期位置関係となるように、各アーム３を動作させて内視鏡アセンブリ４１および各インストゥルメント４２の位置決めを行う。なお、ポジショナ７の位置決め動作と各アーム３の位置決め動作とは同時に行われてもよい。そして、コントローラ６は、原則としてポジショナ７を静止させた状態で、操作装置２からの動作指令に応じて、各アーム３を動作させて内視鏡アセンブリ４１および各インストゥルメント４２を適宜変位および姿勢変化させつつ、各インストゥルメント４２を動作させて施術する。
【００３６】
ここで、アーム３の構成について詳細に説明する。図２は、図１の外科手術システムにおける患者側システムのマニピュレータアームの全体的な構成を示す概略図である。図２には、患者側システム１が備える複数のアーム３のうちの１本の概略構成が示されている。図２に示すように、アーム３は、アーム本体３０と、アーム本体３０の先端部に連結された並進アーム３５とを備え、基端部に対し先端部を３次元空間内で移動させることができるように構成されている。なお、本実施の形態では、患者側システム１が具備する複数のアーム３はいずれも同様または類似の構成を有するが、複数のアーム３のうち少なくとも１本が他のアームと異なる構成を有してもよい。アーム３の先端部には、長軸状の外科用器具を保持可能なホルダ（器具保持部）３６が設けられる。本実施の形態において、並進アーム３５の先端部にホルダ３６が設けられる。
【００３７】
アーム３がインストゥルメントアーム３Ｂの場合、ホルダ３６には、インストゥルメント４２が着脱可能に保持される。ホルダ３６に保持されたインストゥルメント４２のシャフト４３は、長軸方向Ｄに沿って延在する。また、アーム３がカメラアーム３Ａの場合、ホルダ３６には、内視鏡アセンブリ４１が着脱可能に保持される。ここで、カメラアーム３Ａに設けるホルダ３６は、インストゥルメントアーム３Ｂに設けるホルダ３６とは異なる形状または構造を有していてもよい。あるいは、手術中に内視鏡アセンブリ４１を交換することは稀であるので、カメラアーム３Ａに内視鏡アセンブリ４１が固定されていてもよい。
【００３８】
アーム３は、プラットホーム５に対し着脱可能に構成されている。アーム３は、洗浄処理及び滅菌処理のための耐水性、耐熱性、及び耐薬品性を備えている。アーム３の滅菌処理には様々な方法があるが、例えば、高圧蒸気滅菌法、ＥＯＧ滅菌法、消毒薬による化学滅菌法などが選択的に用いられ得る。
【００３９】
アーム本体３０は、プラットホーム５に着脱可能に取り付けられるベース８０と、ベース８０から先端部に向けて順次連結された第１リンク８１〜第６リンク８６とを含む。より詳細には、ベース８０の先端部に、捩り関節Ｊ31を介して第１リンク８１の基端部が連結されている。第１リンク８１の先端部に、捩り関節Ｊ32を介して第２リンク８２の基端部が連結されている。第２リンク８２の先端部に、曲げ関節Ｊ33を介して第３リンク８３の基端部が連結されている。第３リンク８３の先端部に、捩り関節Ｊ34を介して第４リンク８４の基端部が連結されている。第４リンク８４の先端部に、曲げ関節Ｊ35を介して第５リンク８５の基端部が連結されている。第５リンク８５の先端部に、捩り関節Ｊ36を介して第６リンク８６の基端部が連結されている。第６リンク８６の先端部に、曲げ関節Ｊ37を介して並進アーム３５の基端部が連結されている。これにより、アーム３は、冗長軸（本実施の形態においては捩り関節Ｊ32）を含む７軸関節アームとして構成される。したがって、アーム３は、当該アーム３の先端部の位置を変化させることなく姿勢を変えることができる。
【００４０】
アーム本体３０の外殻は、主にステンレスなどの耐熱性及び耐薬品性を有する部材で形成されている。また、リンク同士の連結部には、耐水性を備えるためのシール（図示せず）が設けられている。このシールは、高圧蒸気滅菌法に対応する耐熱性や、消毒薬に対する耐薬品性を備えている。なお、リンク同士の連結部において、連結される一方のリンクの端部の内側に他方のリンクの端部が挿入されており、これらのリンクの端部同士の間を埋めるようにシールが配置されることによって、シールが外観から隠蔽されている。これにより、シールとリンクとの間から水、薬液、蒸気の浸入が抑制されている。
【００４１】
並進アーム３５は、並進アーム３５の先端部に取り付けられたホルダ３６を長軸方向Ｄに並進移動させることにより、ホルダ３６に取り付けられたインストゥルメント４２をシャフト４３の延在方向に並進移動させる機構である。
【００４２】
