JP7720139B2 - 手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法に関し、特に、操作部が受け付けた操作に基づいて医療器具の動作を制御する手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法に関する。

従来、アームと、アームの末端に接続されるツール（医療器具）と、入力ハンドル（操作部）とを備えるロボット外科用システムが知られている。例えば、上記特許文献１に記載のロボット外科用システムでは、操作部が受け付けた操作量に基づいて医療器具の移動を制御している。医療器具は、外科部位である患者の体の内部において移動する。

特表２０１８－５０５７３９号公報

しかしながら、従来、アームの関節に含まれるモータなどの部品の保護や、アームの振動の抑制に関して改善の余地がある。例えば、入力ハンドルが受け付けた操作量が大きい場合、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなる。この場合、アームの関節に設けられるモータが過度に高速に回転してモータを構成する部品が破損するおそれがある。また、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因して、アームが振動するおそれがある。

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、この発明の１つの目的は、アームの関節を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することが可能な手術支援システム、手術支援システムの制御装置および手術支援システムの制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による手術支援システムは、手術支援システムであって、先端側に医療器具が取り付けられ複数の関節部を有するアームを含む患者側装置と、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、受け付けられた操作に基づいて、医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、制限前の速度指令値を複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の速度指令値同士の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、制限前の加速度指令値を複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の加速度指令値の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する。

この発明の第１の局面による手術支援システムでは、上記のように、制御部は、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する。これにより、操作部が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値および加速度指令値の両方が制限されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アームの関節部に設けられるモータが過度に高速に回転するのが抑制されるので、アームの関節部を構成するモータなどの部品を保護することができる。また、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアームの振動を抑制することができる。これらの結果、アームの関節部を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することができる。

この発明の第２の局面による手術支援システムの制御装置は、先端側に医療器具が取り付けられる複数の関節部を有するアームを含む患者側装置と、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、を備える手術支援システムの制御装置であって、受け付けられた操作に基づいて、医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御する制御部を備え、制御部は、制限前の速度指令値を複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の速度指令値同士の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、制限前の加速度指令値を複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の加速度指令値の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する。

この発明の第２の局面による手術支援システムの制御装置では、上記のように、制御部は、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する。これにより、操作部が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値および加速度指令値の両方が制限されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アームの関節部に設けられるモータが過度に高速に回転するのが抑制されるので、アームの関節部を構成するモータなどの部品を保護することができる。また、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアームの振動を抑制することができる。これらの結果、アームの関節部を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することが可能な手術支援システムの制御装置を提供することができる。

この発明の第３の局面による手術支援システムの制御方法は、先端側に医療器具が取り付けられ複数の関節部を有するアームを含む患者側装置と、医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、制御部と、を備える手術支援システムの制御方法であって、操作部が、医療器具に対する操作を受け付けるステップと、制御部が、受け付けられた操作に基づいて、医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御するステップと、を備え、制御部が、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御するステップは、制御部が、制限前の速度指令値を複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の速度指令値同士の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の速度指令値を速度制限値の範囲内に制限するステップと、制御部が、制限前の加速度指令値を複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の加速度指令値の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限するステップと、を含む。

この発明の第３の局面による手術支援システムの制御方法では、上記のように、速度指令値および加速度指令値に基づいて医療器具の動作を制御するステップは、速度指令値を速度制限値の範囲内に制限するステップと、加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限するステップとを含む。これにより、操作部が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値および加速度指令値の両方が制限されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アームの関節部に設けられるモータが過度に高速に回転するのが抑制されるので、アームの関節部を構成するモータなどの部品を保護することができる。また、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アームの単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアームの振動を抑制することができる。これらの結果、アームの関節部を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することが可能な手術支援システムの制御方法を提供することができる。

本発明によれば、上記のように、アームの関節部を構成する部品を保護するとともに、アームの振動を抑制することができる。

本発明の一実施形態による外科手術システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による医療用マニピュレータの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による医療用マニピュレータのアームの構成を示す図である。 鉗子を示す図である。 本発明の一実施形態による医療用マニピュレータの操作部の構成を示す斜視図である。 内視鏡を示す図である。 ピボット位置教示器具を示す図である。 アームの並進移動を説明するための図である。 アームの回転移動を説明するための図である。 本発明の一実施形態による医療用マニピュレータの制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による制御部の構成を示すブロック図である。 比較例による制限された速度指令値（または加速度指令値）のイメージ図である。 本発明の一実施形態による制限された速度指令値（または加速度指令値）のイメージ図である。 本発明の一実施形態によるフィードフォワード制御のゲインを説明するための図である。 医療器具の目標値と現在値とを示す図（１）である。 医療器具の目標値と現在値とを示す図（２）である。 本発明の一実施形態による外科手術システムの制御方法を説明するためのフロー図である。

以下、本発明を具体化した本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１～図１６を参照して、本実施形態による外科手術システム１００の構成について説明する。外科手術システム１００は、患者Ｐ側装置である医療用マニピュレータ１と、医療用マニピュレータ１を操作するための操作者側装置である遠隔操作装置２とを備えている。医療用マニピュレータ１は医療用台車３を備えており、移動可能に構成されている。遠隔操作装置２は、医療用マニピュレータ１から離間した位置に配置されており、医療用マニピュレータ１は、遠隔操作装置２により遠隔操作されるように構成されている。術者は、医療用マニピュレータ１に所望の動作を行わせるための指令を遠隔操作装置２に入力する。遠隔操作装置２は、入力された指令を医療用マニピュレータ１に送信する。医療用マニピュレータ１は、受信した指令に基づいて動作する。また、医療用マニピュレータ１は、滅菌された滅菌野である手術室内に配置されている。なお、外科手術システム１００は、特許請求の範囲の「手術支援システム」の一例である。

遠隔操作装置２は、たとえば、手術室の中または手術室の外に配置されている。遠隔操作装置２は、操作用マニピュレータアーム２１と、操作ペダル２２と、タッチパネル２３と、モニタ２４と、支持アーム２５と、支持バー２６とを含む。操作用マニピュレータアーム２１は、術者が指令を入力するための操作用のハンドルを構成する。操作用マニピュレータアーム２１は、医療器具４に対する操作量を受け付ける。モニタ２４は、内視鏡により撮影された画像を表示するスコープ型表示装置である。支持アーム２５は、モニタ２４の高さを術者の顔の高さに合わせるようにモニタ２４を支持する。タッチパネル２３は、支持バー２６に配置されている。モニタ２４近傍に設けられた図示しないセンサにより術者の頭部を検知することにより医療用マニピュレータ１は遠隔操作装置２による操作が可能になる。術者は、モニタ２４により患部を視認しながら、操作用マニピュレータアーム２１および操作ペダル２２を操作する。これにより、遠隔操作装置２に指令が入力される。遠隔操作装置２に入力された指令は、医療用マニピュレータ１に送信される。なお、操作用マニピュレータアーム２１は、特許請求の範囲の「操作部」の一例である。

