JP5571432B2

JP5571432B2 - 医療用ロボットシステム

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Publication number: JP5571432B2
Application number: JP2010077868A
Authority: JP
Inventors: 誠神野
Original assignee: カールシュトルツゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツングウントコンパニーコマンディートゲゼルシャフト
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: US9179979B2; JP2011206312A; US20110245844A1

Description

本発明は、鉗子用アームに設けられた鉗子マニピュレータと、カメラ用アームに設けられた内視鏡とを、共通のトロッカーから体内へと挿入して腹腔鏡下手術を行うための医療用ロボットシステムに関する。

腹腔鏡下手術（内視鏡下外科手術）においては、患者の腹部等に小さな孔をいくつかあけて内視鏡（例えば、硬性鏡）、マニピュレータ（又は鉗子）等を挿入し、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。このような腹腔鏡下手術は、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とから、適用分野の拡大が期待されている。

マニピュレータシステムは、例えば特許文献１に記載されているように、マニピュレータと、該マニピュレータを制御する制御装置とから構成される。マニピュレータは、人手によって操作される操作部と、操作部に対して交換自在に着脱される作業部とから構成される。作業部は長いシャフトと、該シャフトの先端に設けられた先端動作部（エンドエフェクタとも呼ばれる。）とを有し、ワイヤによって先端の作業部を駆動するモータが操作部に設けられている。ワイヤは基端側でプーリに巻き掛けられている。制御装置は、操作部に設けられたモータを駆動して、プーリを介してワイヤを循環駆動する。

一方、医療用マニピュレータ（鉗子マニピュレータ）をロボットアームにより駆動する医療用ロボットシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このような医療用ロボットシステムでは、マスターアームによる遠隔操作が可能であると共に、プログラム制御により様々な動作が可能となる。医療用ロボットシステムでは、複数のロボットアームが設けられており、手技に応じてこれらのロボットアームを使い分けることができる。例えば、ロボットアームのうち２台にはマニピュレータが設けられ、ロボットアームのうち１台には内視鏡が設けられ、体腔内を所定のモニタで確認しながら、該ロボットアームから離間して配置されたコンソール上の操作部を介して手技を行うことができる。

特開２００３−６１９６９号公報米国特許第６３３１１８１号明細書

上記のような医療用ロボットシステムにおいて、例えば、トロッカー（トラカール）と呼ばれる管状の挿入具を介して、マニピュレータや内視鏡を体腔内へと挿入した状態で手技が行われる。この際、患者への侵襲の低減のため、１つのトロッカーから複数の器具、例えば、２本のマニピュレータと、１本の内視鏡の合計３本を同時に挿入する方法、いわゆるシングルポートアクセスを行うことがある。

このシングルポートアクセスでは、１つのトロッカーに対して複数の器具が集中するため、特に、トロッカーの体外側で動作する各器具を移動させるロボットアーム同士が干渉すると、マニピュレータの先端動作部や内視鏡を所望の位置及び姿勢に動作させることが難しくなる。すなわち、例えば、１つのマニピュレータの先端動作部が所望の姿勢をとった際、この姿勢に対応してロボットアームも動作するが、この際、該ロボットアームが、例えば内視鏡を動作する他のロボットアームに干渉する可能性がある。

そこで、内視鏡を動作するロボットアームをマニピュレータを動作するロボットアームの移動に応じて回避させることも考えられるが、単純に、回避動作のみを行わせた場合には、内視鏡による視点が複雑に変化し、操作する医師が手技を円滑に進めることが難しくなり、場合によっては医師が患部を見失う可能性もある。

本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、使用者の視野を適切に確保しつつ、各器具を移動するアーム同士の干渉を回避することができる医療用ロボットシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る医療用ロボットシステムは、鉗子用アームに設けられた鉗子マニピュレータと、カメラ用アームに設けられた内視鏡とを、共通の挿入具から体内へと挿入して腹腔鏡下手術を行うための医療用ロボットシステムであって、少なくとも前記鉗子マニピュレータ及び前記鉗子用アームを操作可能な操作部と、前記操作部への入力に基づき、前記鉗子マニピュレータ及び前記鉗子用アームの動作を制御する鉗子動作制御部と、前記内視鏡及び前記カメラ用アームの動作を制御する内視鏡動作制御部と、前記内視鏡動作制御部が前記内視鏡の視点を保持した状態で前記カメラ用アームの前記鉗子用アームに対する干渉回避動作を制御するための軌道を算出する干渉回避動作制御部と、を備え、前記干渉回避動作制御部は、前記カメラ用アームの干渉回避位置を算出する干渉回避位置算出部と、前記干渉回避位置での前記カメラ用アームの占有領域を算出するカメラ用アーム予想占有領域算出部と、前記カメラ用アーム予想占有領域算出部で算出された占有領域に基づき、前記カメラ用アームを移動させた際の前記鉗子用アームとの干渉を判定する干渉回避可否判定部と、前記干渉回避可否判定部で干渉回避可能と判定された場合に、前記カメラ用アームの干渉回避動作の軌道を算出する干渉回避軌道算出部と、を備え、前記内視鏡動作制御部は、前記干渉回避軌道算出部が算出した軌道に基づき前記干渉回避動作を実行することを特徴とする。

このような構成によれば、医療用ロボットシステムにおいて、内視鏡の視点を保持した状態でカメラ用アームの鉗子用アームに対する干渉回避動作を制御する干渉回避動作制御部を備えたことにより、内視鏡の視点を保持したままカメラ用アームと鉗子用アームの干渉を回避することができる。このため、共通の挿入具から鉗子マニピュレータと内視鏡とを体内へと挿入して腹腔鏡下手術を行う手技であっても、使用者（医師）の視野を適切に確保したまま、アームの干渉回避動作を実行することができる。

