JPH07328016A - 手術用マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、手術用マニピュレータと遠隔操作手
段との相対的な位置関係によって動作方向に関する操作
性が損なわれず、操作者の意図するように遠隔操作状態
に設定可能な手術用マニピュレータシステムを提供する
ことを目的とする。 【構成】本発明は、手術用マニピュレータ及び操作手段
の個々の動作方向を定義する座標系を設定可能とし、手
術用マニピュレータの座標系と、操作手段の座標系との
関係に応じて、両者の少なくとも一方を変更できるよう
にした。前記座標系の設定及び変更により、操作者から
見た手術用マニピュレータと操作手段との動作方向を一
致させることが可能となり、両者の設置の際の相対的位
置関係による操作性の制約が回避される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生体の、例えば体腔内
に挿入したマニピュレータを操作手段によって遠隔的に
操作し、診断・処置等の手術を行う手術用マニピュレー
タシステムに関する。

【０００２】

【従来技術】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、その体腔内での様々な処置を行なう経皮的内視鏡下
手術が、大きな切開を要しない低侵襲なものとして、近
年、注目されている。こうした術式は胆のう摘出手術や
肺の一部を摘出除去する手術等で広く行なわれるように
なってきた。

【０００３】このような手術において、マニピュレータ
に内視鏡や処置具を搭載し、そのマニピュレータによる
内視鏡や処置具を用いた手術を術者に代わって間接的に
行う手術用マニピュレータシステムが、米国特許第５，
２１７，００３号において提案されている。

【０００４】こうした手術用マニピュレータの遠隔操作
では、内視鏡等の観察手段によりモニターに映し出され
た腹腔内の患部の状態を見ながら、操作者がジョイステ
ィックを操作することによって例えば操作方向にマニピ
ュレータを動作させる方式や、あるいはマスターアーム
を用いる、いわゆるマスタースレーブ方式がとられてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ジョイスティ
ックやマスタースレーブ等の遠隔操作手段を用いて手術
用マニピュレータを操作する場合、その遠隔操作手段
と、手術を行うマニピュレータとが物理的に分離されて
いるため、両者の動作方向の対応関係が、両者を設置す
る際の相対的な位置関係により決定されてしまい、その
両者の座標系の向きが一致しないことが多く起きる。例
えば、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータ
の組を複数設けた場合、その複数のマスタマニピュレー
タは１人で操作することが多く、術者のいる同じ側のベ
ットサイドに設置することになるのが普通である。一
方、スレーブマニピュレータはベットサイドの周辺にお
ける設置スペースが制限されるため、複数のマスタマニ
ピュレータは術者のいない反対側のベットサイドにも設
置することになる。

【０００６】つまり、各スレーブマニピュレータとこれ
に対応するそれぞれのマスタマニピュレータを同じサイ
ドに設置できない状況にある。このため、例えば、操作
者が遠隔操作手段により右に動作させようとしたとき、
手術を行うマニピュレータが左へ動いてしまうといっ
た、動作方向に矛盾が生じ、操作者が意図しない方向に
移動するといった事態が起きる。つまり、このような状
況では、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレー
タのベース座標系は一致しない向きになり、そのベース
座標系を基に位置を対応させようとすると、マスタマニ
ピュレータを操作した場合、それに対応したスレーブマ
ニピュレータは操作者が意図しない方向に移動し、動作
方向の矛盾が生じてしまうのである。

【０００７】もちろん、対応するスレーブマニピュレー
タとマスタマニピュレータを同じサイドに設置した場合
でも、それらのマニピュレータ同志が互いに干渉しない
ように間隔をおいて設置しなければならないから、対応
する向きの位置関係がずれて設置せざるを得なくなる事
情がある。いずれにしても、前記同様な事情があり、操
作性の点で問題があった。