医療用台車３には、医療用マニピュレータ１の動作を制御する制御部３１と、医療用マニピュレータ１の動作を制御するためのプログラムなどが記憶される記憶部３２とが設けられている。そして、遠隔操作装置２に入力された指令に基づいて、医療用台車３の制御部３１は、医療用マニピュレータ１の動作を制御する。なお、制御部３１は、特許請求の範囲の「手術支援システムの制御装置」の一例である。

また、医療用台車３には、入力装置３３が設けられている。入力装置３３は、主に施術前に手術の準備を行うために、ポジショナ４０、アームベース５０、および、複数のアーム６０の移動や姿勢の変更の操作を受け付けるように構成されている。

図１および図２に示す医療用マニピュレータ１は、手術室内に配置されている。医療用マニピュレータ１は、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０と、複数のアーム６０とを備えている。アームベース５０は、ポジショナ４０の先端に取り付けられている。アームベース５０は、比較的長い棒形状（長尺形状）を有する。また、複数のアーム６０は、各々のアーム６０の根元部が、アームベース５０に取り付けられている。複数のアーム６０は、折り畳まれた姿勢（収納姿勢）をとることが可能に構成されている。アームベース５０と、複数のアーム６０とは、図示しない滅菌ドレープにより覆われて使用される。

ポジショナ４０は、たとえば、７軸多関節ロボットにより構成されている。また、ポジショナ４０は、医療用台車３上に配置されている。ポジショナ４０は、アームベース５０を移動させる。具体的には、ポジショナ４０は、アームベース５０の位置を３次元に移動させるように構成されている。

また、ポジショナ４０は、ベース部４１と、ベース部４１に連結された複数のリンク部４２とを含む。複数のリンク部４２同士は、関節部４３により連結されている。

図１に示すように、複数のアーム６０の各々の先端には、医療器具４が取り付けられている。医療器具４は、たとえば、取り換え可能なインストゥルメント、内視鏡６（図６参照）などを含む。

図３に示すように、インストゥルメントには、アーム６０のホルダ７１に設けられたサーボモータＭ２によって駆動される被駆動ユニット４ａが設けられている。また、インストゥルメントの先端には、鉗子４ｂが設けられている。なお、鉗子４ｂは、特許請求の範囲の「エンドエフェクタ」の一例である。

また、図４に示すように、インストゥルメントは、鉗子４ｂを第１軸Ａ１について回転可能に支持する第１支持体４ｅと、第１支持体４ｅを第２軸Ａ２について回転可能に支持する第２支持体４ｆと、第２支持体４ｆに接続されるシャフト４ｃとを含む。被駆動ユニット４ａと、シャフト４ｃと、第２支持体４ｆと、第１支持体４ｅと、鉗子４ｂとは、Ｚ方向に沿って配置されている。

第１支持体４ｅには、第１軸Ａ１の回転軸線Ｒ１周りに回転するように鉗子４ｂが取り付けられている。また、第２支持体４ｆは、第１支持体４ｅを第２軸Ａ２について回転可能に支持している。つまり、第２支持体４ｆには、第２軸Ａ２の回転軸線Ｒ２周りに回転するように第１支持体４ｅが取り付けられている。また、第１支持体４ｅの先端側（Ｚ１方向側）の部分は、Ｕ字形状を有している。第１支持体４ｅのＵ字形状の先端側の部分の回転軸線Ｒ１方向における中央部にツールセンタポイント（ＴＣＰ１、クレビス）が設定されている。

また、図６に示すように、内視鏡６のＴＣＰ２は、内視鏡６の先端に設定されている。

次に、アーム６０の構成について詳細に説明する。

図３に示すように、アーム６０は、アーム部６１（ベース部６２、リンク部６３、関節部６４）と、アーム部６１の先端に設けられる並進移動機構部７０とを含む。アーム６０は、アーム６０の根元側（アームベース５０）に対して先端側を３次元に移動させるように構成されている。なお、複数のアーム６０は、互いに同様の構成を有する。

並進移動機構部７０は、アーム部６１の先端側に設けられるとともに医療器具４が取り付けられている。また、並進移動機構部７０は、医療器具４を患者Ｐに挿入する方向に並進移動させる。また、並進移動機構部７０は、医療器具４をアーム部６１に対して相対的に並進移動させるように構成されている。具体的には、並進移動機構部７０には、医療器具４を保持するホルダ７１が設けられている。ホルダ７１には、サーボモータＭ２（図１０参照）が収容されている。サーボモータＭ２は、医療器具４の被駆動ユニット４ａに設けられた回転体を回転させるように構成されている。被駆動ユニット４ａの回転体が回転されることにより、鉗子４ｂが動作される。

アーム部６１は、７軸多関節ロボットアームから構成されている。また、アーム部６１は、アーム部６１をアームベース５０に取り付けるためのベース部６２と、ベース部６２に連結された複数のリンク部６３とを含む。複数のリンク部６３同士は、関節部６４により連結されている。

並進移動機構部７０は、ホルダ７１をＺ方向に沿って並進移動させることにより、ホルダ７１に取り付けられた医療器具４をＺ方向（シャフト４ｃが延びる方向）に沿って並進移動させるように構成されている。具体的には、並進移動機構部７０は、アーム部６１の先端に接続される基端側リンク部７２と、先端側リンク部７３と、基端側リンク部７２と先端側リンク部７３との間に設けられる連結リンク部７４とを含む。また、ホルダ７１は、先端側リンク部７３に設けられている。

そして、並進移動機構部７０の連結リンク部７４は、基端側リンク部７２に対して、先端側リンク部７３を、Ｚ方向に沿って相対的に移動させる倍速機構として構成されている。また、基端側リンク部７２に対して先端側リンク部７３がＺ方向に沿って相対的に移動されることにより、ホルダ７１に設けられた医療器具４が、Ｚ方向に沿って並進移動するように構成されている。また、アーム部６１の先端は、基端側リンク部７２を、Ｚ方向に直交するＸ方向を軸として回動させるように基端側リンク部７２に接続されている。