この場合、前記鉗子動作制御部には、前記鉗子用アームの占有領域を算出する鉗子用アーム占有領域算出部が設けられ、前記内視鏡動作制御部には、前記カメラ用アームの占有領域を算出するカメラ用アーム占有領域算出部が設けられ、さらに、前記鉗子用アーム占有領域算出部及び前記カメラ用アーム占有領域算出部による前記各占有領域の算出結果に基づき、前記鉗子用アームと前記カメラ用アームによる干渉の可能性を判定する干渉可能性判定部を備え、前記干渉回避動作制御部は、前記干渉可能性判定部で干渉の可能性があると判定された際に、前記干渉回避位置算出部、前記カメラ用アーム予想占有領域算出部、前記干渉回避可否判定部、前記干渉回避軌道算出部を動作させて前記カメラ用アームの干渉回避動作の軌道を算出するように構成してもよい。これにより、手術中に、干渉可能性判定部によって随時干渉可能性を判定するため、干渉可能性がある場合には適切に干渉回避動作を実行することができる。

前記干渉可能性判定部は、前記鉗子用アームと前記カメラ用アームによる干渉の可能性の判定を、前記鉗子用アーム及び前記カメラ用アームに設けられるアーム部材のうち、前記挿入具と同軸上に設けられる前記アーム部材の上端部同士での干渉の可能性によって判定するように構成してもよい。すなわち、挿入具と同軸上に設けられるアーム部材の上端部は、ロボットアームの構造上、アーム同士の干渉の可能性の高いと考えられることから、該上端部同士での干渉の可能性を判定するようにすると、前記干渉可能性判定部での処理負担を軽減することができる。

前記カメラ用アームは、冗長自由度を有する多軸関節機構を有してもよい。そうすると、この冗長自由度を利用して、体腔に配置される内視鏡の姿勢をほとんど変更することなくカメラアームの干渉回避動作を行うことができるため、該干渉回避動作時の視点の変化を一層確実に防止することができる。

また、前記内視鏡は、前記挿入具を挿通して体内側に配置される部位に姿勢変更軸を有すると、干渉回避動作時の視点の保持等を一層容易に実行可能となり、特に、冗長自由度を持たないカメラ用アームを用いた構成であっても、該姿勢変更軸を適宜駆動制御することで、視点変更のない干渉回避動作を行うことが可能となる。

この場合、前記内視鏡動作制御部は、前記カメラ用アームの干渉回避動作を実行する際に、患者の臓器に設定した臓器座標系、又は前記臓器からオフセットして設定したオフセット座標系を基準として、前記姿勢変更軸を駆動制御することで、前記干渉回避動作中での前記内視鏡の視点保持を行うように構成してもよい。

前記内視鏡の視点保持の可否を選択する視点固定スイッチを備え、前記内視鏡動作制御部は、前記視点固定スイッチにより前記内視鏡の視点を保持することが選択されている場合にのみ、前記鉗子用アームに対する前記カメラ用アームの干渉回避動作時に、前記内視鏡の視点を保持する制御を行うように構成してよい。これにより、例えば内視鏡及びカメラ用アームの操作を鉗子マニピュレータの操作スタッフ以外のものが行う場合等で、自動的な干渉回避動作が不要な場合等にも柔軟に対応することが可能となる。

本発明によれば、医療用ロボットシステムにおいて、内視鏡の視点を保持した状態でカメラ用アームの鉗子用アームに対する干渉回避動作を制御する干渉回避動作制御部を備えたことにより、内視鏡の視点を保持したままカメラ用アームと鉗子用アームの干渉を回避することができる。このため、共通の挿入具から鉗子マニピュレータと内視鏡とを体内へと挿入して腹腔鏡下手術を行う手技であっても、使用者の視野を適切に確保したまま、アームの干渉回避動作を実行することができる。

本発明の一実施形態に係る医療用ロボットシステムの全体構成図である。鉗子マニピュレータの一部省略断面平面図である。鉗子マニピュレータの先端動作部の構造を説明するための斜視図である。内視鏡の姿勢駆動機構を説明するための斜視図である。変形例に係る内視鏡の姿勢駆動機構を説明するための斜視図である。カメラアームの各駆動軸及びその先端に設けられる内視鏡の各姿勢軸の構造を模式的に示す説明図である。コンソールに設けられる操作部の正面図である。シングルポートアクセスによる手術での鉗子アーム及びカメラアームの状態を説明するための模式図である。図９Ａは、シングルポートアクセスによる手術での鉗子アームとカメラアームの干渉状態を説明するための模式図であり、図９Ｂは、シングルポートアクセスによる手術でのカメラアームの干渉回避動作を説明するための模式図である。コンソールが有する機能のブロック説明図である。図１１Ａは、カメラアームの鉗子アームに対する干渉回避に関する動作フローを示すフローチャートであり、図１１Ｂは、カメラアーム干渉回避動作算出ステップの具体的な実行ステップを示すフローチャートである。図６に示すカメラアームでの干渉回避動作を示す説明図である。変形例に係るカメラアームの各駆動軸及びその先端に設けられる内視鏡の各姿勢軸の構造と、その干渉回避動作を模式的に示す説明図である。図１３に示すカメラアームの変形例に係るカメラアームの各駆動軸及びその先端に設けられる内視鏡の各姿勢軸の構造を模式的に示す説明図である。図１３に示すカメラアームにおいて、臓器座標系を設定した場合の干渉回避動作及び視線制御を示す説明図である。図１３に示すカメラアームにおいて、カメラ座標系を設定した場合の干渉回避動作及び視線制御を示す説明図である。図１３に示すカメラアームにおいて、オフセット座標系を設定した場合の干渉回避動作及び視線制御を示す要部拡大説明図である。図１３に示すカメラアームにおいて、姿勢座標系を設定した場合の視線制御を示す説明図である。

以下、本発明に係る医療用ロボットシステムについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る医療用ロボットシステム１０は、第１鉗子マニピュレータ１２ａ、第２鉗子マニピュレータ１２ｂ（以下、単に「マニピュレータ１２ａ」、「マニピュレータ１２ｂ」ともいう）及び内視鏡（カメラ）１４を使用して、患者１６に所望の外科処置（腹腔鏡下手術）を行うものである。