並進アーム３５は、アーム本体３０の第６リンク８６の先端部に、曲げ関節Ｊ37を介して連結される基端側リンク６１と、先端側リンク６２と、基端側リンク６１と先端側リンク６２を連結する連結軸６３と、連動機構（図示せず）とを有する。また、並進アーム３５の先端部、すなわち先端側リンク６２の先端部には、回動軸６８が設けられている。並進アーム３５の駆動源は、アーム本体３０の先端部すなわち第６リンク８６に設けられている。連結軸６３は、曲げ関節Ｊ37と平行に配置され、先端側リンク６２は、基端側リンク６１に対して連結軸６３回りに回動可能に構成される。連動機構は、公知のリンク機構を採用可能であり、例えばプーリおよびタイミングベルトを用いた構成でもよいし、ギアトレインを含む機構でもよい。
【００４３】
先端側リンク６２の基端部（第６リンク８６との連結部）には、曲げ関節Ｊ37と同軸に配置される第１並進アーム駆動軸および第２並進アーム駆動軸（ともに図示せず）が設けられている。第２並進アーム駆動軸は、連動機構に連結されており、第２並進アーム駆動軸が第１並進アーム駆動軸に対して差動することにより、基端側リンク６１の曲げ関節Ｊ37回りの回動角度、先端側リンク６２の連結軸６３回りの回動角度、および、ホルダ３６の回動軸６８回りの回動角度が所定の比率（例えば１：２：１）を保持するように、並進アーム３５が並進動作する。第１並進アーム駆動軸および第２並進アーム駆動軸が同期して回動することにより、並進アーム３５全体がアーム本体３０に対して曲げ関節Ｊ37回りに回動する。
【００４４】
図３は、図１に示す外科手術システムのマニピュレータアームの制御系統の概略構成を示すブロック図である。上記構成のアーム本体３０には、各関節Ｊ31〜Ｊ36に対応して、駆動用のサーボモータＭ31〜Ｍ36、サーボモータＭ31〜Ｍ36の回転角を検出するエンコーダＥ31〜Ｅ36、および、サーボモータＭ31〜Ｍ36の出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図示せず）が設けられる。なお、図３では、関節Ｊ31〜Ｊ36のうち、捩り関節Ｊ31と捩り関節Ｊ36との制御系統が代表的に示され、その他の関節Ｊ33〜Ｊ35の制御系統は省略されている。さらに、アーム本体３０には、並進アーム３５が並進動作または回動動作する関節Ｊ37に対応して、第１並進アーム駆動軸を駆動するためのサーボモータＭ37aおよび第２並進アーム駆動軸を駆動するためのサーボモータＭ37bと、サーボモータＭ37a，Ｍ37bの回転角を検出するエンコーダＥ37a，Ｅ37bと、サーボモータＭ37a，Ｍ37bの出力を減速させてトルクを増大させる減速機（図示せず）とが設けられる。
【００４５】
なお、エンコーダＥ31〜Ｅ36，Ｅ37a，Ｅ37bは、サーボモータＭ31〜Ｍ36，Ｍ37a，Ｍ37bの回転位置（回転角）を検出する回転位置検出手段の一例として設けられており、エンコーダＥ31〜Ｅ36，Ｅ37a，Ｅ37bに代えてレゾルバなどの回転位置検出手段が用いられてもよい。また、アーム３の駆動系統の上記の各要素およびこれらのための配線ならびに制御部は、耐高温材料で構成され、滅菌処理のための耐熱性が備えられている。
【００４６】
コントローラ６は、動作指令に基づいて複数のアーム３の移動を制御するアーム制御部６０１を含む。アーム制御部６０１にはサーボ制御部Ｃ31〜Ｃ36，Ｃ37a，Ｃ37bが電気的に接続され、図示されない増幅回路などを介してサーボモータＭ31〜Ｍ36，Ｍ37a，Ｍ37bが電気的に接続されている。
【００４７】
上記構成において、操作装置２に入力された動作指令に基づいて、アーム制御部６０１にアーム３の先端部の位置姿勢指令が入力される。アーム制御部６０１は、位置姿勢指令とエンコーダＥ31〜Ｅ36，Ｅ37a，Ｅ37bで検出された回転角とに基づいて、位置指令値を生成して出力する。この位置指令値を取得したサーボ制御部Ｃ31〜Ｃ36，Ｃ37a，Ｃ37bは、エンコーダＥ31〜Ｅ36，Ｅ37a，Ｅ37bで検出された回転角及び位置指令値に基づいて駆動指令値（トルク指令値）を生成して出力する。この駆動指令値を取得した増幅回路は、駆動指令値に対応した駆動電流をサーボモータＭ31〜Ｍ36，Ｍ37a，Ｍ37bへ供給する。このようにして、アーム３の先端部が、位置姿勢指令と対応する位置及び姿勢に到達するように、各サーボモータＭ31〜Ｍ36，Ｍ37a，Ｍ37bがサーボ制御される。
【００４８】
また、コントローラ６には、アーム制御部６０１にデータを読み出し可能な記憶部６０２が設けられ、操作装置２を介して入力された手術情報が予め記憶されている。この手術情報には、手術で使用される複数のアーム３の組み合わせが含まれている。