また、図５に示すように、医療用マニピュレータ１は、アーム６０に取り付けられ、アーム６０を操作する操作部８０を備えている。操作部８０は、イネーブルスイッチ８１と、ジョイスティック８２とスイッチ部８３とを含む。イネーブルスイッチ８１は、ジョイスティック８２およびスイッチ部８３によるアーム６０の移動を許可または不許可とする。また、イネーブルスイッチ８１は、操作者（看護師、助手など）が操作部８０を把持して押下されることによりアーム６０による医療器具４の移動を許可する状態となる。

また、スイッチ部８３は、医療器具４の長手方向に沿った医療器具４を患者Ｐに挿入する方向側に医療器具４を移動させるスイッチ部８３ａと、医療器具４を患者Ｐに挿入する方向と反対側に医療器具４を移動させるスイッチ部８３ｂとを含む。スイッチ部８３ａとスイッチ部８３ｂとは、共に、押しボタンスイッチから構成されている。

また、図５に示すように、操作部８０は、アーム６０に取り付けられた医療器具４の移動の支点（図９参照）となるピボット位置ＰＰを教示するピボットボタン８５を含む。ピボットボタン８５は、操作部８０の面８０ｂに、イネーブルスイッチ８１に隣り合うように設けられている。そして、内視鏡６（図６参照）またはピボット位置教示器具７（図７）の先端が、患者Ｐの体表面Ｓに挿入されたトロカールＴの挿入位置に対応する位置まで移動された状態で、ピボットボタン８５が押下されることによりピボット位置ＰＰが教示され、記憶部３２に記憶される。なお、ピボット位置ＰＰの教示において、ピボット位置ＰＰは、１つの点（座標）として設定され、ピボット位置ＰＰの教示は、医療器具４の方向を設定するものではない。

また、図１に示すように、複数のアーム６０のうちの一つのアーム６０（たとえば、アーム６０ｂ）には内視鏡６が取り付けられ、残りのアーム６０（たとえば、アーム６０ａ、６０ｃおよび６０ｄ）には、内視鏡６以外の医療器具４が取り付けられる。具体的には、手術において、４つのアーム６０のうちの１つのアーム６０に内視鏡６が取り付けられ、３つのアーム６０に内視鏡６以外の医療器具４（鉗子４ｂなど）が取り付けられる。そして、内視鏡６が取り付けられているアーム６０に対して、内視鏡６が取り付けられた状態でピボット位置ＰＰが教示される。また、内視鏡６以外の医療器具４が取り付けられるアーム６０に対して、ピボット位置教示器具７が取り付けられた状態でピボット位置ＰＰが教示される。なお、内視鏡６は、互いに隣り合うように配置されている４つのアーム６０のうちの、中央に配置される２つのアーム６０（アーム６０ｂおよび６０ｃ）のうちのいずれかに取り付けられる。すなわち、ピボット位置ＰＰは、複数のアーム６０毎に個別に設定される。

また、図５に示すように、操作部８０の面８０ｂには、アーム６０の位置を最適化するためのアジャストメントボタン８６が設けられている。内視鏡６が取り付けられたアーム６０に対するピボット位置ＰＰの教示後、アジャストメントボタン８６が押下されることにより、他のアーム６０（アームベース５０）の位置が最適化される。

また、図５に示すように、操作部８０は、アーム６０に取り付けられた医療器具４を並進移動（図８参照）させるモードと、回転移動（図９参照）させるモードとを切り替えるモード切替ボタン８４を含む。また、モード切替ボタン８４の近傍には、モードインジケータ８４ａが設けられている。モードインジケータ８４ａは、切り替えられたモードを表示する。具体的には、モードインジケータ８４ａが点灯（回転移動モード）または消灯（並進移動モード）されることにより、現在のモード（並進移動モードまたは回転移動モード）が表示される。

また、モードインジケータ８４ａは、ピボット位置ＰＰが教示されたことを表示するピボット位置インジケータを兼ねている。

図８に示すように、アーム６０を並進移動させるモードでは、医療器具４の先端４ｄが、Ｘ－Ｙ平面上において移動するように、アーム６０が移動される。また、図９に示すように、アーム６０を回転移動させるモードでは、ピボット位置ＰＰが教示されていない時は、鉗子４ｂを中心に回転移動し、ピボット位置ＰＰが教示されている時は、ピボット位置ＰＰを支点として医療器具４が回転移動するように、アーム６０が移動される。なお、医療器具４のシャフト４ｃがトロカールＴに挿入された状態で、医療器具４が回転移動される。

また、図１０に示すように、アーム６０には、アーム部６１の複数の関節部６４に対応するように、複数のサーボモータＭ１と、エンコーダＥ１と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ１は、サーボモータＭ１の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ１の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

また、図１０に示すように、並進移動機構部７０には、医療器具４の被駆動ユニット４ａに設けられた回転体を回転させるためのサーボモータＭ２と、医療器具４を並進移動させるためのサーボモータＭ３と、エンコーダＥ２およびエンコーダＥ３と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ２およびエンコーダＥ３は、それぞれ、サーボモータＭ２およびサーボモータＭ３の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ２およびサーボモータＭ３の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

また、ポジショナ４０には、ポジショナ４０の複数の関節部４３に対応するように、複数のサーボモータＭ４と、エンコーダＥ４と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ４は、サーボモータＭ４の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ４の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

また、医療用台車３には、医療用台車３の複数の前輪（図示せず）の各々を駆動するサーボモータＭ５と、エンコーダＥ５と、減速機（図示せず）とが設けられている。エンコーダＥ５は、サーボモータＭ５の回転角を検出するように構成されている。減速機は、サーボモータＭ５の回転を減速させてトルクを増大させるように構成されている。

医療用台車３の制御部３１は、指令に基づいて複数のアーム６０の移動を制御するアーム制御部３１ａと、指令に基づいてポジショナ４０の移動および医療用台車３の前輪（図示せず）の駆動を制御するポジショナ制御部３１ｂとを含む。アーム制御部３１ａには、アーム６０を駆動するためのサーボモータＭ１を制御するためのサーボ制御部Ｃ１が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ１には、サーボモータＭ１の回転角を検出するためのエンコーダＥ１が電気的に接続されている。

また、アーム制御部３１ａには、医療器具４を駆動するためのサーボモータＭ２を制御するためのサーボ制御部Ｃ２が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ２には、サーボモータＭ２の回転角を検出するためのエンコーダＥ２が電気的に接続されている。また、アーム制御部３１ａには、並進移動機構部７０を並進移動するためのサーボモータＭ３を制御するためのサーボ制御部Ｃ３が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ３には、サーボモータＭ３の回転角を検出するためのエンコーダＥ３が電気的に接続されている。