医療用ロボットシステム１０は、手術室内に設置された手術台２０の近傍に設けられたステーション２２と、該ステーション２２に設けられた３台のロボットアームである第１鉗子アーム（鉗子用アーム）２４ａ、第２鉗子アーム（鉗子用アーム）２４ｂ及びカメラアーム（カメラ用アーム）２４ｃ（以下、単に「アーム２４ａ」、「アーム２４ｂ」及び「アーム２４ｃ」ともいう）と、これらの全体的な制御を行うコンソール（動作制御部）２６とを備える。すなわち、医療用ロボットシステム１０は、各アーム２４ａ〜２４ｃを有する手術ロボット２８をコンソール２６によって駆動操作することで患者１６への外科処置を遠隔的に実施することができる。

コンソール２６は手術ロボット２８との間で、有線、無線、ネットワーク又はこれらを組み合わせた通信手段によって情報を送受信可能である。コンソール２６は、手術ロボット２８の全ての制御を負担している必要はなく、例えば、各アーム２４ａ〜２４ｃのフィードバック制御は、それぞれのロボット側に設けられていてもよい。各アーム２４ａ〜２４ｃは、コンソール２６の制御下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール２６に設けられたジョイスティック（操作部）３８ａ、３８ｂ、３８ｃに倣った動作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。

第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂは、それぞれ先端にマニピュレータ１２ａ、１２ｂを有し、カメラアーム２４ｃは、先端に内視鏡１４を有する。本実施形態の場合、マニピュレータ１２ａ、１２ｂ及び内視鏡１４は、共通の挿入具であるトロッカー（トラカール）４２を介して体腔４０（体内）に挿入される。このように、医療用ロボットシステム１０は、１つのトロッカー４２から複数の器具を体内へと挿入可能なシングルポートアクセスによる手技を行うことができる。マニピュレータ１２ａ、１２ｂ及び内視鏡１４は、各アーム２４ａ〜２４ｃに対して着脱可能に構成されている。

各アーム２４ａ〜２４ｃは、ステーション２２に対して昇降機構４６によって昇降可能に取り付けられた多軸関節機構を有し、コンソール２６によって制御されることで、マニピュレータ１２ａ、１２ｂ及び内視鏡１４を動作範囲内における任意の位置で任意の姿勢に設定可能である。

次に、マニピュレータ１２ａ、１２ｂ及びアーム２４ａ、２４ｂについて説明をする。

アーム２４ａ、２４ｂに設けられたマニピュレータ１２ａ、１２ｂは、主に患部に対して直接的な手技を施すためのものであり、その先端には、例えばグリッパ、鋏及び電気メス等が設けられ、又は体腔４０の臓器等を所定の場所に退避させて広い術野を確保するためのリトラクタを設けることもできる。本実施形態の場合、各マニピュレータ１２ａ、１２ｂは、略同一構成からなるため、以下では第１鉗子マニピュレータ１２ａの構成と、該第１鉗子マニピュレータ１２ａと第１鉗子アーム２４ａの接続部の構成について代表的に説明し、第２鉗子マニピュレータ１２ｂについての詳細な説明は省略する。

図２に示すように、マニピュレータ１２ａは、アーム２４ａ先端の支持部材５０に対して着脱自在な構成になっている。支持部材５０には、３つのモータ５８ａ〜５８ｃがＺ方向に並列している。マニピュレータ１２ａは、支持部材５０に対する接続ブロック５２と、該接続ブロック５２から先端方向に延在する中空の連結シャフト５４と、該連結シャフト５４の先端に設けられた先端動作部５６とを有する。

接続ブロック５２は、所定の着脱機構により支持部材５０に対して着脱及び交換が可能である。接続ブロック５２は、モータ５８ａ〜５８ｃに係合するプーリ６０ａ〜６０ｃがモータ５８ａ〜５８ｃに対応して並列している。モータ５８ａ〜５８ｃとプーリ６０ａ〜６０ｃは、一方に非円形の凸部があり、他方に該凸部に係合する凹部が設けられており、モータ５８ａ〜５８ｇの回転がプーリ６０ａ〜６０ｃに伝達される。

プーリ６０ａ〜６０ｃには、ワイヤ６２ａ〜６２ｃが巻き掛けられている。可撓性部材からなるワイヤ６２ａ〜６２ｃは環状であって、滑り止めのため一部がプーリ６０ａ〜６０ｃに固定され、例えば１．５回転巻き掛けられて、連結シャフト５４内を延在しており、プーリ６０ａ〜６０ｃが回転することにより、左右から延在する２本のうち一方が巻き取られ、他方が送り出される。

連結シャフト５４は、接続ブロック５２から先端方向に延在し、その先端に先端動作部５６が設けられている。連結シャフト５４の途中には、図示しない関節部を設けて屈曲可能に構成してもよい。そうすると、体腔４０内における手技で、マニピュレータ１２ａをリトラクタとして一層好適に作用させることができる。他のマニピュレータ１２ｃや臓器等を有効に回避しながら所望の臓器を押すことができるからである。

図３に示すように、先端動作部５６は、連結シャフト５４の先端に設けられており、少なくとも、ワイヤ６２ａが巻き掛けられるプーリ（図示せず）、ワイヤ６２ｂが巻き掛けられるプーリ（図示せず）、及びワイヤ６２ｃが巻き掛けられるプーリ（図示せず）を有する。ワイヤ６２ａ〜６２ｃが、接続ブロック５２のプーリ６０ａ〜６０ｃの回転動作よって進退することにより、先端動作部５６の各前記プーリが従動的に回転し、該先端動作部５６は３軸動作が可能である。この動作は、例えば、ピッチ軸（関節軸）６４及びヨー軸（関節軸）６６を中心とした傾動動作と、グリッパ６８の開閉動作である。先端動作部５６には、これら各軸による動作と共に、又は該動作に代えて連結シャフト５４の軸線方向に延びたロール軸を中心とした回転動作を設けてもよい。