【０００８】以上の如く、内視鏡や処置具を搭載したマ
ニピュレータを個々の遠隔操作手段を用い、協調作業に
より手術を行う場合にあっては、遠隔操作手段同士の位
置関係、内視鏡と処置具を搭載したマニピュレータ同士
の位置関係、及びそれぞれのマニピュレータを遠隔操作
手段の位置関係により、操作時の動作方向が決定されて
しまい、動作方向の矛盾が生じる、もしくは設置条件に
制約を受けるという問題があった。

【０００９】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、手術用マニピュレー
タと遠隔操作手段との相対的な位置関係によって動作方
向に関する操作性が損なわれず、操作者の意図するよう
に遠隔操作状態に設定可能な手術用マニピュレータシス
テムを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決する手段および作用】本発明は、術者が操
作できる領域内に設置された操作手段と、術野にアクセ
スするように設置され前記操作手段の操作に追従した動
きを行うマニピュレータと、固有の座標系を基準として
前記操作手段の操作位置及びオリエンテーションを決定
する第１の制御手段と、固有の座標系を基準として前記
第１の制御手段からの情報により、前記マニピュレータ
の位置及びオリエンテーションを決定して前記マニピュ
レータを動かす第２の制御手段と、前記操作手段の固有
の座標系及び前記マニピュレータの固有の座標系の少な
くとも一方の座標系の設定を変換して前記操作手段とマ
ニピュレータの位置及びオリエンテーションの対応をと
る座標系の変換手段とを具備したものである。すなわ
ち、手術用マニピュレータ及び操作手段の個々の動作方
向を定義する座標系を変換可能とし、手術用マニピュレ
ータの座標系と、操作手段の座標系との関係に応じて、
両者の少なくとも一方を変更できるようにしたものであ
る。

【００１１】

【実施例】

（第１の実施例）この実施例は、手術用マニピュレータ
としてのスレーブマニピュレータの動作方向と、その操
作手段であるマスタマニピュレータの動作方向の対応関
係を任意に設定できる手術用マニピュレータシステムに
係るものである。以下、これを図１〜１０を参照して説
明する。

【００１２】図１はその手術用マニピュレータシステム
の概略的な構成を示しており、同図中、１は手術台（ベ
ット）であり、この手術台１上には患者２が上向きに寝
せられている。手術台１の左右サイドには、第１のスレ
ーブマニピュレータ３と第２のスレーブマニピュレータ
４が別々に設置されている。各スレーブマニピュレータ
３，４は、いずれも複数のアーム５を連結した関節構造
によって構成されており、第１のスレーブマニピュレー
タ３の基台７は手術台１の一方のサイドに固定されてい
る。第２のスレーブマニピュレータ４の基台８は手術台
１の他方のサイドに固定される。つまり、第１のスレー
ブマニピュレータ３と第２のスレーブマニピュレータ４
は患者２の左右サイドからその患者２の術野に向かって
異なる向きで別々に延びる、つまり、逆向きの状態に設
置されている。

【００１３】前記各スレーブマニピュレータ３，４の先
端部には、例えば把持鉗子、メス、縫合器、注射器等の
処置具９，１０が搭載されている。なお、このような処
置具の代わりに、内視鏡や超音波エコープローブまたは
手術用顕微鏡等の観察手段を搭載してもよい。そして、
このスレーブマニピュレータ３，４の先端部を、患者２
の体内に経皮的に挿入して処置もしくは観察を行う経皮
的内視鏡下手術を行うようになっている。

【００１４】前述した各スレーブマニピュレータ３，４
における各関節部にはアクチュエータ１１とエンコーダ
１２が設けられており、それの制御手段によりアクチュ
エータ１１を駆動して、このスレーブマニピュレータ
３，４の関節を屈曲動作させる。エンコーダ１２はその
関節の回転角度を検出する。これらのスレーブマニピュ
レータ３，４は、それぞれ固有のベース座標系１３，１
４を有しており、これらのベース座標系１３，１４は、
図１で示すように、それぞれのスレーブマニピュレータ
３，４の基部７，８に固定されたＸ₀ 、Ｙ₀ 、Ｚ₀ でそ
れぞれ表現される直交座標系である。

