JPH07194609A - 医療用マスタースレーブ式マニピュレータ - Google Patents

医療用マスタースレーブ式マニピュレータ

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JPH07194609A
JPH07194609A JP5354039A JP35403993A JPH07194609A JP H07194609 A JPH07194609 A JP H07194609A JP 5354039 A JP5354039 A JP 5354039A JP 35403993 A JP35403993 A JP 35403993A JP H07194609 A JPH07194609 A JP H07194609A
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達也 山口
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康弘 植田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】マスタースレーブ方式で体腔内外科手術等を行
う際に、操作者の自由度が増し、目的部位を正確に、か
つ迅速に治療できる医療用マスタースレーブ式マニピュ
レータを提供することにある。 【構成】生体の体腔内に挿入し、診断・処置等を行う第
1および第2の多関節スレーブアーム3,4と、このス
レーブアーム3,4を駆動制御する制御装置15とを設
けるとともに、前記制御装置15に操作指令信号を入力
することにより前記スレーブアーム3,4を遠隔制御す
る携帯型アーム操作部5を設け、この携帯型アーム操作
部5を操作者6が携帯しながら遠隔制御できるように構
成したことにある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば生体の体腔内に
挿入し、診断・処置等を行うスレーブアームを備え、こ
のスレーブアームを駆動制御する医療用マスタースレー
ブ式マニピュレータに関する。
【0002】
【従来の技術】腹壁等の体壁に穴を開け、この穴を通じ
て内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することによ
り体腔内で様々な処置を行なう内視鏡下手術が従来から
行なわれており、こうした術式は大きな切開を要しない
低侵襲なものとして胆のう摘出手術や肺の一部を摘出除
去する手術等で広く行なわれている。
【0003】また、内視鏡や処置具を搭載し、遠隔操作
により作動して、前記内視鏡や処置具を用いた手術を術
者に代わって行なう手術用マニピュレータが例えば米国
特許第5217003号に開示されている。こうした手
術用マニピュレータは、通常、内視鏡や処置具を備える
挿入部が多関節構造となっており、各関節をアクチュエ
ータにより動作させることで、体腔内における目的部位
に対するアプローチを容易ならしめている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した内
視鏡下手術にあっては、体壁に開けた穴から体腔内に挿
入される内視鏡や処置具が体腔内の極力広い範囲で動作
できることが望まれる。しかしながら、術者が片手で操
作できる内視鏡や処置具は自由度の少ない直線形状のも
のであり、内視鏡や処置具が目的の位置に届いたとして
も所望のオリエンテーションで処置または観察を行なう
ことが困難であった。例えば、縫合の際に処置具で針を
持って臓器等に針をかけようとする場合に、縫合線に対
し直角に針をかけるのが望ましいが、処置具の自由度不
足が原因で困難な場合があった。
【0005】こうした問題は、自由度の大きい多関節構
造の挿入部を備えた前述の手術用マニピュレータを用い
ることで解消されるが、この場合、目的の位置でかつ所
望のオリエンテーションで作業を行なうために多関節構
造の挿入部を動作させると、関節部が目的とする以外の
臓器に接触して無理な力を与える可能性があった。
【0006】また、マスタースレーブ方式ではマニピュ
レータの位置決めを行う際に、通常マスターアームとス
レーブアームが独立な場所で動作させるのに利用され
る。例えば、極限作業ロボットの遠隔操作の際に、人間
が入ることのできない場所あるいは人間が入ってはいけ
ない場所でのロボット遠隔操作として利用されている。
しかし、前記装置を医療用に利用したとした場合、操作
部が固定されているので、手術室内での術者の動作範囲
が限られてしまうことがあった。