次に、内視鏡１４及びカメラアーム２４ｃについて説明をする。

カメラアーム２４ｃ先端に設けられた内視鏡１４は、体腔４０内の様子を撮影するカメラであり、その画像（映像）がコンソール２６のモニタ７０に表示されることで、手術スタッフ（医師）は、体腔４０内の様子を観察しながらマニピュレータ１２ａ、１２ｂを操作し、患部に対して所望の手技を行うことができる。内視鏡１４は、図２に示すマニピュレータ１２ａと略同様に、カメラアーム２４ｃの先端の支持部材に対して着脱自在な構成となっている。

図４に示すように、内視鏡１４は、図示しないモータやワイヤ等を用いた駆動機構により、例えば、揺動軸（ピッチ軸）となる第１姿勢回転軸（姿勢変更軸）Ａ１１と、揺動軸（ヨー軸）となる第２姿勢回転軸（姿勢変更軸）Ａ１２とを有し、体腔４０内で２軸動作を行うことができ、先端のレンズ部１００を所望の姿勢にして、所望の視野を得ることができる。

なお、内視鏡１４の体腔４０内での姿勢軸（姿勢変更軸）は、図４に示す構成以外であっても勿論よく、例えば、図５に示すように、図示しない駆動機構により、回転軸（ロール軸）となる第１姿勢回転軸（姿勢変更軸）Ａ１３と、揺動軸（ピッチ軸）となる第２姿勢回転軸（姿勢変更軸）Ａ１４とを有し、レンズ部１００を先端に設けた先端湾曲部１０２を所望の姿勢にして、所望の視野を得ることが可能な構成としてもよい。先端湾曲部１０２は、例えば、内部に図示しない複数段の節状の環を並列した蛇腹状に構成し、これにより先端湾曲部１０２を２姿勢軸に動作可能なものとすることもできる。内視鏡１４の姿勢軸は、上記の第１乃至第４姿勢回転軸Ａ１１〜Ａ１４のうちの２軸以上を組み合わせた構造や、他の軸を組み合わせた構造としてもよい。

次に、第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂと、カメラアーム２４ｃの構成について説明する。

上記のように、各アーム２４ａ〜２４ｃは、それぞれマニピュレータ１２ａ、１２ｂ及び内視鏡１４を所望の位置に且つ所望の姿勢に移動させるものであるが、その構成は略同一であるため、以下では内視鏡１４が設けられるカメラアーム２４ｃの構成について代表的に説明し、第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂについての詳細な説明は省略する。

図６は、カメラアーム２４ｃの各駆動軸及びその先端に設けられる内視鏡１４の各姿勢軸の構造を模式的に示す説明図である。図６中の参照符号１０６は、当該医療用ロボットシステム１０による処置の対象となる患部（臓器）を示す。

図１及び図６に示すように、カメラアーム２４ｃは、その基端が昇降機構４６を介してステーション２２に装着されており、基端から先端に向かって、第１軸（第１回転軸）Ａ１、第２軸（第２回転軸）Ａ２、第３軸（第３回転軸）Ａ３、パッシブ軸（パッシブ回転軸）Ａｐ、第４軸（直動軸）Ａ４、第５軸（第５回転軸）Ａ５が順に設けられ、各軸間がアーム部材１０４によってそれぞれ連結されている。第１乃至第５軸Ａ１〜Ａ５は、図示しないモータ等の駆動源を搭載した駆動軸である。一方、パッシブ軸Ａｐは、駆動源を搭載しない受動軸であり、第１パッシブ軸Ａｐ１と、第２パッシブ軸Ａｐ２とから構成されている。

図６から諒解されるように、第１軸Ａ１、第５軸Ａ５及び第１パッシブ軸Ａｐ１は、軸線回りにロール動作する回転軸であり、第２軸Ａ２、第３軸Ａ３及び第２パッシブ軸Ａｐ２は、軸線方向に交差する方向にピッチ（ヨー）動作する揺動軸（回動軸）であり、第４軸Ａ４は、軸方向に伸縮動作する直動軸である。

第５軸Ａ５の先端側のアーム部材１０４には、内視鏡１４が設けられており、該内視鏡１４は、上記した第１姿勢回転軸Ａ１１及び第２姿勢回転軸Ａ１２とを有し、その先端にレンズ部１００が設けられている。

このように、カメラアーム２４ｃ及び内視鏡１４の軸構造は、第１乃至第５軸Ａ１〜Ａ５による５軸機構（５自由度）と、第１及び第２パッシブ軸Ａｐ１、Ａｐ２による２軸機構（２自由度）と、第１及び第２姿勢回転軸Ａ１１、Ａ１２による２軸機構（２自由度）とから構成された多軸関節機構を有する。すなわち、合計７自由度を有するカメラアーム２４ｃは、第４軸Ａ４によって冗長自由度が付与された冗長アームとして構成されている。なお、カメラアーム２４ｃにおいて、例えば第５軸Ａ５は省略してもよく、この場合にもカメラアーム２４ｃは冗長自由度を有し、合計６自由度を持つことになる。

次に、コンソール２６の構成について説明する。

図７に示すように、コンソール２６には、人による操作部（入力部）としての３つのジョイスティック３８ａ、３８ｂ、３８ｃと、モニタ７０とが設けられる。モニタ７０には、内視鏡１４の画像が表示される。

左右のジョイスティック３８ａ、３８ｂの操作により、アーム２４ａ、２４ｂを個別に操作が可能であり、中央のジョイスティック３８ｃの操作により、カメラアーム２４ｃの操作が可能である。各アーム２４ｃ〜２４ｃは、図示しない別の操作手段により操作するように構成してもよく、また、ジョイスティック３８ａ〜３８ｃを適宜切り換えて使用する等してもよい。ジョイスティック３８ａ、３８ｂは、両手で操作しやすい左右位置に設けられている。ジョイスティック３８ａ、３８ｂはマスターアームであってもよい。