【００４９】
また、記憶部６０２には、アーム３の先端部に保持される外科用器具（内視鏡アセンブリ４１または各インストゥルメント４２）の長軸方向Ｄに沿った長さ等の情報が記憶されている。これにより、アーム制御部６０１は、アーム３の先端部の位置姿勢指令に基づいて、当該アーム３の先端部に保持された外科用器具の先端部の位置を把握可能となっている。
【００５０】
外科手術システム１００を用いた施術中において、アーム制御部６０１は、操作装置２からの動作指令に基づいて、複数のアーム３同士が干渉を生じるか否かを判定する干渉判定処理を行い、干渉判定処理において、干渉が生じると判定された場合に、干渉防止処理を実行する。
【００５１】
記憶部６０２には、干渉判定処理を行うための干渉判定処理用データが記憶される。干渉判定処理用データは、第１のアーム（例えばカメラアーム３Ａ、以下、第１のアーム３Ａとも称する）に対応して設定され、第１のアーム３Ａに保持された第１の外科用器具（例えば内視鏡アセンブリ４１）の先端部の３次元的な移動範囲を規定する所定の立体的形状の表面上に複数の点（格子点）が配された第１の点群モデル（第１の格子モデル）における各点の３次元位置に、第１の外科用器具４１の先端部が位置した場合の第１のアーム３Ａおよび第１の外科用器具４１による第１の姿勢と、第１のアーム３Ａに隣接する第２のアーム（例えばインストゥルメントアーム３Ｂ、以下、第２のアーム３Ｂとも称する）に対応して設定され、第２のアーム３Ｂに保持された第２の外科用器具（例えばインストゥルメント４２）の先端部の３次元的な移動範囲を規定する立体的形状の表面上に複数の点（格子点）が配された第２の点群モデル（第２の格子モデル）における各点の３次元位置に、第２の外科用器具４２の先端部が位置した場合の第２のアーム３Ｂおよび第２の外科用器具４２による第２の姿勢とが干渉するような、第１の格子モデルにおける点と第２の格子モデルにおける点との組み合わせのデータとして構成される。
【００５２】
以下、干渉判定処理用データの作成処理について説明する。図４は、本実施の形態における干渉判定処理用データの作成処理の流れを説明するフローチャートであり、図５は、図４において作成される第１の格子モデルおよび第２の格子モデルの例を示す概念図である。以下に示す干渉判定処理用データは、記憶部６０２に記憶されているデータ作成プログラムに基づいてコントローラ６において作成され、作成されたデータが記憶部６０２に記憶されてもよいし、外部のコンピュータにおいて作成され、当該外部のコンピュータで作成されたデータを記憶部６０２に記憶させてもよい。
【００５３】
干渉判定処理用データの作成処理において、まず、各アーム３の先端部Ｐｒｉ（ｉは複数のアーム３の識別番号）と、当該アーム３に外科用器具が保持された際の外科用器具の先端部Ｐｍｉとの間の予め定められた位置（すなわち、外科用器具上の所定位置）を拘束点Ｐｆｉとして設定する（ステップＳＡ１）。この拘束点Ｐｆｉの３次元位置は、患者Ｐに留置されたスリーブ１１０を介して患者Ｐの体内に外科用器具を挿通した際の患者Ｐの開口位置を想定して設定される。
【００５４】
次に、外科用器具の位置（例えば外科用器具の先端部の位置）を基準点に設定する。その上で、拘束点Ｐｆｉにおける３次元位置を固定した状態でアーム３を３次元的に移動させた場合の外科用器具の基準点の３次元的な移動範囲を所定の立体的形状として設定する（ステップＳＡ２）。立体的形状は、外科用器具を拘束点Ｐｆｉに位置する患者Ｐの開口位置から患者Ｐの体内に挿通した状態で外科用器具の先端部が位置するおおよその境界位置を規定する。
【００５５】
本実施の形態において、所定の立体的形状は、球（第１の仮想球Ｑ１ｉ）である。さらに、移動範囲として設定された立体的形状の表面上に複数の点Ｐｌｉが配された所定の点群モデルＬＭｉを作成する（ステップＳＡ３）。例えば、第１の仮想球Ｑ１ｉの表面に配された複数の点Ｐｌｉは、当該球の中心と拘束点Ｐｆｉとを結ぶ直線ＣＬｉと当該球の表面とが交差する２つの点を極点Ｐｎｉ，Ｐｓｉとし、第１の仮想球Ｑ１ｉの表面上を通って極点Ｐｎｉ，Ｐｓｉ同士を結ぶ複数の経線と、第１の仮想球Ｑ１ｉの中心と拘束点Ｐｆｉとを結ぶ直線ＣＬｉに垂直な断面およびこれに平行な断面の円周部分によって規定される複数の緯線との交点（格子点）として設定される。この場合、点群モデルＬＭｉは、上記複数の格子点Ｐｌｉが配された格子モデルＬＭｉとして設定される。
【００５６】