【００１５】また、同図１中、Ｘ、Ｙ、Ｚで表現された
座標系１５は、スレーブマニピュレータ３，４のタスク
座標系であり、このタスク座標系は後述するようにその
設定が任意に変更可能な座標系である。スレーブマニピ
ュレータ３，４を操作する制御手段はその固有の座標系
を基準としてこれに対応するマスタマニピュレータ１
６，１７の制御手段からの情報により、そのスレーブマ
ニピュレータ３，４の位置及びオリエンテーションを決
定してスレーブマニピュレータ３，４を動かす。

【００１６】第１のスレーブマニピュレータ３を設置し
た手術台１の右サイドには、術者が位置するが、この右
サイドには、第１のマスタマニピュレータ１６と第２の
マスタマニピュレータ１７が設置されている。第１のマ
スタマニピュレータ１６と第２のマスタマニピュレータ
１７はその手術台１に対して直接、またはその周辺に位
置した操作台１８に固定される。

【００１７】ところで、操作台１８は、術者の都合に応
じて適宜の位置に移動することが可能である。また、通
常、操作台１８は手術室の床に設置されるが、天井に吊
持してもよいものである。いずれにしても、これらのマ
スタマニピュレータ１６，１７は、同一の術者が操作す
ることができるように、手術台１の一方のサイド周辺に
設置される。

【００１８】これらのマスタマニピュレータ１６，１７
は、いずれも複数のアーム１９を連結した関節構造によ
って構成されており、各々の関節部にはアクチュエータ
２１とエンコーダ２２が設けられており、それの制御手
段によりアクチュエータ２１を駆動して、マスタマニピ
ュレータ１６，１７の関節を屈曲動作させる。エンコー
ダ２２はその各関節の回転角度が検出する。これらのマ
スタマニピュレータ１６，１７はそれぞれ固有のベース
座標系２３，２４を有しており、これらのベース座標系
２３，２４は、図１で示すように、それぞれのマスタマ
ニピュレータ１６，１７の基部２５，２６に固定された
Ｘ₀ 、Ｙ₀ 、Ｚ₀ でそれぞれ表現される直交座標系であ
る。

【００１９】また、図１中、Ｘ、Ｙ、Ｚで表現された座
標系２７は、マスタマニピュレータ１６，１７のタスク
座標系であり、これは後述するようにその設定が任意に
変更可能な座標系である。マスタマニピュレータ１６，
１７を操作する制御手段はその固有の座標系を基準とし
て、その制御手段により、そのマスタマニピュレータ１
６，１７の位置及びオリエンテーションを決定してスレ
ーブマニピュレータ３，４を動かす。

【００２０】図２は、スレーブマニピュレータ３，４
と、マスタマニピュレータ１６，１７の動作を制御する
システムの構造を示す。すなわち、それぞれスレーブマ
ニピュレータ３，４を制御する制御装置３１と、マスタ
マニピュレータ１６，１７を制御する制御装置３２が設
けられており、各制御装置３１，３２は、それぞれＭＰ
Ｕ（micro processor unit）３３，３４、アクチュエー
タ駆動回路３５，３６、およびインターフェース回路３
７，３８を有して構成される。

【００２１】マスタマニピュレータ１６，１７の先端部
の先端、つまり、作用点であるＴＣＰ（ tool center p
oint ）は、ベース座標系２３，２４、またはタスク座
標系２７における空間上の座標データとして、ＭＰＵ３
４で計算される。これは、前述のエンコーダ２２により
検出された関節角の幾何学的なベクトル合成によって求
められる。この空間データは、マスタマニピュレータ１
６，１７のインターフェース回路３８を介し、スレーブ
マニピュレータ３，４のインターフェース回路３７に通
信される。さらに、マスタマニピュレータ１６，１７の
座標データは、ＭＰＵ３３に送られ、ここで、スレーブ
マニピュレータ３，４の動作指令が計算される。