【0007】本発明は前記事情に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、マスタースレーブ方
式で体腔内外科手術等を行う際に、操作者の自由度が増
し、目的部位を正確に、かつ迅速に治療できる医療用マ
スタースレーブ式マニピュレータを提供することにあ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、スレーブアームと、このスレーブアームを
駆動制御する制御装置と、操作者が携帯し、前記制御装
置に指令信号を入力することにより前記スレーブアーム
を遠隔制御する携帯型アーム操作部とを具備したことに
ある。
【0009】
【作用】操作者が携帯型アーム操作部を携帯しながら操
作して制御装置に指令信号を入力すると、制御装置はス
レーブアームを駆動制御して診断・処置等を行うことが
できる。
【0010】
【実施例】以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説
明する。
【0011】図1〜図3は第1の実施例を示す。図1は
医療用マスタースレーブ式マニピュレータの全体構成を
示し、1は手術台で、2は患者である。手術台1の両側
部に位置する床面には患者2の体腔内に挿入して処置す
ることが可能な第1と第2の多関節スレーブアーム3,
4が設置されている。第1と第2の多関節スレーブアー
ム3,4は、スレーブアーム本体3a,4aに対して処
置具3b,4bが交換可能に設けられている。また、5
は術者等の操作者6が肩に掛けて携帯できる携帯型アー
ム操作部であり、この携帯型アーム操作部5には小型の
第1と第2のマスター操作アーム7,8が設けられてい
る。
【0012】携帯型アーム操作部5は、図2および図3
に示すように、操作テーブル9の上面にはディスプレイ
10が設けられ、このディスプレイ10の近傍に前記第
1と第2のマスター操作アーム7,8が設けられてい
る。操作テーブル9の後端部には操作者6の肩に掛ける
ベルト11の基端が接続され、操作テーブル9の先端部
には前記ベルト11の先端部のフック11aを係止する
ためのリング12が設けられている。したがって、ベル
ト11の先端部のフック11aをリング12に係止する
ことにより、ベルト11にループができ、これを肩に掛
けることにより、操作者が操作テーブル9を携帯し、携
帯しながら第1と第2のマスター操作アーム7,8を操
作できるようになっている。
【0013】第1と第2のマスター操作アーム7,8の
先端部には把持鉗子7a,8aが装備されており、前記
処置具3b,4bの先端部に設けられた把持鉗子(図示
しない)を操作して体腔内で組織を把持する等、術者の
手のような動作を行わせることができる。また、ディス
プレイ10に表示された画像は、操作者6が専用の立体
視メガネ13を掛けることによって立体的に画像が見え
るようになっている。
【0014】また、前記第1と第2の多関節スレーブア
ーム3,4および第1と第2のマスター操作アーム7,
8の各関節には駆動用サーボモータ(図示しない)が配
置されており、これら駆動用モータは信号ケーブル14
a〜14cによって制御装置15に接続されている。
【0015】16は、患者2の体腔内の画像情報を取得
するための内視鏡であり、スコープホルダ17に支持さ
れている。この内視鏡16の挿入部16aは患者2の体
腔内に挿入されており、内視鏡16からの画像情報はケ
ーブル14dを介して携帯型アーム操作部5に装備され
ているディスプレイ10に出力される。
【0016】次に前述のように構成された医療用マスタ
ースレーブ式マニピュレータの作用について説明する。
操作者6が携帯型アーム操作部5を肩に掛け、ディスプ
レイ10を観察しながら第1と第2のマスター操作アー
ム7,8を操作すると、第1と第2のマスター操作アー
ム7,8の動き、つまり制御指令信号は信号ケーブル1
4cを介して制御装置15に入力される。
【0017】制御装置15は前記制御指令信号に基づい
て第1と第2の多関節スレーブアーム3,4の駆動用サ
ーボモータに駆動信号を入力し、第1と第2の多関節ス
レーブアーム3,4を第1と第2のマスター操作アーム
7,8と同じ動きをさせる。第1と第2の多関節スレー
ブアーム3,4で受ける反力を第1および第2のマスタ
ー操作アーム部3,4にフィードバックするバイラテラ
ル制御を行っている。
【0018】このように操作者6が携帯型アーム操作部
5を操作することにより、患者2の体腔内に挿入されて
いる第1と第2の多関節スレーブアーム3,4を遠隔操
作することができる。この手術中、第1と第2の多関節
スレーブアーム3,4に、意図しない動作が起きた場
合、操作者6は常に携帯型アーム操作部5を携帯してい