複数の点群モデルＬＭｉの各点Ｐｌｉの３次元座標が記憶部６０２に記憶される。移動範囲として球状の格子モデルが設定される本実施の形態において、格子モデルＬＭｉにおける各格子点Ｐｌｉの位置座標は、例えば対応する拘束点Ｐｆｉと球の中心とを結ぶ直線ＣＬｉに垂直な球の断面の中心点Ｐｃｉの位置座標と当該断面の半径ｒｉと格子モデルＬＭｉ上の所定の基準位置Ｂｉからの角度θｉとで定められる。これにより、格子点Ｐｌｉの位置座標を簡単に定めることができ、後述する干渉が生じる組み合わせの位置の把握を容易に行うことができる。
【００５７】
各アーム３に対応する格子点Ｐｌｉおよび格子モデルＬＭｉは、各アーム３が保持する外科用器具の内容、手術内容、施術部位、および／または、患者Ｐのサイズ等に応じて個別に設定され得る。このため、隣接する格子モデルＬＭｉ同士は、少なくとも一部が重なる場合もあるし、重ならない場合もあり得る。また、各格子モデルＬＭｉの大きさ（第１の仮想球Ｑ１ｉの半径）および対応する拘束点Ｐｆｉと格子モデルＬＭｉ（第１の仮想球Ｑ１ｉの中心）との距離は、アーム３が保持する外科用器具の種類またはサイズ等によって異なり得る。
【００５８】
次に、各アーム３に対応して設定された各格子モデルＬＭｉにおける各格子点Ｐｌｉの３次元位置に、対応する外科用器具の基準点（先端部）が位置した場合のアーム３および外科用器具による姿勢をシミュレーションにより取得する（ステップＳＡ４）。取得する姿勢には、アーム３の各関節Ｊ31〜Ｊ37の３次元位置、アーム３の先端部（ホルダ３６）の３次元位置、ホルダ３６に保持される外科用器具の先端部の３次元位置、アーム３の各部におけるアーム延出方向に垂直な断面の大きさ（例えば直径）等が含まれ得る。例えば、姿勢を取得のためのシミュレーションは、アーム３および外科用器具と同じ形状のコンピュータグラフィックス（ＣＧ）モデルを用いて行われる。これに代えて、数値計算のみのシミュレーションにより姿勢を取得することとしてもよい。
【００５９】
例えば、第１のアーム３Ａに対応して設定された第１の格子モデルＬＭ１における各格子点Ｐｌ１の３次元位置に、第１のアーム３Ａに保持された内視鏡アセンブリ４１の先端部が位置した場合の第１のアーム３Ａおよび内視鏡アセンブリ４１による第１の姿勢をシミュレートする。また、第１のアーム３Ａに隣接する第２のアーム３Ｂに対応して設定された第２の格子モデルＬＭ２における各格子点Ｐｌ２の３次元位置に、第２のアーム３Ｂに保持されたインストゥルメント４２の先端部が位置した場合の第２のアーム３Ｂおよびインストゥルメント４２による第２の姿勢をシミュレートする。
【００６０】
次に、隣接するアーム３Ａ，３Ｂのそれぞれに設定された格子モデルＬＭ１，ＬＭ２におけるすべての格子点の組み合わせ（Ｐｌ１，Ｐｌ２）について第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉するか否かを判定する（ステップＳＡ５）。なお、各格子点Ｐｌｉに外科用器具の先端部が位置した場合のアーム３および外科用器具の姿勢が自己干渉するか否かの判定も併せて行う。例えば、上記ＣＧモデルを設定位置に配置して複数のＣＧモデルが干渉するか否かの判定が行われる。このような判定は、複数のアーム３のうち干渉する可能性のある２つのアーム３がとり得るすべての姿勢について総当たりで行われる。すなわち、このような判定は、各アーム３がとり得るすべての格子点Ｐｌｉの組み合わせについて行われる。
【００６１】
例えば、第１の格子モデルＬＭ１の一の格子点Ｐｌ１における第１のアーム３Ａおよび内視鏡アセンブリ４１による第１の姿勢と、第２の格子モデルＬＭ２のすべての格子点Ｐｌ２における第２のアーム３Ｂおよびインストゥルメント４２による第２の姿勢との間で干渉するか否かの判定を行う。同様に、第１の格子モデルＬＭ１の他の格子点Ｐｌ１における第１の姿勢と、第２の格子モデルＬＭ２のすべての格子点Ｐｌ２における第２の姿勢との間で干渉するか否かの判定を行う。このような判定をすべての第１の格子モデルＬＭ１のすべての格子点Ｐｌ１について行うことで、総当たりの判定が行われる。
【００６２】