ジョイスティック３８ａ〜３８ｃは、上下動作、捻り動作、及び全方向への傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてアーム２４ａ〜２４ｃを動作させることができる。ジョイスティック３８ａ〜３８ｃは、手を離すと図７に示す直立の基準状態に復帰する。

ジョイスティック３８ａ、３８ｂは、同構造であり、人手によって握るハンドルグリップ７２と、主に人差し指、中指によって押し引き操作されるトリガレバー７４と、主に親指によって操作される複合入力部７６とを有し、例えば、トリガレバー７４を操作することにより、マニピュレータ１２ａ、１２ｂのグリッパ６８を開閉することができる。複合入力部７６は、中央に設けられた十字状のシーソー型スイッチ７６ａを有する。シーソー型スイッチ７６ａを操作することにより、ピッチ軸６４及びヨー軸６６の傾動動作が可能になる。

ジョイスティック３８ｃについても、上記ジョイスティック３８ａ、３８ｂと基本的には同構造でよく、複合入力部７６のシーソー型スイッチ７６ａによって内視鏡１４の２姿勢軸（Ａ１１〜Ａ１４）を動作させることができ、また、例えば、トリガレバー７４に代えて、視点固定スイッチ７５を設けるとよい。勿論、内視鏡１４及びカメラアーム２４ｃの操作部として、コンソール２６以外の装置にジョイスティック３８ｃ又は同様な操作部を設けてもよい。視点固定スイッチ７５は、コンソール２６の制御下に、カメラアーム２４ｃの第１乃至第５軸Ａ１〜Ａ５、及び内視鏡１４の第１及び第２姿勢回転軸Ａ１１、Ａ１２を自動的に駆動制御し、後述するカメラアーム２４ｃと鉗子アーム２４ａ、２４ｂとの干渉を回避する干渉回避動作時に、内視鏡１４による視点（又は視線又は視野）を一定位置（又は略一定位置）、例えば患部１０６（図６参照）に保持することを選択するスイッチである。

以上のように構成される医療用ロボットシステム１０では、図８に模式的に示されるように、各アーム２４ａ〜２４ｃを駆動制御し、内視鏡１４によって体腔４０内を撮影・視認しつつ、マニピュレータ１２ａ、１２ｂで患部に対する所望の処置が行われる。

ところが、当該医療用ロボットシステム１０では、１つのトロッカー４２から３つの器具（マニピュレータ１２ａ、１２ｂ及び内視鏡１４）を体腔４０内へと挿入するため、トロッカー４２の体外側では、各アーム２４ａ〜２４ｃが密集し、先端の姿勢等によっては、カメラアーム２４ｃが第１鉗子アーム２４ａや第２鉗子アーム２４ｂと干渉し、内視鏡１４による視点にずれを生じる可能性や、先端動作部５６を所望の姿勢に移動させることが困難になる可能性がある。特に、トロッカー４２と同軸上に設けられるアーム部材１０４の各アーム上端部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ（例えば、図６では、トロッカー４２から上方に延びたアーム部材１０４の第５軸Ａ５への連結部）等は、トロッカー４２に近い位置にあることから、互いに接近して干渉を生じ易い。例えば、図９Ａに示すように、第１鉗子アーム２４ａの移動時にそのアーム上端部２５ａがカメラアーム２４ｃのアーム上端部２５ｃに干渉（接触）を生じる可能性がある。

そこで、本実施形態に係る医療用ロボットシステム１０では、内視鏡１４による視点や視野を保持したまま、カメラアーム２４ｃの第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂに対する干渉を回避するための制御機能をコンソール２６に設け、カメラアーム２４ｃ（及び内視鏡１４）の上記した多軸関節機構（図６参照）を適宜駆動制御して、図９Ｂに示すように、その干渉を回避することができる。

先ず、図１０を参照してコンソール２６が有する制御機能を説明する。図１０は、コンソール２６が有する機能のブロック説明図である。

図１０に示すように、コンソール２６は、操作部であるジョイスティック３８ａ〜３８ｂと、前記モニタ７０と、システム制御部１１０とを備える。システム制御部１１０は、当該コンソール２６、換言すれば当該医療用ロボットシステム１０の総合的な制御部であり、鉗子動作制御部１１２と、内視鏡動作制御部１１４と、干渉可能性判定部１１６と、表示制御部１１８とを有する。

鉗子動作制御部１１２は、第１鉗子マニピュレータ１２ａ及び第１鉗子アーム２４ａの動作を制御する第１鉗子駆動制御部１２０と、第１鉗子アーム２４ａの占有領域（例えば、ステーション２２の中心に設定された手術ロボット２８が有する基準座標系での位置座標）を算出（演算）する第１鉗子アーム占有領域算出部１２２と、第２鉗子マニピュレータ１２ｂ及び第２鉗子アーム２４ｂの動作を制御する第２鉗子駆動制御部１２４と、第２鉗子アーム２４ｂの占有領域を算出する第２鉗子アーム占有領域算出部１２６とを有する。

内視鏡動作制御部１１４は、内視鏡１４及びカメラアーム２４ｃの動作を制御する内視鏡駆動制御部１２８と、カメラアーム２４ｃの占有領域を算出するカメラアーム占有領域算出部１３０と、カメラアーム２４ｃの第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂに対する干渉回避動作に関する処理を行う干渉回避動作算出部（干渉回避動作制御部）１３２とを有する。

干渉可能性判定部１１６は、第１及び第２鉗子アーム占有領域算出部１２２、１２６とカメラアーム占有領域算出部１３０とで得られる各アーム２４ａ〜２４ｃの現在位置（占有領域）に基づき、カメラアーム２４ｃの第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂに対する干渉の可能性を判定する。