そして、遠隔操作装置２に入力された動作指令が、アーム制御部３１ａに入力される。アーム制御部３１ａは、入力された動作指令と、エンコーダＥ１（Ｅ２、Ｅ３）により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１（Ｃ２、Ｃ２）に出力する。サーボ制御部Ｃ１（Ｃ２、Ｃ３）は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１（Ｅ２、Ｅ３）により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１（Ｍ２、Ｍ３）に出力する。これにより、遠隔操作装置２に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。

具体的には、本実施形態では、図１１に示すように、制御部３１は、遠隔操作装置２の操作用マニピュレータアーム２１に受け付けられた操作（入力位置指令値ｘ_ｒ）に基づいて、医療器具４を動作させる際の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を算出し、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２に基づいて医療器具４の動作を制御する。そして、制御部３１は、速度指令値ｑ_ｒ１（後述する補正指令値ｄｑ_ｒ’が０でない場合は、補正指令値ｄｑ_ｒ’が加算された速度指令値ｑ_ｒ３）を速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限し、加速度指令値ｑ_ｒ２（後述する（ｑ_ｌｉｍ１－ｑ_１）が０でない場合には、ｑ_ｒ２＋（ｑ_ｌｉｍ１－ｑ_１）×Ｋ_ｖｐ）を加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限する。

詳細には、制御部３１は、遠隔操作装置２の操作用マニピュレータアーム２１が受け付けた操作（入力位置指令値ｘ_ｒ）に対して、逆運動学による変換（逆変換）を行うことにより、動作指令値ｑ_ｒを算出するとともに、動作指令値ｑ_ｒを微分することにより速度指令値ｑ_ｒ１を算出する。そして、制御部３１は、速度指令値ｑ_ｒ１（具体的には、補正指令値ｄｑ_ｒ’が加算された速度指令値ｑ_ｒ３）を速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限する。なお、速度制限値ｌｉｍ_１は、たとえば、サーボモータＭ１の仕様によって予め定められている。

さらに制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限された速度指令値ｑ_ｌｉｍ１を微分することにより、加速度指令値ｑ_ｒ２を算出する。また、制御部３１は、後述する速度指令値ｑ_１をフィードバックして、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限された速度指令値ｑ_ｌｉｍ１から減算する。また、制御部３１は、減算した値（ｑ_ｌｉｍ１－ｑ_１）にゲインＫ_ｖｐを乗算し、乗算後の値（（ｑ_ｌｉｍ１－ｑ_１）×Ｋ_ｖｐ）を、加速度指令値ｑ_ｒ２に加算する。そして、制御部３１は、加算後の値（ｑ_ｒ２＋（ｑ_ｌｉｍ１－ｑ_１）×Ｋ_ｖｐ）を、加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限する。

そして、制御部３１は、加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限された加速度指令値ｑ_ｌｉｍ２を積分して、速度指令値ｑ_１を算出する。さらに、制御部３１は、速度指令値ｑ_１を積分して、動作指令値ｑを算出する。

なお、上記の制御部３１の制御は、アーム６０の軸毎に行われる。

また、本実施形態では、制御部３１は、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を、複数の関節部６４の軸毎に算出する。そして、制御部３１は、複数の関節部６４の軸のうち、最も制限される量の大きい軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２に基づいて、他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を制限する。

具体的には、本実施形態では、制御部３１は、複数の関節部６４の軸毎に算出された速度指令値ｑ_ｒ１のうち、速度制限値ｌｉｍ_１に対して速度超過率が最も大きい軸の速度超過率により、他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１を除算して、他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１を制限する。詳細には、下記の数式１に基づいて、最大の速度超過率α_１を算出する。
ここで、ｑ_ｒ１ｉは、制限される前の軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１を表している。なお、アーム６０の軸の数は、アーム部６１の軸と並進移動機構部７０の軸（直動軸および鉗子軸）とを含めて１２である。この場合、ｉは、１～１２のいずれかの値である。また、ｌｉｍ_１ｉは、軸毎の速度制限値である。また、速度超過率α_１は、１以上の値となる。軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１ｉのいずれもが速度制限値ｌｉｍ_１ｉを超えていない場合、速度超過率α_１は、１となる。なお、アーム部６１の軸および並進移動機構部７０の直動軸のみを考慮して、上記のｉを８としてもよい。

そして、下記の数式２によって、制限された速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１ｉ}を算出する。

また、本実施形態では、複数の関節部６４の軸毎に算出された加速度指令値ｑ_ｒ２のうち、加速度制限値ｌｉｍ_２に対して加速度超過率が最も大きい軸の加速度超過率により、他の軸の加速度指令値ｑ_ｒ２を除算して、他の軸の加速度指令値ｑ_ｒ２を制限する。詳細には、下記の数式３に基づいて、最大の加速度超過率α_２を算出する。
ここで、ｑ_ｒ２ｉは、制限される前の軸毎の加速度指令値ｑ_ｒ２を表している。また、ｌｉｍ_２ｉは、軸毎の加速度制限値である。また、加速度超過率α_２は、１以上の値となる。軸毎の加速度指令値ｑ_ｒ２ｉのいずれもが加速度制限値ｌｉｍ_２ｉを超えていない場合、加速度超過率α_２は、１となる。

そして、下記の数式４によって、制限された加速度指令値ｑ_{ｌｉｍ２ｉ}を算出する。

次に、図１２および図１３を参照して、速度指令値ｑ_ｒ１の制限のイメージについて説明する。なお、加速度指令値ｑ_ｒ２の制限のイメージも同様である。

図１２は、比較例による速度指令値ｑ_ｒ１の制限を示すイメージ図であり、一例として、アーム部６１の２つの軸（Ｊ１軸およびＪ２軸）の速度指令値の制限のイメージを示している。具体的には、図１２は、Ｊ１軸の制限される前の速度指令値ｑ_ｒ１１（細い点線）と、Ｊ１軸の制限された後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１１}（細い実線）と、Ｊ２軸の制限される前の速度指令値ｑ_ｒ１２（太い点線）と、Ｊ２軸の制限された後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１２}（太い実線）とを表している。また、Ｊ１軸の速度制限値を、ｌｉｍ_１１とし、Ｊ２軸の速度制限値を、ｌｉｍ_１２としている。図１２に示すように、Ｊ１軸の速度指令値ｑ_ｒ１１が、速度制限値ｌｉｍ_１１の範囲内（－ｌｉｍ_１１以上ｌｉｍ_１１以下）となるように制限されている。また、Ｊ２軸の速度指令値ｑ_ｒ１２が、速度制限値ｌｉｍ_１２の範囲内（－ｌｉｍ_１２以上ｌｉｍ_１２以下）となるように制限されている。このように、各軸において速度指令値ｑ_ｒ１１およびｑ_ｒ１２を個別に制限すると、制限後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１１}と速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１２}とは、制限前の速度指令値ｑ_ｒ１１と制限前の速度指令値ｑ_ｒ１２との間の一定の関係が崩れてしまう。