このような判定の結果、第１の姿勢にある第１のアーム３Ａおよび第１の外科用器具（内視鏡アセンブリ４１）と、第２の姿勢にある第２のアーム３Ｂおよび第２の外科用器具（インストゥルメント４２）とが干渉するような、第１の格子モデルＬＭ１における格子点と第２の格子モデルＬＭ２における格子点との組み合わせのデータを記憶部６０２に記憶する。本実施の形態では、第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉するような、第１の格子モデルＬＭ１における格子点Ｐｌ１と第２の格子モデルＬＭ２における格子点Ｐｌ２との組み合わせを抽出し（ステップＳＡ６）、当該干渉を生じる組み合わせ（Ｐｌ１，Ｐｌ２）のデータを干渉判定処理用データとして記憶部６０２に記憶する（ステップＳＡ７）。
【００６３】
このようにして記憶部６０２に記憶された干渉判定処理用データは、例えば、干渉する格子点の組み合わせ（Ｐｌ１，Ｐｌ２）がリストとして記憶されるものでもよいし、第１の格子モデルＬＭ１の格子点Ｐｌ１と第２の格子モデルＬＭ２の格子点Ｐｌ２とのすべての組み合わせについて干渉するか否かのデータが当該格子点の組み合わせとともに対応付けられたデータマップとして記憶されるものでもよい。
【００６４】
なお、各格子点Ｐｌ１における第１の姿勢および各格子点Ｐｌ２における第２の姿勢をそれぞれシミュレーションにより取得した後、格子点Ｐｌ１と格子点Ｐｌ２とのすべての組み合わせについて第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉するか否かを判定してもよいし、一の格子点Ｐｌ１における第１の姿勢および一の格子点Ｐｌ２における第２の姿勢を取得するたびに、当該第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉するか否かを判定してもよい。
【００６５】
また、干渉を生じる組み合わせが抽出された場合に、各アーム３の先端部の位置を変化させずに、第１の姿勢および第２の姿勢の少なくとも何れか一方の姿勢を変化させて干渉が生じるか否かの再判定を行ってもよい。再判定したした結果、干渉が生じない場合には、姿勢変化後の第１の姿勢および第２の姿勢を対応する各格子点Ｐｌｉにおける各姿勢として記憶部６０２に記憶し、干渉が生じる組み合わせとしては記憶しない。これにより、干渉が生じる組み合わせを事前になるべく少なくすることができる。
【００６６】
アーム制御部６０１は、上記のような干渉判定処理用データを用いて干渉判定処理を実行する。図６は、本実施の形態における干渉判定処理の流れを説明するフローチャートである。
【００６７】
アーム制御部６０１は、アーム制御部６０１に伝達された操作装置２からの動作指令が干渉を生じる組み合わせに該当するか否かを判定する（ステップＳＢ１）。例えば上記例のように、インストゥルメント４２（図６においては外科用器具Ｂと表記する）が保持された第２のアーム３Ｂを移動させる動作指令が含まれる場合、アーム制御部６０１は、第２のアーム３Ｂの先端部の移動目標位置から当該第２のアーム３Ｂが保持しているインストゥルメント４２の先端部の移動目標位置を算出し（ステップＳＢ１１）、対応する格子モデルＬＭ２の格子点Ｐｌ２のうち、当該インストゥルメント４２の先端部の３次元位置が近接する格子点Ｐｌ２を特定する（ステップＳＢ１２）。例えば、インストゥルメント４２の先端部の移動目標位置に最も距離が近い格子点Ｐｌ２が特定される。または、例えば、インストゥルメント４２の先端部の現在位置から移動目標位置までの移動経路上にある格子点Ｐｌ２のうち、最も移動目標位置に近い格子点Ｐｌ２が特定される。
【００６８】
さらに、アーム制御部６０１は、移動する第２のアーム３Ｂに近接する第１のアーム３Ａに保持された内視鏡アセンブリ４１（図６においては外科用器具Ａと表記する）の先端部の３次元位置を算出し（ステップＳＢ１３）、対応する格子モデルＬＭ１の格子点Ｐｌ１のうち、当該内視鏡アセンブリ４１の先端部の３次元位置が近接する格子点Ｐｌ１を特定する（ステップＳＢ１４）。そして、アーム制御部６０１は、記憶部６０２から特定された格子点Ｐｌ１および格子点Ｐｌ２の組み合わせが干渉を生じる組み合わせに含まれているか否かを判定する（ステップＳＢ１５）。
【００６９】
なお、第１のアーム３Ａが移動しない場合には、アーム制御部６０１は、前回までの動作指令において当該第１のアーム３Ａを移動させる動作指令を受けた際に、内視鏡アセンブリ４１の先端部の３次元位置が近接する格子点Ｐｌ１を特定し、当該特定された格子点ＰＬ１を、第１の格子モデルＬＭ１における現在位置として記憶部６０２に記憶しておいてもよい。この場合、ステップＳＢ１３およびＳＢ１４が先に実行されている。さらに、干渉の判定時において、アーム制御部６０１は、ステップＳＢ１ｂの後、ステップＳＢ１３およびＳＢ１４の代わりに、第１の格子モデルＬＭ１における現在位置を示す格子点ＰＬ１を記憶部６０２より読み出して、ステップＳＢ１５における判定を行う。