るので、操作者6が即座に第1および第2の多関節スレ
ーブアーム3,4の配置されている所まで移動して動作
を緊急停止することができる。
【0019】また、従来の固定式マスターアームの場
所、術者が助手に指示し、手術中に必要な医療器具を用
意させていたのが、術者自身が移動可能になることによ
って助手がいなくても対応できる。これによって、従来
の固定式であった医療用マニピュレータに比べて、操作
者の自由度が高く、手術をスムーズに行うことができ
る。
【0020】図4は第2の実施例を示し、第1の実施例
と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。ス
コープホルダ17に支持された内視鏡18には自動湾曲
機構(図示しない)が設けられており、第1または第2
の多関節スレーブアーム3,4の先端部の位置を追従す
るために、制御装置15からの湾曲指令信号によって湾
曲するようになっている。
【0021】また、携帯型アーム操作部5に、操作者位
置検出手段として空間的位置変化を検知するためにXY
Z座標用として3つの加速度センサーが内蔵された加速
度センサーモジュール19が内蔵されている。これによ
って操作者6が移動しても携帯型アーム操作部5の位置
変化が検出できる。
【0022】また、制御装置15は第1の実施例と同様
に、内視鏡18によって得た画像をディスプレイ10に
送ることと、バイラテラルマスタースレーブ動作を行わ
せること等の処理を行うのに加え、加速度センサーモジ
ュール19からの情報で予め決めてある加速度以上にな
ると、第1と第2の多関節スレーブアーム3,4および
第1と第2のマスター操作アーム7,8の両方の動作が
停止するように制御する。
【0023】すなわち、まず、第1および第2の多関節
スレーブアーム3,4の誤動作を操作者6が発見する。
操作者6は第1および第2の多関節スレーブアーム3,
4を停止するために、第1および第2の多関節スレーブ
アーム3,4に近付こうとする。そのとき、操作者6の
動きを携帯型アーム操作部5内に配置されている加速度
センサーモジュール19が検知するが、緊急の時、操作
者6の動きが通常の術中の動作よりも速いため、予め設
定された加速度センサー入力情報の閾値以上になる。そ
れによって、制御装置15が第1と第2の多関節スレー
ブアーム3,4および第1と第2のマスター操作アーム
7,8の両方ともに停止信号を出力する。そして、それ
でも停止しない場合は、操作者6が第1と第2の多関節
スレーブアーム3,4を直接操作して停止させるように
すればよい。以上のことから、第1と第2の多関節スレ
ーブアーム3,4の一方または両方を操作者6が即座に
直接停止することができ、安全性を向上できる。
【0024】図5は第3の実施例を示し、第1の実施例
と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。こ
の実施例は、携帯型アーム操作部5と制御装置15の間
を無線通信で行うことである。
【0025】携帯型アーム操作部5内には制御回路15
との間で電波送受信を行うための通信回路20が内蔵さ
れており、入出力電波はアンテナ21を介して送受信し
ている。また、携帯型アーム操作部5の第1と第2のマ
スター操作アーム7,8を動かすために必要な動力源と
して図示しないバッテリーも装備されている。
【0026】制御回路15内にも、携帯型アーム操作部
5との間での電波送受信を行うための通信回路22が内
蔵されており、入出力電波は、アンテナ23を介して送
受信している。
【0027】この実施例によれば、操作者6が第1の実
施例と同様の動作を行わせることができる。このとき、
ワイヤレスとなるので、手術室で操作者6が頻繁に移動
する場合があっても、ケーブル14cに操作者6が引っ
掛かったり、つまずいたりする虞はなく、操作時に煩わ
しさが生じることがなく、操作者6が自由な動きをする
ことが可能となり、手術をスムーズに進めることができ
る。
【0028】図6および図7は第4の実施例を示し、ス
レーブアームとマスターアームを一体化した医療用ロボ
ット装置である。31は体腔内に挿入することが可能な
スレーブアームであり、手術室天井32に取り付けられ
ている。スレーブアーム31には複数の関節部33が設
けられ、これら関節部33にはエンコーダ付き関節駆動
用サーボモータ34が内蔵されている。
【0029】関節駆動用サーボモータ34は制御装置1
5からの制御信号によって駆動される。スレーブアーム
31の先端部にはスレーブエンドエフェクタ35が取り
付けられており、このスレーブエンドエフェクタ35の
挿入部36には患者2の体腔内を観察するための画像素