たとえば、制限前の速度指令値ｑ_ｒ１１および速度指令値ｑ_ｒ１２が、各々、１０および８という値であるとする。速度制限値ｌｉｍ_１１および速度制限値ｌｉｍ_１２が、２であるとすると、制限後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１１}および速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１２}は、共に、２となる。すなわち、制限前の速度指令値ｑ_ｒ１１と速度指令値ｑ_ｒ１２との比が、１０：８であるのに対して、制限後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１１}と速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１２}との比は、２：２となる。このため、ピボット位置ＰＰがずれてしまうという不都合がある。

図１３は、本実施形態による速度指令値ｑ_ｒ１の制限を示すイメージ図である。図１３では、上記の数式１および数式２に基づいて、Ｊ１軸の速度指令値ｑ_ｒ１１およびＪ２軸の速度指令値ｑ_ｒ１２が制限されている。たとえば、期間ｔ１においては、Ｊ１軸の速度指令値ｑ_ｒ１１の速度超過率が大きくなり、Ｊ１軸の速度超過率により、Ｊ２軸の速度指令値ｑ_ｒ１２が除算されることにより制限されている。これにより、制限後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１２}が、図１２に示すような一定値ではなく、徐々に低下するように滑らかに変化する。たとえば、期間ｔ２においては、Ｊ２軸の速度指令値ｑ_ｒ１２の速度超過率が大きくなり、Ｊ２軸の速度超過率により、Ｊ１軸の速度指令値ｑ_ｒ１１が除算されることにより制限されている。これにより、制限後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１１}が、図１２に示すような一定値ではなく、徐々に低下するように滑らかに変化する。このように、上記の数式１および数式２に基づいて、各軸において速度指令値ｑ_ｒ１１およびｑ_ｒ１２を制限すると、制限前の速度指令値ｑ_ｒ１１と速度指令値ｑ_ｒ１２との間の一定の関係が維持される。

たとえば、制限前の速度指令値ｑ_ｒ１１および速度指令値ｑ_ｒ１２が、各々、１０および８という値であるとする。速度制限値ｌｉｍ_１１および速度制限値ｌｉｍ_１２が２であるとすると、Ｊ１軸の速度超過率が５（＝１０／２）であり、Ｊ１軸の速度超過率が４（＝８／２）であり、上記の数式１に基づいて、α_１は、５となる。そして、上記の数式に２に基づいて、制限後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１１}と制限後の速度指令値ｑ_{ｌｉｍ１２}との比は、２：８／５となり、制限前の比（１０：８）が維持される。これにより、ピボット位置ＰＰのずれが抑制される。

また、本実施形態では、図１１に示すように、制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限された速度指令値ｑ_ｌｉｍ１および加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限された加速度指令値ｑ_ｌｉｍ２に基づく動作指令値ｑを算出する。そして、制御部３１は、算出した動作指令値ｑに基づいて、医療器具４の回転移動の支点となるピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑ_ｒ’を算出する。

具体的には、本実施形態では、操作用マニピュレータアーム２１は、医療器具４に対する入力位置指令値ｘ_ｒを受け付ける。制御部３１は、算出された動作指令値ｑをフィードバックする。そして、制御部３１は、フィードバックされた動作指令値ｑに対して順運動学による変換（順変換）を行って、順運動学変換後指令値ｘを算出する。また、制御部３１は、入力位置指令値ｘ_ｒおよび順運動学変換後指令値ｘを用いて計算したｘ_ｒ’に対して逆運動学による変換（逆変換）を行うことにより、逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’を算出する。そして、制御部３１は、動作指令値ｑおよび逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’に基づいて、ピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑ_ｒ’を算出する。

詳細には、制御部３１は、下記の数式５に基づいて、逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’を算出する。
ここで、ｘは、鉗子４ｂ先端の現在の位置である。βはゲインである。ｆ^－１は、逆運動学による変換を意味する。

そして、制御部３１は、逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’から動作指令値ｑを減算する。また、減算後の値にゲインＫ_ｐを乗算することにより、ピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑ_ｒ’を算出する。

そして、本実施形態では、制御部３１は、補正指令値ｄｑ_ｒ’を、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限する前の速度指令値ｑ_ｒ１に加算する。

また、本実施形態では、制御部３１は、算出した速度指令値ｑ_ｒ１に対してフィードフォワード制御のゲインＫ_Ｆを乗算する。そして、制御部３１は、医療器具４の移動の目標となる位置の値である目標値と、医療器具４の現在位置の値である現在値との差（距離Ｌ）に基づいて、速度指令値ｑ_ｒ１に対するフィードフォワード制御の寄与に対してフィードバック制御の寄与を大きくするように、フィードフォワード制御のゲインＫ_Ｆを設定する。なお、目標値と現在値との間の距離Ｌは、たとえば、医療器具４の根元側（アーム部６１の先端側）の目標となる位置の値と現在の位置の値との間の距離Ｌである。なお、距離Ｌとして、目標となる軸値と現在の軸値との距離を適用してもよい。

具体的には、本実施形態では、図１４に示すように、ゲインＫ_Ｆは、目標値と現在値との差（距離Ｌ、図１５参照）が大きくなるにしたがって線形的に小さくなる。たとえば、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が、Ｌ１未満の場合は、ゲインＫ_Ｆは、１とされる。また、距離Ｌが、Ｌ２を超える場合、ゲインＫ_Ｆは、Ｋ（１よりも小さい値）とされる。また、距離Ｌが、Ｌ１以上Ｌ２以下の場合、ゲインＫ_Ｆは、距離Ｌに応じて、Ｋと１との間で線形補間される。

ここで、図１６に示すように、医療器具４の目標となる位置の値である目標値（ｔ）から、フィードフォワード制御による目標値（ｔ＋１）までの移動において、ピボット位置ＰＰのずれは発生しない。なお、ｔおよびｔ＋１は、時間を表す。一方、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を制限することにより、入力位置指令値ｘ_ｒ対してｘの遅れが発生する。このため、現在の位置（現在値（ｔ））において、フィードフォワード制御により各軸を同じ量ずつ動作させると、ピボット位置ＰＰのずれが発生する。そこで、距離Ｌの大きさに応じてフィードフォワード制御のゲインＫ_Ｆを小さくし、フィードフォワード制御の寄与を小さくすることにより、ピボット位置ＰＰのずれが抑制される。