【００７０】
また、近接するアーム３同士が同時に移動する場合には、アーム制御部６０１は、各アーム３の移動目標位置から当該アーム３に保持される外科用器具の先端部の移動目標位置をそれぞれ算出し、対応する格子モデルＬＭｉにおける格子点Ｐｌｉを特定する。
【００７１】
アーム制御部６０１は、動作指令が干渉を生じる組み合わせに該当すると判定された場合（ステップＳＢ１５でＹｅｓ）、所定の干渉防止処理を実行する（ステップＳＢ２）。一方、動作指令が干渉を生じる組み合わせに該当しないと判定された場合（ステップＳＢ１５でＮｏ）、アーム制御部６０１は、動作指令の内容を実行する（ステップＳＢ３）。
【００７２】
なお、上記例においては、第２のアームとして例示したインストゥルメント４２が保持されたインストゥルメントアーム３Ｂを動かす場合に、第１のアームとして例示した内視鏡アセンブリ４１が保持されたカメラアーム３Ａとの干渉を判定する例について説明したが、カメラアーム３Ａを動かす場合の干渉判定、インストゥルメント４２が保持されたアーム３同士の干渉判定等にも適用可能である。すなわち、上記干渉判定は、動かすアーム３に保持される外科用器具の種類、２つのアーム間における外科用器具の異同に拘わらず適用可能である。
【００７３】
上記態様によれば、外科用器具の位置が基準点として設定される。さらに、当該基準点の移動範囲として複数の格子点Ｐｌｉが配された格子モデルＬＭｉを用いて複数のマニピュレータアームおよび外科用器具の位置がシミュレートされる。特に、本実施の形態によれば、外科用器具を患者Ｐの体内に挿入するための開口位置に相当する位置が拘束点Ｐｆｉとして設定される。さらに、当該拘束点Ｐｆｉにおける３次元位置を固定した状態でアーム３を３次元的に移動させた場合の外科用器具の先端部の３次元的な移動範囲が所定の立体的形状の表面上に複数の格子点Ｐｌｉが配された所定の格子モデルＬＭｉとして設定される。このようなアーム３ごとに設定される格子モデルＬＭｉを構成する各格子点Ｐｌｉに、対応する外科用器具の先端部が位置した場合の各アーム３および外科用器具の姿勢をシミュレートし、近接する第１のアームおよび第１の外科用器具による第１の姿勢と第２のアームおよび第２の外科用器具による第２の姿勢とが干渉するか否かが判定され、干渉する格子点の組み合わせ（Ｐｌ１，Ｐｌ２）が施術前に外科手術システム１００の記憶部６０２に記憶される。
【００７４】
施術中において、施術者Ｏが入力した動作指令に基づく複数のアーム３の各姿勢の組み合わせが、干渉する格子点の組み合わせ（Ｐｌ１，Ｐｌ２）に該当すると判定されると、実際に干渉が生じないように干渉防止処理が実行される。このように、第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉する組み合わせが、アーム３ごとに設定された移動範囲を規定する複数の格子点Ｐｌｉについて総当たりで判定することにより、事前に抽出される。これにより、施術中においてアーム３を動かしながら複雑な演算を行うことなく、干渉を回避する処理を行うことができる。したがって、施術速度または施術位置が制限されるといった施術への影響を抑えつつ複数のアーム３同士の干渉を防止することができる。
【００７５】
外科手術システム１００は、所定の報知部６０３を備えている。報知部６０３は、アーム制御部６０１に接続され、アーム制御部６０１からの警報出力信号を受けた場合、所定の警報を出力する。このような構成において、アーム制御部６０１は、干渉防止処理として、報知部６０３から警報を出力するように構成されてもよい。報知部６０３は、例えば、スピーカ、サイレン、警告灯等の警報を視覚または聴覚を通じて施術者Ｏに知らせる器具であってもよいし、操作装置２等に設けられたモニタ５３等のディスプレイ上に警報を表示するように構成されてもよい。また、報知部６０３は、施術者Ｏが動作指令を入力するための操作用マニピュレータアーム５１を振動させる、または、施術者Ｏの入力方向と反対方向へ力（抵抗力）を付与する等により、施術者Ｏに警報するように構成されてもよい。このように、報知部６０３より警報を報知することにより、干渉が生じる動作指令が入力されたことを施術者Ｏに迅速に知らせることができる。
【００７６】
また、干渉防止処理は、アーム制御部６０１が第１のアーム３Ａおよび第２のアーム３Ｂの少なくとも一方を、干渉を生じる組み合わせ（Ｐｌ１，Ｐｌ２）の位置に移動させないように制御することとしてもよい。これにより、干渉が生じる動作指令が入力された場合に、実際に干渉が生じないようにすることができる。