子としてCCD37が設けられている。
【0030】スレーブアーム31の途中には突出部38
が設けられ、この突出部38には操作者6が動作を行わ
せるマスターアーム39が設けられている。マスターア
ーム39には複数の関節部40が設けられ、これら関節
部40にはエンコーダ付き関節駆動用サーボモータ41
が内蔵されている。
【0031】マスターアーム39の先端部にはマスター
エンドエフェクタ42が設けられている。このマスター
エンドエフェスタ42の操作部43には非常時にスレー
ブアーム31の動作をストップさせる非常停止スイッチ
44が設けられている。
【0032】さらに、スレーブエンドエフェクタ35お
よびマスターエンドエフェクタ42の内部にはエンコー
ダ付きサーボモータ(図示しない)が内蔵されている。
これによって操作者6が与える外部力によってマスター
エンドエフェクタ42の内部のサーボモータが回転し、
この回転をスレーブエンドエフェクタ35の内部のサー
ボモータに送り、スレーブエンドエフェクタ35の湾曲
を行わせる。同時に、スレーブエンドエフェクタ35の
湾曲時の反力をスレーブエンドエフェクタ35内部のエ
ンコーダのパルス数を検知することによって、マスター
エンドエフェクタ42のサーボモータにフィードバック
することによって、エンドエフェクタ35,42のバイ
ラテラル制御が行われる。
【0033】スレーブアーム31の動きを制御するため
の制御装置15は、操作者6がマスターアーム39を操
作した時の各アーム内のサーボモータ41のエンコーダ
からのパルス数を検出し、スレーブアーム31に同様な
位置パルスを送ることによって、操作者6のマスターア
ーム39の操作をスレーブアーム31に同様に行わせる
ことができる。同時に、スレーブアーム31で受ける反
力をマスターアーム39にフィードバックするバイラテ
ラル制御で制御される。
【0034】制御装置15は、前記駆動用サーボモータ
の制御の他にスレーブエンドエフェクタ35の先端部に
内蔵されているCCD37からの情報を処理し、天井3
2から吊り下げられたディスプレイホルダ45に取り付
けられたディスプレイ46に体腔内画像として出力する
ことも行っている。
【0035】前述した医療用ロボット装置を使用して、
経皮内視鏡的外科手術において、患者2の体腔内にスレ
ーブエンドエフェクタ35を挿入する。操作者6は、所
望の部位を観察するため、ディスプレイ46の画像情報
を見ながらマスターアーム39を動かしてスレーブアー
ム31の動作を制御する。もし、スレーブアーム31が
操作者6が意図しない動作をしても、非常停止スイッチ
44が設けられているので、スイッチ操作によってスレ
ーブアーム31の意図しない動作を停止することができ
る。
【0036】しかし、この非常停止スイッチ44につい
ても、電気的な信号によりスレーブアーム31の駆動電
源をカットオフしてしまうので、その後のスレーブアー
ム31の動作は、どのように動くかわからなくなる。例
えば、スレーブアーム31の自重で勝手に動いてしまう
ことも考えられる。
【0037】そこで、スレーブアーム31が操作者6の
意図しない動作をした場合、操作者6は、同時にスレー
ブアーム31に手を伸ばしスレーブアーム31を停止さ
せることによってスレーブアーム31の動作を完全に停
止させることが可能となる。このようにスレーブアーム
31の意図しない動作が生じた場合、人為的に即座にス
レーブアーム31を停止することができるようになる。
【0038】図8は第5の実施例を示し、第4の実施例
はスレーブアーム31およびディスプレイ46を手術室
天井32に取り付けたが、この実施例は、手術室の床面
47にスレーブアーム31およびディスプレイ46を設
置したものであり、基本的構成は第4の実施例と同一で
あり、同一構成部分は同一番号を付して説明を省略す
る。
【0039】さらに、手術台1の一側部にはスコープホ
ルダ48によって内視鏡49が支持されており、経皮的
に患者2の体腔内に挿入され、患部を観察している。
【0040】ディスプレイ46には患者体腔内画像情報
が出力され、操作者6は患者体腔内でのスレーブアーム
31の動作状況および処置状況を観察しながらマスター
エンドエフェクタ42を操作できる。
【0041】また、第4の実施例と同様にスレーブアー
ム31が意図しない動作をした場合、操作者6がすぐに
スレーブアーム31を掴むことによって動作を停止する
ことができる。
【0042】図9および図10は手術用マニピュレータ
を示し、このマニピュレータ51の先端部には生検鉗
子、把持鉗子等の鉗子52が設けられ、生体組織に直接
作用して処置を行うことができるようになっている。下