また、図１０に示すように、制御部３１（アーム制御部３１ａ）は、操作部８０のジョイスティック８２からの入力信号に基づいてアーム６０を操作するように構成されている。具体的には、アーム制御部３１ａは、ジョイスティック８２から入力された入力信号（動作指令）と、エンコーダＥ１により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１に出力する。サーボ制御部Ｃ１は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１に出力する。これにより、ジョイスティック８２に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。

制御部３１（アーム制御部３１ａ）は、操作部８０のスイッチ部８３からの入力信号に基づいてアーム６０を操作するように構成されている。具体的には、アーム制御部３１ａは、スイッチ部８３から入力された入力信号（動作指令）と、エンコーダＥ１またはＥ３により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ１またはＣ３に出力する。サーボ制御部Ｃ１またはＣ３は、アーム制御部３１ａから入力された位置指令と、エンコーダＥ１またはＥ３により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ１またはＭ３に出力する。これにより、スイッチ部８３に入力された動作指令に沿うように、アーム６０が移動される。

また、図１０に示すように、ポジショナ制御部３１ｂには、ポジショナ４０を移動するサーボモータＭ４を制御するためのサーボ制御部Ｃ４が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ４には、サーボモータＭ４の回転角を検出するためのエンコーダＥ４が電気的に接続されている。また、ポジショナ制御部３１ｂには、医療用台車３の前輪（図示せず）を駆動するサーボモータＭ５を制御するためのサーボ制御部Ｃ５が電気的に接続されている。また、サーボ制御部Ｃ５には、サーボモータＭ５の回転角を検出するためのエンコーダＥ５が電気的に接続されている。

また、入力装置３３から準備位置の設定などに関する動作指令が、ポジショナ制御部３１ｂに入力される。ポジショナ制御部３１ｂは、入力装置３３から入力された動作指令と、エンコーダＥ４により検出された回転角とに基づいて位置指令を生成するとともに、位置指令をサーボ制御部Ｃ４に出力する。サーボ制御部Ｃ４は、ポジショナ制御部３１ｂから入力された位置指令と、エンコーダＥ４により検出された回転角とに基づいて、トルク指令を生成するとともに、トルク指令をサーボモータＭ４に出力する。これにより、入力装置３３に入力された動作指令に沿うように、ポジショナ４０が移動される。同様に、入力装置３３からの動作指令に基づいて、ポジショナ制御部３１ｂは、医療用台車３を移動させる。

（外科手術システムの制御方法）
次に、図１７を参照して、外科手術システム１００の制御方法について説明する。

まず、ステップＳ１において、制御部３１は、医療器具４に対する操作を受け付ける。

次に、ステップＳ２において、制御部３１は、受け付けた操作に基づいて、医療器具４を動作させる際の速度指令値ｑ_ｒ１を算出する。

次に、ステップＳ３において、制御部３１は、算出した速度指令値ｑ_ｒ１に対してフィードフォワード制御のゲインＫ_Ｆを乗算する。

次に、ステップＳ４において、制御部３１は、フィードフォワード制御のゲインＫ_Ｆが乗算された速度指令値ｑ_ｒ１を速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限する。

次に、ステップＳ５において、制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限された速度指令値ｑ_ｌｉｍ１を微分することにより加速度指令値ｑ_ｒ２を算出するとともに、加速度指令値ｑ_ｒ２を加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限する。

次に、ステップＳ６において、制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限された速度指令値ｑ_ｌｉｍ１と加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限された加速度指令値ｑ_ｌｉｍ２に基づく動作指令値ｑを算出するとともに、動作指令値ｑに基づいて医療器具４の動作を制御する。

次に、ステップＳ７において、制御部３１は、算出した動作指令値ｑをフィードバックする。そして、制御部３１は、フィードバックした動作指令値ｑと、入力位置指令値ｘ_ｒとに基づいて、ピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑ_ｒ’を算出する。制御部３１は、算出された補正指令値ｄｑ_ｒ’を、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限される前の速度指令値ｑ_ｒ１に加算する。

上記のステップＳ１～Ｓ７の動作は、アーム６０の動作中、常に行われるとともに、複数のアーム６０毎に行なわれる。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

（手術支援ロボット、医療用マニピュレータの効果）
本実施形態では、上記のように、制御部３１は、速度指令値ｑ_ｒ１を速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限し、加速度指令値ｑ_ｒ２を加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限する。これにより、操作用マニピュレータアーム２１が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２の両方が制限されるので、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アーム６０の関節部６４に設けられるサーボモータＭ１が過度に高速に回転するのが抑制されるので、アーム６０の関節部６４を構成するサーボモータＭ１などの部品を保護することができる。また、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアーム６０の振動を抑制することができる。これらの結果、アーム６０の関節部６４を構成する部品を保護するとともに、アーム６０の振動を抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、アーム６０は、複数の関節部６４を有し、制御部３１は、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を、複数の関節部６４の軸毎に算出し、複数の関節部６４の軸のうち、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２の制限される量が最も大きい軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２の制限率に基づいて、他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を制限する。ここで、外科手術システム１００では、医療器具４の回転移動の支点となるピボット位置ＰＰが設定されており、軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２は、ピボット位置ＰＰをずらさないように設定される。つまり、軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１同士が一定の関係を維持し、軸毎の加速度指令値ｑ_ｒ２同士が一定の関係を維持する。しかしながら、複数の関節部６４の軸毎に速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を制限した場合、軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１同士の一定の関係、および、軸毎の加速度指令値ｑ_ｒ２の一定の関係が崩れてしまう。そこで、上記のように、制限される量が最も大きい軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２の制限率に基づいて、他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を制限することによって、軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１同士の一定の関係、および、軸毎の加速度指令値ｑ_ｒ２の一定の関係が崩れるのが抑制されるので、アーム６０の関節部６４を構成する部品の保護およびアーム６０の振動の抑制を図りながら、ピボット位置ＰＰがずれるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、複数の関節部６４の軸毎に算出された速度指令値ｑ_ｒ１のうち、速度制限値ｌｉｍ_１に対して速度超過率α_１が最も大きい軸の速度超過率α_１により、他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１を除算して、他の軸の軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１を制限し、複数の関節部６４の軸毎に算出された加速度指令値ｑ_ｒ２のうち、加速度制限値ｌｉｍ_２に対して加速度超過率α_２が最も大きい軸の加速度超過率α_２により、他の軸の加速度指令値ｑ_ｒ２を除算して、他の軸の加速度指令値ｑ_ｒ２を制限する。これにより、速度超過率α_１が最も大きい軸の速度超過率α_１により、他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１が除算されるので、軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１同士の一定の関係を維持しながら、軸毎の速度指令値ｑ_ｒ１を制限することができる。また、加速度制限値ｌｉｍ_２に対して加速度超過率α_２が最も大きい軸の加速度超過率α_２により、他の軸の加速度指令値ｑ_ｒ２が除算されるので、軸毎の加速度指令値ｑ_ｒ２同士の一定の関係を維持しながら、軸毎の加速度指令値ｑ_ｒ２を制限することができる。