そこで、内視鏡動作制御部１１４に設けられる干渉回避動作算出部１３２は、干渉可能性判定部１１６で干渉の可能性があるとの判定結果が得られた際に、カメラアーム２４ｃの干渉回避位置（座標）を算出する干渉回避位置算出部１３４と、干渉回避位置算出部１３４で算出した回避位置（回避先）でのカメラアーム２４ｃの占有領域を算出するカメラアーム予想占有領域算出部１３６とを有する。さらに、干渉回避動作算出部１３２は、カメラアーム予想占有領域算出部１３６で算出された占有領域にカメラアーム２４ｃを移動させることで、該カメラアーム２４ｃの第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂに対する干渉回避が可能となるか否かを判定する干渉回避可否判定部１３８と、干渉回避可否判定部１３８で干渉回避が可能と判定された場合に、その干渉回避位置までのカメラアーム２４ｃの移動軌跡を算出する干渉回避軌道算出部１４０とを有する。

従って、内視鏡動作制御部１１４では、干渉回避軌道算出部１４０での算出軌道に基づき、内視鏡駆動制御部１２８の制御下にカメラアーム２４ｃを駆動制御することで、カメラアーム２４ｃの第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂに対する干渉回避動作を実行する。

表示制御部１１８は、内視鏡１４で得られる撮影画像情報の供給を受け、その情報を演算処理してモニタ７０に表示する。なお、表示制御部１１８は、例えば、干渉可能性判定部１１６や干渉回避動作算出部１３２から各種情報を受け、干渉の危険性がある旨や干渉回避動作を行う旨の警告等をモニタ７０に表示する機能を有してもよい。

次に、カメラアーム２４ｃの第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂに対する干渉回避動作について、図１１Ａ及び図１１Ｂのフローチャートを参照しながら説明する。

先ず、患者１６の患部周辺にガスを入れて体腔４０を確保し、トロッカー４２から内視鏡１４を体腔４０に挿入し、該体腔４０の状態をモニタ７０に表示しつつ、内視鏡１４と同じトロッカー４２からマニピュレータ１２ａ、１２ｂの先端動作部５６を挿入する。

次いで、手術スタッフ（医師）は、内視鏡１４によって得られる体腔４０の状態を確認しながら、ジョイスティック３８ａ、３８ｂを操作し、アーム２４ａ、２４ｂの先端に設けられたマニピュレータ１２ａ、１２ｂにより、所望の腹腔鏡下手術を行う。

このような手術中、コンソール２６のシステム制御部１１０では、先ず、図１１ＡのステップＳ１において、第１鉗子駆動制御部１２０の制御下に駆動されている第１鉗子アーム２４ａの占有領域を第１鉗子アーム占有領域算出部１２２によって算出すると共に、ステップＳ２において、第２鉗子駆動制御部１２４の制御下に駆動されている第２鉗子アーム２４ｂの占有領域を第２鉗子アーム占有領域算出部１２６によって算出する。略同時に、ステップＳ３において、内視鏡駆動制御部１２８の制御下に駆動されているカメラアーム２４ｃの占有領域をカメラアーム占有領域算出部１３０によって算出する。

この際、各アーム占有領域算出部１２２、１２６、１３０によって算出される各アーム２４ａ〜２４ｃの占有領域としては、アーム全体の占有領域を算出しても勿論よいが、コンソール２６での処理負担の軽減等を考慮すると、各アーム２４ａ〜２４ｃの構造上で干渉の可能性の高い部分、例えば、トロッカー４２と同軸上のアーム部材１０４のアーム上端部２５ａ〜２５ｃ（図８参照）の占有領域のみを算出するものとしてもよい。

ステップＳ４では、各アーム占有領域算出部１２２、１２６、１３０での演算結果の供給を受けた干渉可能性判定部１１６において、第１鉗子アーム２４ａとカメラアーム２４ｃの間の距離、及び、第２鉗子アーム２４ｂとカメラアーム２４ｃの間の距離のいずれか一方又は両方が、所定の距離（干渉しない最接近距離）以下であるか否かを判定する。この干渉しない最接近距離とは、例えば、第１鉗子アーム２４ａのアーム上端部２５ａとカメラアーム２４ｃのアーム上端部２５ｃとの間の接触を確実に防止できるように、手術ロボット２８での制御誤差等も考慮して多少余裕を持った距離に設定しておくとよい。

ステップＳ４において、カメラアーム２４ｃと第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂとの間が、干渉の可能性なしと判定された場合には（ステップＳ４のＮＯ）、ステップＳ１に戻り、再び各アーム２４ａ〜２４ｃの占有領域の算出が開始される。

一方、カメラアーム２４ｃと第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂとの間が、干渉の可能性あり（図１２中に２点鎖線で示す第１鉗子アーム２４ａと、実線で示すカメラアーム２４ｃを参照）と判定された場合には（ステップＳ４のＹＥＳ）、次にステップＳ５を実行する。

ステップＳ５では、干渉回避動作算出部１３２により、第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂ（アーム上端部２５ａ、２５ｂ）からカメラアーム２４ｃ（アーム上端部２５ｃ）が離れる方向への干渉回避動作を算出する。

すなわち、当該ステップＳ５では、先ず、図１１ＢのステップＳ５１において、干渉回避位置算出部１３４により、カメラアーム２４ｃの干渉回避位置を算出する。次いで、ステップＳ５２において、カメラアーム予想占有領域算出部１３６により、前記算出した干渉回避位置でのカメラアーム２４ｃの占有領域を算出する（図１２中に２点鎖線で示すカメラアーム２４ｃ参照）。

ステップＳ５３では、ステップＳ５１、Ｓ５２によって算出した干渉回避位置及びその占有領域にカメラアーム２４ｃを移動させることによって、該カメラアーム２４ｃと第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂとの干渉回避が可能となるか否かを判定する。

ステップＳ５１、Ｓ５２によって算出した干渉回避位置及びその占有領域では、カメラアーム２４ｃの第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂに対する干渉を回避できないと判定された場合には（ステップＳ５３のＮＯ）、ステップＳ５１に戻り、別の再度干渉回避位置及びその占有領域の算出を実行する。