【００２２】すなわち、スレーブマニピュレータ３，４
の先端部の先端、つまり、作用点であるＴＣＰは、ベー
ス座標系１３，１４またはそのタスク座標系１５におけ
る空間上の座標データとしてＭＰＵ３３で計算されてい
るが、これが、対応するマスタマニピュレータ１６，１
７の座標データと一致するように、両者の偏差が動作指
令として計算される。この動作指令はアクチュエータ駆
動回路３５に送られ、スレーブマニピュレータ３，４の
アクチュエータ１１を動作させる。

【００２３】一方、スレーブマニピュレータ３，４のＭ
ＰＵ３３で計算された偏差は、スレーブマニピュレータ
３，４のインターフェース回路３７を介して、マスタマ
ニピュレータ１６，１７のインターフェース回路３８へ
通信される。

【００２４】この偏差は、さらにマスタマニピュレータ
１６，１７のＭＰＵ３４に送られ、ここで、マスタマニ
ピュレータ１６，１７の力指令が計算される。この力指
令は、アクチュエータ駆動回路３６へ送られ、マスタマ
ニピュレータ１６，１７のアクチュエータ２１にその移
動を抑える向きの力を発生させる。これによりマスタマ
ニピュレータ１６，１７に力感覚を与える。

【００２５】そこで、図１において、マスタマニピュレ
ータ１６の操作により、スレーブマニピュレータ３は、
対応する動作を行う。つまり、マスタマニピュレータ１
６の操作により、そのマスタマニピュレータ１６に対応
する比例的に対応する動作をスレーブマニピュレータ３
が行うという、いわゆるマスタスレーブ方式の動作関係
にある。

【００２６】この実施例においては、スレーブマニピュ
レータ３では図１中で示すタスク座標系１５が、マスタ
マニピュレータ１６のベース座標系２３を平行移動させ
た関係となるよう設定されており、マスタマニピュレー
タ１６のＴＣＰのベース座標系２３における点Ｐが、ス
レーブマニピュレータ３のＴＣＰのタスク座標系１５に
おける点ｐに一致するように制御されるため、マスタマ
ニピュレータ１６を操作する方向とスレーブマニピュレ
ータ３が移動する向きとは一致する。

【００２７】一方、図１で示すように、マスタマニピュ
レータ１７のタスク座標２７は、スレーブマニピュレー
タ４のベース座標系１４を平行移動させた関係となるよ
うに後述する設定方法で座標設定がなされており、さら
に、マスタマニピュレータ１７のＴＣＰのタスク座標系
２７における点Ｑが、スレーブマニピュレータ４のＴＣ
Ｐのベース座標系１４における点ｑに対応一致するよう
に設定されている。このため、ベース座標系１４，２４
の向きが異なるにも拘らず、マスタマニピュレータ１７
を操作する方向とスレーブマニピュレータ４が動く向き
とを一致させることができる。

【００２８】次に、この実施例においてのマスタマニピ
ュレータ１６，１７およびスレーブマニピュレータ３，
４のタスク座標系の設定を変更する方法について述べ
る。これにはベクトルやマトリックスを用いる幾つかの
方法が考えられるが、ここでは、以下の３つの例を挙げ
て説明する。 （第１の設定方法）この最初の設定方法は、いわゆる３
点タッチアップ法であり、これを図３および図４を参照
して説明する。図３で示すマニピュレータ４０を想定し
て説明する。ここで想定したマニピュレータ４０のベー
ス座標系４１におけるＴＣＰの位置データは、そのマニ
ピュレータ４０を構成するアーム４３の長さ、およびそ
の関節に設けられたエンコーダ４４での検出角度から求
められる。