また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限された速度指令値ｑ_ｌｉｍ１および加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限された加速度指令値ｑ_ｌｉｍ２に基づく動作指令値ｑを算出し、算出した動作指令値ｑに基づいて、医療器具４の回転移動の支点となるピボット位置ＰＰのずれを補正する補正指令値ｄｑ_ｒ’を算出する。これにより、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２が制限されたことに起因して、ピボット位置ＰＰがずれた場合でも、各軸単位での補正指令値ｄｑ_ｒ’により動作指令値ｑが補正されることにより、各軸単位でピボット位置ＰＰのずれを補正することができる。

また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、補正指令値ｄｑ_ｒ’を、速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限する前の速度指令値ｑ_ｒ１に加算する。これにより、ピボット位置ＰＰのずれを考慮した状態で、速度指令値ｑ_ｒ１を制限することができる。

また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、算出した動作指令値ｑをフィードバックし、フィードバックされた動作指令値ｑ（具体的には、動作指令値ｑに基づくｘ_r’）に対して逆運動学による変換を行うことにより、逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’を算出し、逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’に基づいて、補正指令値ｄｑ_ｒ’を算出する。これにより、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２が制限されたことに起因して、医療器具４の位置が目標となる位置からずれた場合でも、算出した動作指令値ｑをフィードバックすることにより、医療器具４の位置ずれを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、操作用マニピュレータアーム２１は、医療器具４に対する入力位置指令値ｘ_ｒを受け付け、制御部３１は、算出した動作指令値ｑをフィードバックし、フィードバックされた動作指令値ｑに対して順運動学による変換を行って、順運動学変換後指令値ｘを算出し、入力位置指令値ｘ_ｒおよび順運動学変換後指令値ｘに対して逆運動学による変換を行うことにより、逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’を算出し、動作指令値ｑおよび逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’に基づいて、補正指令値ｄｑ_ｒ’を算出する。これにより、アーム６０の関節部６４の変位を表す動作指令値ｑが、順運動学による変換により、アーム６０（医療器具４）の位置に変換されるので、アーム６０の位置に対応する入力位置指令値ｘ_ｒと、アーム６０の位置に変換された動作指令値ｑとに基づいて、入力位置指令値ｘ_ｒと動作指令値ｑとの差異に基づくフィードバック制御を行うことができる。また、動作指令値ｑと逆運動学変換後指令値ｑ_ｒ’との両方に基づいて、補正指令値ｄｑ_ｒ’を算出することにより、ピボット位置ＰＰのずれをより抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、制御部３１は、算出した速度指令値ｑ_ｒ１に対してフィードフォワード制御のゲインＫ_Ｆを乗算し、医療器具４の移動の目標となる位置の値である目標値と、医療器具４の現在位置の値である現在値との差（距離Ｌ）に基づいて、速度指令値ｑ_ｒ１に対するフィードフォワード制御の寄与に対してフィードバック制御の寄与を大きくするように、フィードフォワード制御のゲインＫ_Ｆを設定する。ここで、医療器具４の移動の目標となる位置におけるフィードフォワード制御によるピボット位置ＰＰのずれは発生しない一方、目標値と現在値とが離間している場合、現在の位置におけるフィードフォワード制御によってピボット位置ＰＰのずれが発生する。そこで、上記のように、速度指令値ｑ_ｒ１に対するフィードフォワード制御の寄与に対してフィードバック制御の寄与を大きくするように、フィードフォワード制御のゲインＫ_Ｆを設定することによって、フィードフォワード制御よりもフィードバック制御の寄与が大きくなるので、医療器具４の位置ずれを抑制することができる。これにより、ピボット位置ＰＰのずれをさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ゲインＫ_Ｆは、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなるにしたがって小さくなる。ここで、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなるにしたがって、ピボット位置ＰＰのずれが大きくなる。そこで、上記のように目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなるにしたがってゲインＫ_Ｆを小さくすることにより、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなった場合でも、ピボット位置ＰＰのずれを効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ゲインＫ_Ｆは、目標値と現在値との差（距離Ｌ）が大きくなるにしたがって線形的に小さくなる。

（外科手術システムの制御方法の効果）
本実施形態では、上記のように、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２に基づいて医療器具４の動作を制御するステップは、速度指令値ｑ_ｒ１を速度制限値ｌｉｍ_１の範囲内に制限するステップと、加速度指令値ｑ_ｒ２を加速度制限値ｌｉｍ_２の範囲内に制限するステップとを含む。これにより、操作用マニピュレータアーム２１が受け付けた操作量が比較的大きい場合でも、速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２の両方が制限されるので、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制される。このため、アーム６０の関節部６４に設けられるサーボモータＭ１が過度に高速に回転するのが抑制されるので、アーム６０の関節部６４を構成するサーボモータＭ１などの部品を保護することができる。また、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなるのが抑制されるので、アーム６０の単位時間当たりの移動量が大きくなることに起因するアーム６０の振動を抑制することができる。これらの結果、アーム６０の関節部６４を構成する部品を保護するとともに、アーム６０の振動を抑制することが可能な外科手術システム１００の制御部３１を提供することができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、制御部３１が医療用マニピュレータ１に設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、制御部３１が遠隔操作装置２に設けられていてもよい。また、たとえば、制御部３１が医療用マニピュレータ１と遠隔操作装置２とは別に設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、複数の関節部６４の軸のうち、最も制限される量の大きい軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２の制限率に基づいて、他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を制限する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、最も制限される量の大きい軸以外の軸（２番目に大きい制限率の軸など）の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２の制限率に基づいて他の軸の速度指令値ｑ_ｒ１および加速度指令値ｑ_ｒ２を制限してもよい。