腕53には、鉗子52の開閉操作レバー54が設けられ
ている。
【0043】開閉操作レバー54は一端部が枢支ピン5
4aによって下腕53に回動自在に枢支されており、こ
の他端部は連結ピン54bを介してリンク55に連結さ
れている。リンク55は下腕53の内部をスライド自在
なスライダ56およびロッド57を介して下腕53の先
端部のパンタグラフ58に連結され、このパンタグラフ
58によって鉗子52を開閉させるようになっている。
下腕53の支持部には力覚センサ59が設けられ、下腕
53に作用する力を検出する。力覚センサ59からの信
号は、力覚センサ検出処理回路60で力のベクトルとし
て計算され、マニピュレータ制御装置61に転送され
る。マニピュレータ制御装置61では力のベクトルと同
じ方向をマニピュレータ51を動作するよう制御を行
う。力覚センサ59は下腕53を支持する梁63に歪ゲ
ージ62を複数張り付ける構造をしている。
【0044】したがって、下腕53を操作者が直接持っ
て動かそうとすると、そのときに働く力を力覚センサ5
9が検知し、操作者が動かそうとする方向にマニピュレ
ータ51は動作し、操作者が止めようとすると、マニピ
ュレータ51は動作を停止し、その位置を保持する。前
述のように、鉗子52を開閉操作レバー54は機械的に
結合されているため、鉗子52に受ける力は、開閉操作
レバー54の操作力として指に感じることができる。
【0045】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
携帯型アーム操作部を設け、操作者が携帯して遠隔制御
できるようにしたから、マスタースレーブ方式で体腔内
外科手術等を行う際に、操作者の自由度が増し、目的部
位を正確に、かつ迅速に治療でき、安全性も向上すると
いう効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す医療用マスタース
レーブ式マニピュレータの全体の斜視図。
【図2】同実施例の携帯型アーム操作部の斜視図。
【図3】本発明の携帯型アーム操作部の斜視図。
【図4】本発明の第2の実施例を示す医療用マスタース
レーブ式マニピュレータの全体の斜視図。
【図5】本発明の第3の実施例を示す医療用マスタース
レーブ式マニピュレータの全体の斜視図。
【図6】本発明の第4の実施例を示す医療用マスタース
レーブ式マニピュレータの全体の正面図。
【図7】同実施例のスレーブエンドエフェクタの正面
図。
【図8】本発明の第5の実施例を示す医療用マスタース
レーブ式マニピュレータの全体の正面図。
【図9】手術用マニピュレータの斜視図。
【図10】同じくマニピュレータの下腕の断面図。
【符号の説明】
3,4…スレーブアーム 5…携帯型アーム操作部 15…制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B25J 13/02 (72)発明者 内山 直樹 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 久保田 達也 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 山口 達也 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 植田 康弘 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 竹端 栄 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 工藤 正宏 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 藤澤 豊 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 河合 利昌 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スレーブアームと、このスレーブアーム
    を駆動制御する制御装置と、操作者が携帯し、前記制御
    装置に指令信号を入力することにより前記スレーブアー
    ムを遠隔制御する携帯型アーム操作部とを具備したこと
    を特徴とする医療用マスタースレーブ式マニピュレー
    タ。
JP35403993A 1993-12-29 1993-12-29 医療用マスタースレーブ式マニピュレータ Expired - Fee Related JP3339953B2 (ja)

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