【００２９】そこで、手術環境に応じて空間上において
新たなタスク座標４５を設定するには、まず、その設定
したいタスク座標４５の原点Ｐ１を任意的に決め、その
定めた原点Ｐ１の位置に、マニピュレータ４０のＴＣＰ
を合わせるように、そのマニピュレータ４０を動作させ
る。その制御装置３１，３２はその原点Ｐ１のベース座
標系４１における位置データを読み取ってこれを記憶す
る。これにより、新たに設定しようとするタスク座標系
４５の原点Ｐ１の位置が定義できる。

【００３０】ついで、このタスク座標系４５のＸ軸を手
術環境に適すると思う任意の方向を選定し、その仮に決
めたＸ軸上で、＋側の任意の点Ｐ２の位置に、ＴＣＰを
合わせるべく、マニピュレータ４０を動作させる。そし
て、点Ｐ２にＴＣＰを合わせ、そのときのベース座標系
４１における点Ｐ２の位置データを読み取ってこれを記
憶する。また、原点Ｐ１から点Ｐ２に向かう第１のベク
トル（Ｐ₁ Ｐ₂ ）を求めることにより、タスク座標系４
５のＸ軸が定義される。なお、ベクトルの表示として２
点を示す２文字の上に記す矢印は省略する。以下、同じ
である。

【００３１】さらに、新たに設定しようとするタスク座
標系４５の空間で、例えば手術環境に適すると仮に想定
されるＸＹ軸の平面上で、Ｙ成分が＋である任意の点Ｐ
３を決め、この仮に決めた点Ｐ３の位置に、ＴＣＰを合
わせるようにマニピュレータ４０を動作させる。そし
て、点Ｐ３のベース座標系４１における位置データを読
み取ってこれを記憶する。

【００３２】そして、点Ｐ１から点Ｐ３に向かう第２の
ベクトル（Ｐ₁ Ｐ₃ ）を求め、さらに、前述した第１の
ベクトル（Ｐ₁ Ｐ₂ ）との外積｛ベクトル（Ｐ₁ Ｐ₂ ）
×ベクトル（Ｐ₁ Ｐ₃ ）｝のベクトルを求めると、この
ベクトルの方向がＺ軸の方向になる。 さらに、｛ベク
トル（Ｐ₁ Ｐ₂ ）×ベクトル（Ｐ₁ Ｐ₃ ）×ベクトル
（Ｐ₁ Ｐ₂ ）｝のベクトルを求めると、これの方向がＹ
軸の方向となる。

【００３３】以上の方法により、マニピュレータ４０の
ＴＣＰの位置合わせにより、空間上の任意のタスク座標
系４５が定義される。また、図４で示す式（１）〜
（４）を用いてベース座標系４１に対する設定したいタ
スク座標系４５への座標マトリックスＭを計算で求め、
タスク座標系４５におけるＴＣＰの位置ベクトルＱを求
める際、既知のベース座標系４１におけるＴＣＰの位置
ベクトルＰに対し、『Ｑ＝Ｍ^-1Ｐ』の式のように、座標
マトリックスＭ^-1を左から乗じて求めてもよい。図５は
以上のタスク座標系を設定する手順を示したものであ
る。 （第２の設定方法）次に、第２の設定方法について、図
６および図７を参照して説明する。この方法によりタス
ク座標系を設定するマニピュレータ４０を図６で示すよ
うに想定する。

【００３４】このマニピュレータ４０のベース座標系４
１と、手術環境に応じて空間上に新たに設定したいタス
ク座標系４５との、変換座標マトリックスＭは一般に下
式のように表現される。

【００３５】

【数１】

【００３６】ここで、ｐ（ｐ_x 、ｐ_y 、ｐ_z ）は、座標
系の原点のベクトル ｏ（ｏ_x 、ｏ_y 、ｏ_z ）は、座標系の原点の接近ベクト
ル ａ（ａ_x 、ａ_y 、ａ_z ）は、座標系の原点の方向ベクト
ル ｎ（ｎ_x 、ｎ_y 、ｎ_z ）は、座標系の原点の法線ベクト
ル である。