【００７７】
なお、干渉防止処理として、報知部６０３における警報を行った後、さらに施術者Ｏが同様の動作指令を入力した場合に、アーム制御部６０１がアーム３の移動を停止させるようにしてもよい。
【００７８】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の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り、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【００７９】
例えば、外科用器具の先端部の移動範囲を画する立体的形状は球以外の形状を有していてもよい。例えば、直方体でもよいし、円柱または角柱でもよいし、正多面体（正四面体、立方体、正八面体、正十二面体、正二十面体）でもよい。
【００８０】
また、上記実施の形態においては、干渉判定処理において、第２のアーム３Ｂに保持された外科用器具の先端部の移動目標位置が近接する一の格子点Ｐｌ２を特定する態様（ステップＳＢ１２）を例示したが、外科用器具の移動目標位置が格子点Ｐｌ２に一致していない場合（または何れか１つの格子点Ｐｌ２に特定できない場合）、アーム制御部６０１は、当該移動目標位置の周囲に位置する複数の格子点Ｐｌ２を特定し、当該複数の格子点Ｐｌ２と第１のアーム３Ａに保持された外科用器具の先端部が近接する一または複数の格子点Ｐｌ１とを組み合わせた場合に姿勢が干渉する組み合わせが含まれているか否かを判定し、当該判定の結果に応じて干渉防止処理を行うこととしてもよい。
【００８１】
この場合の干渉防止処理について、例えば、干渉防止処理を複数の段階に区分し、判定対象となった格子点の組み合わせ（Ｐｌ１，Ｐｌ２）のうち、干渉する組み合わせが含まれている数が多いほど重度の干渉防止処理を行ってもよい。例えば、軽度の干渉防止処理は、報知部６０３における警報を実行することであり、重度の干渉防止処理は、アーム３の移動を停止させることであってもよい。
【００８２】
なお、移動目標位置の周囲に位置する複数の格子点Ｐｌ２を特定する場合、対応する第２のアーム３Ｂの移動経路を考慮してもよい。例えば、移動目標位置の周囲に位置する複数の格子点Ｐｌ２のうち、外科用器具の先端部の現在位置とは反対側に位置する格子点Ｐｌ２は、判定の対象に含めないようにしてもよい。または、例えば、移動目標位置の周囲に位置する複数の格子点Ｐｌ２のうち、外科用器具の先端部の現在位置とは反対側に位置する格子点Ｐｌ２は、判定の対象とするものの、他の格子点Ｐｌ２より影響を小さくすることとしてもよい。例えば、現在位置とは反対側に位置する格子点Ｐｌ２のみが干渉する組み合わせに含まれる場合、アーム制御部６０１は、軽度の干渉防止処理を行い、他の格子点Ｐｌ２（すなわち、現在位置側に位置する格子点）が干渉する組み合わせに含まれる場合、アーム制御部６０１は、重度の干渉防止処理を行うこととしてもよい。
【００８３】
また、格子モデルＬＭｉは、上記移動範囲を画する立体的形状（例えば第１の仮想球Ｑ１）の内部にも格子点を有するように作成されてもよい。例えば、格子モデルＬＭｉは、中心位置が上記移動範囲を画する立体的形状の中心位置と同じ位置に配置され、上記移動範囲を画する立体的形状より小さい相似形状の表面上に配された格子点Ｐｋｉ，Ｐｋｉを含んでもよい。図７は、本実施の形態の変形例に係る格子モデルの例を示す概念図である。
【００８４】
図７に示すように、本変形例における格子モデルＬＭｉは、外科用器具の移動範囲を画する第１の仮想球Ｑ１ｉと、中心位置が第１の仮想球Ｑ１ｉと同じ中心位置に位置し、半径が第１の仮想球Ｑ１ｉより小さい第２の仮想球Ｑ２ｉと、中心位置が第１の仮想球Ｑ１ｉと同じ中心位置に位置し、半径が第２の仮想球Ｑ２ｉより小さい第３の仮想球Ｑ３ｉとを有している。なお、仮想球の数は、２つでも４つ以上でもよい。図４の例と同様に、第１の仮想球Ｑ１ｉの表面上に複数の格子点Ｐｌｉが配置される。また、第２の仮想球Ｑ２ｉの表面上に複数の格子点Ｐｋｉが配置される。また、第３の仮想球Ｑ３ｉの表面上に複数の格子点Ｐｊｉが配置される。
【００８５】