また、上記実施形態では、算出した速度指令値ｑ_ｒ１に対してフィードフォワード制御が行われる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、フィードフォワード制御を行わないように構成してもよい。

また、上記実施形態では、フィードフォワード制御のゲインが線形的に小さくなる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、フィードフォワード制御のゲインが指数関数的に小さくなるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、アーム６０が４つ設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、アーム６０の数は、少なくとも１つ以上設けられていれば他の任意の数であってもよい。

また、上記実施形態では、アーム部６１およびポジショナ４０が７軸多関節ロボットから構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、アーム部６１およびポジショナ４０が７軸多関節ロボット以外の軸構成（例えば、６軸や８軸）の多関節ロボットなどから構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、医療用マニピュレータ１が、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０とを備えている例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、医療用台車３と、ポジショナ４０と、アームベース５０は必ずしも必要なく、医療用マニピュレータ１が、アーム６０だけで構成されてもよい。

本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、従来の回路、および／または、それらの組み合わせ、を含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウェアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウェアである。ハードウェアは、本明細書に開示されているハードウェアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウェアであってもよい。ハードウェアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、またはユニットはハードウェアとソフトウェアの組み合わせであり、ソフトウェアはハードウェアおよび/またはプロセッサの構成に使用される。

１ 医療用マニピュレータ（患者側装置）
２ 遠隔操作装置（操作者側装置）
４ 医療器具
２１ 操作用マニピュレータアーム（操作部）
３１ 制御部（制御装置）
６０ アーム
６４ 関節部
１００ 外科手術システム（手術支援システム）
ｄｑ_ｒ’ 補正指令値
Ｋ_Ｆ フィードフォワード制御のゲイン
ｌｉｍ_１ 速度制限値
ｌｉｍ_２ 加速度制限値
ｑ 動作指令値
ｑ_ｒ１ 速度指令値
ｑ_ｒ２ 加速度指令値
ｑ_ｒ’ 逆運動学変換後指令値
ＰＰ ピボット位置
ｘ 順運動学変換後指令値
ｘ_ｒ 入力位置指令値
α_１ 速度超過率
α_２ 加速度超過率

Claims (10)

1. 手術支援システムであって、
   先端側に医療器具が取り付けられ複数の関節部を有するアームを含む患者側装置と、
   前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、
   受け付けられた前記操作に基づいて、前記医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて前記医療器具の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   制限前の前記速度指令値を前記複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の前記速度指令値同士の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の前記速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、
   制限前の前記加速度指令値を前記複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の前記加速度指令値の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の前記加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する、手術支援システム。
2. 請求項１に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、
   算出された制限前の軸毎の前記速度指令値を軸毎の前記速度制限値で除算した軸毎の速度超過率のうち、最も大きい前記速度超過率により、各軸の前記速度指令値を除算して、各軸の前記速度指令値を制限し、
   算出された制限前の軸毎の前記加速度指令値を軸毎の前記加速度制限値で除算した軸毎の加速度超過率のうち、最も大きい前記加速度超過率により、各軸の前記加速度指令値を除算して、各軸の前記加速度指令値を制限する、手術支援システム。
3. 請求項１または２に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、
   前記速度制限値の範囲内に制限された前記速度指令値および前記加速度制限値の範囲内に制限された前記加速度指令値に基づく動作指令値を算出し、
   算出した前記動作指令値に基づいて、前記医療器具の回転移動の支点となるピボット位置のずれを補正する補正指令値を算出する、手術支援システム。
4. 請求項３に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、前記補正指令値を、前記速度制限値の範囲内に制限する前の前記速度指令値に加算する、手術支援システム。
5. 請求項３または請求項４に記載の手術支援システムであって、
   前記操作部は、前記医療器具に対する入力位置指令値を受け付け、
   前記制御部は、
   算出された前記動作指令値をフィードバックし、
   フィードバックされた前記動作指令値に対して順運動学による変換を行って、順運動学変換後指令値を算出し、
   前記入力位置指令値および前記順運動学変換後指令値に対して逆運動学による変換を行うことにより、逆運動学変換後指令値を算出し、
   前記動作指令値および前記逆運動学変換後指令値に基づいて、前記補正指令値を算出する、手術支援システム。
6. 請求項５に記載の手術支援システムであって、
   前記制御部は、
   算出した前記速度指令値に対してフィードフォワード制御のゲインを乗算し、
   前記医療器具の移動の目標となる位置の値である目標値と、前記医療器具の現在位置の値である現在値との差に基づいて、前記速度指令値に対する前記フィードフォワード制御の寄与に対してフィードバック制御の寄与を大きくするように、前記フィードフォワード制御のゲインを設定する、手術支援システム。
7. 請求項６に記載の手術支援システムであって、
   前記ゲインは、前記目標値と前記現在値との差が大きくなるにしたがって小さくなる、手術支援システム。
8. 請求項７に記載の手術支援システムであって、
   前記ゲインは、前記目標値と前記現在値との差が大きくなるにしたがって線形的に小さくなる、手術支援システム。
9. 先端側に医療器具が取り付けられる複数の関節部を有するアームを含む患者側装置と、前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、を備える手術支援システムの制御装置であって、
   受け付けられた前記操作に基づいて、前記医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて前記医療器具の動作を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   制限前の前記速度指令値を前記複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の前記速度指令値同士の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の前記速度指令値を速度制限値の範囲内に制限し、
   制限前の前記加速度指令値を前記複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の前記加速度指令値の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の前記加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限する、手術支援システムの制御装置。
10. 先端側に医療器具が取り付けられ複数の関節部を有するアームを含む患者側装置と、前記医療器具に対する操作を受け付ける操作部を含む操作者側装置と、制御部と、を備える手術支援システムの制御方法であって、
    前記操作部が、前記医療器具に対する操作を受け付けるステップと、
    前記制御部が、受け付けられた前記操作に基づいて、前記医療器具を動作させる際の速度指令値および加速度指令値を算出し、前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて前記医療器具の動作を制御するステップと、
    を備え、
    前記制御部が、前記速度指令値および前記加速度指令値に基づいて前記医療器具の動作を制御するステップは、
    前記制御部が、制限前の前記速度指令値を前記複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の前記速度指令値同士の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、軸毎の前記速度指令値を速度制限値の範囲内に制限するステップと、
    前記制御部が、制限前の前記加速度指令値を前記複数の関節部の軸毎に算出し、軸毎の前記加速度指令値の一定の関係が崩れるのが抑制されるように、前記加速度指令値を加速度制限値の範囲内に制限するステップと、
    を含む、手術支援システムの制御方法。