一方、ステップＳ５１、Ｓ５２によって算出した干渉回避位置及びその占有領域によって、カメラアーム２４ｃの第１及び第２鉗子アーム２４ａ、２４ｂに対する干渉回避が可能であると判定された場合には（ステップＳ５３のＹＥＳ）、次にステップＳ５４を実行する。

ステップＳ５４では、干渉回避軌道算出部１４０により、現在位置からステップＳ５１によって算出された干渉回避位置までのカメラアーム２４ｃの移動軌跡を算出する。

そこで、図１１ＡのステップＳ６では、ステップＳ５４で算出したカメラアーム２４ｃの干渉回避位置までの移動軌跡に従い、内視鏡駆動制御部１２８の制御下にカメラアーム２４ｃを駆動し、干渉回避動作を実行する。これにより、図１２中に２点鎖線で示す第１鉗子アーム２４ａ及びカメラアーム２４ｃのように、互いの干渉を適切に回避することができる。

この際、本実施形態では、カメラアーム２４ｃを冗長自由度を持つ機構（冗長アーム）で構成していることにより、図１２から諒解されるように、干渉回避の前後における内視鏡１４での患部１０６に対する視点（及び視野）が変化しない（又はほとんど変化しない）。このように、医療用ロボットシステム１０では、手術スタッフ（医師）の視野を適切に確保しつつ（視点や視野が変化することを防止しつつ）、各アーム２４ａ〜２４ｃの干渉を適切に回避することができる。

このように、カメラアーム２４ｃを自動的に駆動制御し、内視鏡１４の視点を一定に保持しながら行う干渉回避動作は、例えば、上記した視点固定スイッチ７５をＯＮしている場合にのみ有効となるように構成し、該視点固定スイッチ７５をＯＦＦにしている際には実行しないように構成してもよい。そうすると、例えば、内視鏡１４及びカメラアーム２４ｃの操作部であるジョイスティック３８ｃの操作を、マニピュレータ１２ａ、１２ｂを操作する手術スタッフと別のスタッフが操作するため、自動の干渉回避動作が不要な場合等にも柔軟に対応することができる。

以上のような、干渉回避動作において、内視鏡１４の姿勢軸である姿勢回転軸Ａ１１、Ａ１２（又はＡ１３、Ａ１４）は、図１２に示すように、例えば、患部１０６上に設定したＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交座標系である臓器座標系Ｃ１を基準として、姿勢変化させるように駆動制御することもできる。これにより、干渉回避動作によるカメラアーム２４ｃの移動によって、内視鏡１４の視点や視野を一定に保つためには、姿勢回転軸Ａ１１、Ａ１２による動作が必要となる場合であっても、患部１０６（臓器）に対する視点を固定したまま動作させることができる。勿論、内視鏡１４の姿勢軸の基準座標としては、臓器座標系Ｃ１以外であってもよく、例えば患部１０６からオフセットした位置に設定されるオフセット座標系Ｃ２（図１７参照）等としてもよい。

また、上記のステップＳ５１〜Ｓ５４での干渉回避位置や移動軌跡の算出を容易にするためには、例えば、上記座標系でのＸＹＺ各軸回りに所定角度回転させた時のカメラアーム２４ｃのトロッカー４２と同軸上のアーム上端部２５ｃ位置を算出し、干渉の危険性ありと判断された鉗子アーム２４ａ（２４ｂ）のトロッカー４２と同軸上のアーム上端部２５ａ（２５ｂ）位置との位置関係を求め、最も効率的な方向に回避させればよい。

なお、本実施形態に係る干渉回避動作は、図６や図１２に示される冗長自由度のあるカメラアーム２４ｃ以外、例えば、冗長自由度のないカメラアーム２４ｄ（図１３参照）やカメラアーム２４ｅ（図１４参照）によって実行することもできる。

図１３に示すように、カメラアーム２４ｄは、カメラアーム２４ｃ（図１２参照）から第４軸Ａ４を省略した構成である。また、図１４に示すように、カメラアーム２４ｅは、カメラアーム２４ｄのパッシブ軸Ａｐの構成を平行リンクアームＡｐ３、Ａｐ４、Ａｐ５、Ａｐ６を用いた構成に変更したものである。勿論、これらカメラアーム２４ｄ、２４ｅについても、カメラアーム２４ｃの場合と同様に、例えば第５軸Ａ５は省略してもよい。

例えば、カメラアーム２４ｄでは、冗長自由度のあるカメラアーム２４ｃから直動軸である第４軸Ａ４が省略されているため、図１３中に２点鎖線で示すように、干渉回避動作時に、内視鏡１４の患部１０６に対する視点を保持するためには、内視鏡１４の第１姿勢回転軸Ａ１１や第２姿勢回転軸Ａ１２についても駆動制御する必要がある。

すなわち、このようなカメラアーム２４ｄ（２４ｅ）では、内視鏡１４の姿勢軸である姿勢回転軸Ａ１１、Ａ１２（又はＡ１３、Ａ１４）を用いた視線制御を適切に行うことで、内視鏡１４の視点の変化を防止することが可能となる。

例えば、図１５に示すように、患部１０６に設定した臓器座標系Ｃ１を基準として、内視鏡１４を姿勢変化させてレンズ部１００の視線を誘導してもよい。これにより、臓器座標系Ｃ１の原点を中心とした内視鏡１４の視点を変化させることなく、該内視鏡１４に回転動作等を付与することができ、カメラアーム２４ｃを適切に干渉回避させることができる。

図１６に示すように、レンズ部１００上に設定したＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交座標系であるカメラ座標系Ｃ３を基準として、姿勢変化させるように駆動制御することによっても、内視鏡１４の視点を変化させずに、カメラアーム２４ｃを適切に干渉回避させることができる。

図１７に示すように、患部１０６からオフセットした位置に設定したＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交座標系であるオフセット座標系Ｃ２を基準として、姿勢変化させるように駆動制御してもよい。この場合には、患部１０６から所定距離だけオフセットした位置に内視鏡１４の視点を保持しながら干渉回避動作を行うことができるため、例えば、患部１０６より手前側（内視鏡１４側）に位置するマニピュレータ１２ａ、１２ｂの先端位置付近に視点を合わせておくことができ、手技によっては有効に用いることができる。