このような格子モデルＬＭｉを用いることにより、互いに近接する２つのアーム３に対応する格子モデルＬＭ１，ＬＭ２においてそれぞれ各格子点Ｐｌｉ，Ｐｋｉ，Ｐｊｉに対応する外科用器具の先端部が位置した場合の第１の姿勢および第２の姿勢をシミュレートすることができる。したがって、第１の姿勢と第２の姿勢とが干渉する組み合わせが、アーム３ごとに設定された移動範囲の境界および内部を規定する複数の格子点Ｐｌｉ，Ｐｋｉ，Ｐｊｉについて総当たりで判定することができる。例えば、第１の格子モデルＬＭ１の一の格子点Ｐｌ１における第１の姿勢と、第２の格子モデルＬＭ２の位置の格子点Ｐｋ２における第２の姿勢とが干渉するか否か判定される。したがって、このような格子モデルＬＭｉを用いることにより、外科用器具の先端部が移動範囲の内部に位置した場合のアーム３および外科用器具の姿勢も考慮することができ、より精密な干渉判定を行うことができる。このような格子モデルＬＭｉは、移動範囲を画する立体的形状が球である場合だけでなく、上述したような他の立体的形状にも適用可能である。また、移動範囲を画する立体的形状の内部に格子点を設ける態様は、上記に限られず適宜設定可能である。
【００８６】
なお、外科用器具の位置として設定される基準点の移動範囲のモデルである点群モデルは、点群モデルを構成する複数の点が基準点の移動範囲に配される限り、特に限定されない。すなわち、点群モデルには、上記実施の形態のような、複数の線分の交点（格子点）が配された格子モデルだけでなく、所定の３次元領域内にランダムに配置された複数の点を有するモデル等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係る外科手術システムの制御方法および外科手術システムは、施術に影響を与えることなく複数のマニピュレータアーム同士の干渉を防止するために有用である。
【符号の説明】
【００８８】
２  操作装置
３  アーム（マニピュレータアーム）
３６  ホルダ（器具保持部）
４１  内視鏡アセンブリ（外科用器具）
４２  インストゥルメント（外科用器具）
１００  外科手術システム
６０１  アーム制御部（制御部）
６０２  記憶部
６０３  報知部
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年9月13日(2018.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
基端側リンク６１の基端部（第６リンク８６との連結部）には、曲げ関節Ｊ37と同軸に配置される第１並進アーム駆動軸および第２並進アーム駆動軸（ともに図示せず）が設けられている。第２並進アーム駆動軸は、連動機構に連結されており、第２並進アーム駆動軸が第１並進アーム駆動軸に対して差動することにより、基端側リンク６１の曲げ関節Ｊ37回りの回動角度、先端側リンク６２の連結軸６３回りの回動角度、および、ホルダ３６の回動軸６８回りの回動角度が所定の比率（例えば１：２：１）を保持するように、並進アーム３５が並進動作する。第１並進アーム駆動軸および第２並進アーム駆動軸が同期して回動することにより、並進アーム３５全体がアーム本体３０に対して曲げ関節Ｊ37回りに回動する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
なお、エンコーダＥ31〜Ｅ36，Ｅ37a，Ｅ37bは、サーボモータＭ31〜Ｍ36，Ｍ37a，Ｍ37bの回転位置（回転角）を検出する回転位置検出手段の一例として設けられており、エンコーダＥ31〜Ｅ36，Ｅ37a，Ｅ37bに代えてレゾルバなどの回転位置検出手段が用いられてもよい。また、アーム３の制御系統の上記の各要素およびこれらのための配線ならびに制御部は、耐高温材料で構成され、滅菌処理のための耐熱性が備えられている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
なお、第１のアーム３Ａが移動しない場合には、アーム制御部６０１は、前回までの動作指令において当該第１のアーム３Ａを移動させる動作指令を受けた際に、内視鏡アセンブリ４１の先端部の３次元位置が近接する格子点Ｐｌ１を特定し、当該特定された格子点ＰＬ１を、第１の格子モデルＬＭ１における現在位置として記憶部６０２に記憶しておいてもよい。この場合、ステップＳＢ１３およびＳＢ１４が先に実行されている。さらに、干渉の判定時において、アーム制御部６０１は、ステップＳＢ１２の後、ステップＳＢ１３およびＳＢ１４の代わりに、第１の格子モデルＬＭ１における現在位置を示す格子点ＰＬ１を記憶部６０２より読み出して、ステップＳＢ１５における判定を行う。
【国際調査報告】
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