【００３７】これらの変数は、このマニピュレータ４０
を設置した位置、およびタスク座標系４５の定義位置の
関係を計測することにより、計算によって容易に求める
ことが可能である。つまり、マニピュレータ４０の制御
装置内のＭＰＵのレジスタに設定することで、上式を計
算し、タスク座標系４５におけるＴＣＰの位置ベクトル
Ｑを求める際に、既知のベース座標系４１におけるＴＣ
Ｐの位置ベクトルＰに対し、『Ｑ＝Ｍ^-1Ｐ』の式のよう
に、座標マトリックスＭ^-1を左から乗じて求めればよ
い。 （第３の設定方法）最後に、第３の設定方法について、
図８ないし図１０を参照して説明する。この設定方法を
説明するため、図８および図９で示すようなマニピュレ
ータ４０を想定する。

【００３８】マニピュレータ４０に搭載するツール４６
に固有な座標系としてツール座標系４７が次のように定
義される。これは、ＴＣＰを常に原点とし、ツール４６
の系に固定された座標系であり、マニピュレータ４０の
動作を行う際に都合の良い方向で定義されている。例え
ば、図８および図９でのツール４６として内視鏡を想定
した場合、図８で示すように、その内視鏡の長手方向を
Ｘ軸とし、内視鏡のオフセット方向にＺ軸、これらに直
交する方向にＹ軸を設けておけば、内視鏡を長手方向に
移動したい場合には、ツール座標系４７のＸ軸方向の移
動を指令すれば良いことになる。

【００３９】数式で、このツール座標系４７を表現する
場合、図１０で示すように、ベース座標系４１に対する
座標変換マトリックスにより、『Ｈ・Ｔ』の式で表現さ
れる。この式の文字は本来太い文字で表現されるが、こ
こでは通常の文字で表現する。以下においても同じであ
る。

【００４０】ここで、Ｔは、マニピュレータのエンドエ
フェクタ取付面に固定されたメカニカルインターフェー
ス座標系に対する座標変換マトリックスであり、これ
は、マニピュレータのアームの長さ、エンコーダにより
検出される関節角度等により幾何学的に求められる。ま
た、『Ｈ』は、メカニカルインターフェース座標系に対
するツール座標系の座標変換マトリックスであり、前式
（Ａ）と同様の形式で表現され、各成分の変数はツール
の形状と、選定したツール座標系の方向より求めれば良
い。さらに、タスク座標系におけるＴＣＰの位置ベクト
ルＱを求める際には、既知のベース座標系４１における
ＴＣＰの位置ベクトルＰに対し、『Ｑ＝Ｍ^-1Ｐ』の式の
ように、座標マトリックスＭ^-1を左から乗じて求めれば
よい。

【００４１】以上の方法により、ツール座標系４７が定
義される。ここでは、ある瞬間のツール座標系４７をタ
スク座標系として定義し、さらに、これを利用して、マ
スタスレーブ方式の動作指令に利用する。すなわち、ま
ず、空間上の任意の点Ｐ１にマニピュレータ４０のＴＣ
Ｐがある場合において、そのツール座標系４７をタスク
座標系として定義する。それ以後、マニピュレータ４０
が動作し、ツール座標系が、図８中、Ｐ２に示される座
標系（ｘ´：ｙ´：ｚ´）に移っても、Ｐ１におけるツ
ール座標系４７はタスク座標系として記憶されている。

【００４２】次に、前者の後者に対する座標変換マトリ
ックスＫを求める。図８では、スレーブマニピュレータ
の座標変換マトリックスＫを『Ｋｓ』、マスタマニピュ
レータの座標変更マトリックスＫをＫｍとすると、Ｋｓ
がＫｍに一致するようにスレーブマニピュレータを動作
されることにより、それぞれのマニピュレータにおい
て、タスク座標系を定義した時点からの現在位置までの
相対的な位置関係を対応させることができる。