一方、図１８に示すように、第１姿勢回転軸Ａ１１上に設定したＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交座標系である姿勢座標系Ｃ４を基準として、姿勢変化させるように駆動制御してもよい。この場合には、カメラアーム２４ｃの干渉回避動作時以外の場合、例えば、体腔４０内で視野を変更したい場合に、カメラアーム２４ｃを駆動する必要がなく、内視鏡１４の第１姿勢回転軸Ａ１１等を駆動制御するだけで、その視野を変更し、広い範囲を見渡すことができる。

このように、冗長自由度を持たないカメラアーム２４ｄ（２４ｅ）であっても、所定の座標系を基準として、少なくとも２軸以上からなる内視鏡１４の姿勢軸（Ａ１１〜Ａ１４）を駆動制御することで、内視鏡１４の視線を誘導することにより、当該内視鏡１４の視点を保持しながら、干渉回避動作を行うことができる。勿論、図１５〜図１８に示されるような座標系を基準とした内視鏡１４の視線制御は、各座標系をコンソール２６側に設けられる図示しない設定変更スイッチ等で変更しながら手技を行うこともできる。

本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１０…医療用ロボットシステム１２ａ…第１鉗子マニピュレータ
１２ｂ…第２鉗子マニピュレータ１４…内視鏡
２４ａ…第１鉗子アーム２４ｂ…第２鉗子アーム
２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ…カメラアーム２５ａ〜２５ｃ…アーム上端部
４０…体腔４２…トロッカー
７５…視点固定スイッチ１１０…システム制御部
１１２…鉗子動作制御部１１４…内視鏡動作制御部
１１６…干渉可能性判定部

Claims

鉗子用アームに設けられた鉗子マニピュレータと、カメラ用アームに設けられた内視鏡とを、共通の挿入具から体内へと挿入して腹腔鏡下手術を行うための医療用ロボットシステムであって、
少なくとも前記鉗子マニピュレータ及び前記鉗子用アームを操作可能な操作部と、
前記操作部への入力に基づき、前記鉗子マニピュレータ及び前記鉗子用アームの動作を制御する鉗子動作制御部と、
前記内視鏡及び前記カメラ用アームの動作を制御する内視鏡動作制御部と、
前記内視鏡動作制御部が前記内視鏡の視点を保持した状態で前記カメラ用アームの前記鉗子用アームに対する干渉回避動作を制御するための軌道を算出する干渉回避動作制御部と、
を備え、
前記干渉回避動作制御部は、
前記カメラ用アームの干渉回避位置を算出する干渉回避位置算出部と、
前記干渉回避位置での前記カメラ用アームの占有領域を算出するカメラ用アーム予想占有領域算出部と、
前記カメラ用アーム予想占有領域算出部で算出された占有領域に基づき、前記カメラ用アームを移動させた際の前記鉗子用アームとの干渉を判定する干渉回避可否判定部と、
前記干渉回避可否判定部で干渉回避可能と判定された場合に、前記カメラ用アームの干渉回避動作の軌道を算出する干渉回避軌道算出部と、を備え、
前記内視鏡動作制御部は、前記干渉回避軌道算出部が算出した軌道に基づき前記干渉回避動作を実行することを特徴とする医療用ロボットシステム。
請求項１記載の医療用ロボットシステムにおいて、
前記鉗子動作制御部には、前記鉗子用アームの占有領域を算出する鉗子用アーム占有領域算出部が設けられ、
前記内視鏡動作制御部には、前記カメラ用アームの占有領域を算出するカメラ用アーム占有領域算出部が設けられ、
さらに、前記鉗子用アーム占有領域算出部及び前記カメラ用アーム占有領域算出部による前記各占有領域の算出結果に基づき、前記鉗子用アームと前記カメラ用アームによる干渉の可能性を判定する干渉可能性判定部を備え、
前記干渉回避動作制御部は、前記干渉可能性判定部で干渉の可能性があると判定された際に、前記干渉回避位置算出部、前記カメラ用アーム予想占有領域算出部、前記干渉回避可否判定部、前記干渉回避軌道算出部を動作させて前記カメラ用アームの干渉回避動作の軌道を算出することを特徴とする医療用ロボットシステム。
請求項２記載の医療用ロボットシステムにおいて、
前記干渉可能性判定部は、前記鉗子用アームと前記カメラ用アームによる干渉の可能性の判定を、前記鉗子用アーム及び前記カメラ用アームに設けられるアーム部材のうち、前記挿入具と同軸上に設けられる前記アーム部材の上端部同士での干渉の可能性によって判定することを特徴とする医療用ロボットシステム。
請求項１〜３のいずれか１記載の医療用ロボットシステムにおいて、
前記カメラ用アームは、冗長自由度を有する多軸関節機構を有することを特徴とする医療用ロボットシステム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の医療用ロボットシステムにおいて、
前記内視鏡は、前記挿入具を挿通して体内側に配置される部位に姿勢変更軸を有することを特徴とする医療用ロボットシステム。
請求項５記載の医療用ロボットシステムにおいて、
前記内視鏡動作制御部は、前記カメラ用アームの干渉回避動作を実行する際に、患者の臓器に設定した臓器座標系、又は前記臓器からオフセットして設定したオフセット座標系を基準として、前記姿勢変更軸を駆動制御することで、前記干渉回避動作中での前記内視鏡の視点保持を行うことを特徴とする医療用ロボットシステム。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の医療用ロボットシステムにおいて、
前記内視鏡の視点保持の可否を選択する視点固定スイッチを備え、
前記内視鏡動作制御部は、前記視点固定スイッチにより前記内視鏡の視点を保持することが選択されている場合にのみ、前記鉗子用アームに対する前記カメラ用アームの干渉回避動作時に、前記内視鏡の視点を保持する制御を行うことを特徴とする医療用ロボットシステム。