【００４３】これには、次の効果がある。つまり、マス
タスレーブ方式により手術用マニピュレータを遠隔的操
作する場合に、両者の位置関係が常に一致することは難
しい。例えば両者の電源がオフの状態で、機械的に両者
の位置関係がズレてしまう場合がある。特に、マスタマ
ニピュレータの関節にアクチュエータがなく、エンコー
ダのみ設けて、いわゆるユニラテラル方式のマスタスレ
ーブ方式により遠隔操作する場合には、重力や操作者の
力によりマスタマニピュレータの位置は簡単にズレてし
まう。

【００４４】しかし、両者の位置関係がズレた状態か
ら、マスタスレーブ方式により一致させるように動作さ
せると、予期せぬ方向へ動作する等、問題ある。一方、
図８に示す方法によると、位置がズレてもマスタスレー
ブによる動作を開始する時点で、マスタマニピュレータ
およびスレーブマニピュレータの両者のツール座標系と
タスク座標系として設定し、このタスク座標系から現在
位置のツール座標系Ｋｍ，Ｋｓを一致させるようにスレ
ーブマニピュレータを動作させることにより、前述のよ
うに予期せぬ方向へ動作することはない。 （第２の実施例）この実施例は、手術用マニピュレータ
と、その操作手段であるセンサの動作方向に対応させる
関係に座標を設定する制御システムの例である。

【００４５】図１１は、手術用マニピュレータ５１と、
その操作手段である３次元位置センサ手段５２とからな
るシステムの概略的な構成を示している。手術用マニピ
ュレータ５１は、例えば前述した第１の実施例の場合の
スレーブマニピュレータと同様の構成からなり、手術台
の一方のサイドに設置されて、同様に使用される。ま
た、前述した第１の実施例と同様の制御装置によって制
御されるようになっている。

【００４６】一方、操作手段である３次元位置センサ手
段５２は、マニピュレータを遠隔的に操作する手段とし
て用いる３次元位置センサであり、手術用マニピュレー
タ５１、例えばスレーブマニピュレータの操作手段とし
て作用するものである。

【００４７】３次元位置センサはソースコイル５３およ
びセンスコイル５４からなり、これらはいずれも互いに
直交する３つの各軸を中心として巻回した３軸直交の３
つの磁界発生または受信用コイル要素を含む略立方体状
のものとして作られている。ソースコイル５３の各コイ
ル要素には、図示しないドライブ回路によって時間差を
とり順次、パルス電流が印加され、これにより、図１３
で示すように、ソースコイル５３を含むシステム空間内
に、ｘ，ｙ，ｚの各軸方向の基準磁界を順次発生させる
発信部を構成する。また、センスコイル５４は、そのソ
ースコイル５３で発生する各基準磁界を検出してそれ自
身の位置と向きを検出する受信部を構成する。

【００４８】この場合、ソースコイル５３とセンスコイ
ル５４、少なくとも、センスコイル５４は、図１１に示
すように手５６で握り締めることができる程度の大きさ
を有する。また、身体の一部、例えば、頭部に取り付け
ることもできる程度の大きさであってもよい。なお、セ
ンスコイル５４を操作者の頭部、あるいは頭部に取り付
けたＨＭＤ（Head Mounted Display）に固定し、頭の動
きによりスレーブマニピュレータを操作することも可能
である。

【００４９】このように３次元位置センサ手段５２は、
磁界を発生させる発信部としてのソースコイル５３と、
このソースコイル５３で発生する磁界を受信する受信部
としてのセンスコイル５４とを備える。この３次元位置
センサ手段５２は、図１２で示すように、ソースコイル
５３に対するセンスコイル５４の相対的な位置と向きを
検知する相対位置検出回路５８を備える。さらに、３次
元位置センサ手段５２のソースコイル５３とセンスコイ
ル５４により検出された３次元的な相対位置情報によ
り、マニピュレータ５１を遠隔的に動作させるマニピュ
レータ制御部５９を備える。そして、そのソースコイル
５３から得られた動作指令により、マニピュレータ５１
を動作させる遠隔操作システム５５の構成を示すもので
ある。

【００５０】しかして、図１３で示すように、センスコ
イル５４の各磁気受信用コイル要素にはその各軸方向に
前記基準磁界により誘導電流が発生する。この誘導電流
に基づいて相対位置検出回路５８が磁場のベクトルを検
出してそれを演算することにより、ソースコイル５３と
センスコイル５４の３次元的相対位置を求められるもの
である。

【００５１】求められた結果は、マニピュレータ制御部
５９に伝送される。マニピュレータ制御部５９は、３次
元位置センサ手段５２により検出されたセンスコイル５
４の３次元的相対位置に応じて手術用マニピュレータ５
１を動作させる。

【００５２】この実施例の操作手段を前述した第１の実
施例の例に適用する場合、図１４で示すようになる。す
なわち、発信部であるソースコイル５３を手術台１にお
ける同じサイドにそれぞれ固定し、受信部としてのセン
スコイル５４を操作者が手にもってあるいは頭に取り付
けて操作する。

【００５３】一方のスレーブマニピュレータ３は、これ
に対応して設けた第１の３次元位置センサ手段５２ａの
ソースコイル５３とセンスコイル５４の３次元的相対位
置に対応して動作する。また、第１の３次元位置センサ
手段５２ａのベース座標系６１とは別にタスク座標系６
２を設定する。

【００５４】このタスク座標系６２におけるセンスコイ
ル５４に設けたセンサ座標系６３の３次元的位置関係を
表すベクトルＰが、一方のスレーブマニピュレータ３
の、ベース座標系１３に対するＴＣＰの３次元的位置関
係を表すベクトルＰに一致するようにしてスレーブマニ
ピュレータ３を動作させる。ここでのタスク座標系６２
の設定は任意に変更可能であり、例えば、センスコイル
５４に設けた直交座標系であるセンサ座標系６３を利用
して設定する。例えば、ある瞬間におけるセンサ座標系
６３をタスク座標系６２として定義する。

【００５５】このようにタスク座標系６２を所望の位置
に設定することにより、図１４に示すように、スレーブ
マニピュレータ３のベース座標系１３におけるＴＣＰの
位置関係と、タスク座標系６２に対するセンサ座標系６
３の位置関係が平行移動の関係となり、操作者は操作し
やすい。

【００５６】一方、他のスレーブマニピュレータ４は、
第２の３次元位置センサ手段５２ｂのソースコイル５３
とセンスコイル５４の３次元的相対位置に対応して動作
する。この第２の３次元位置センサ手段５２ｂのベース
座標系６１における、センサコイル５４に設けたセンサ
座標系６３の３次元的位置関係を表すベクトルＱが、そ
のスレーブマニピュレータ４の任意に設定可能なタスク
座標系６５に対するＴＣＰの３次元的位置関係を表すベ
クトルｑに一致するように、スレーブマニピュレータ４
を設定し、対応関係で動作させる。すなわち、タスク座
標系６５は、前述した第１の実施例においての第１また
は第２の設定方法によって任意に設定可能であり、この
設定を行うことにより、図１４に示すようにベクトルＱ
とベクトルｑが平行移動の関係となり、操作者は操作し
やすい。 （第３の実施例）前述した第２の実施例では、操作手段
としてのセンサとして磁気コイルを用いたセンサを使用
した例を示したが、本発明は他の方式のセンサでも構わ
ない。この第３の実施例では、視線を検知するセンサに
より、手術用マニピュレータの操作を行うようにした例
を示すものである。

【００５７】図１５において、７０は経皮的に腹腔内に
挿入するマニピュレータであり、このマニピュレータ７
０の先端には、体腔内を立体観察可能とする立体視観察
手段としての立体視スコープ７１が付設されている。

【００５８】図１６および図１７（ａ）には、前記立体
視スコープ７１の撮像した左右画面の信号を処理する図
示しない制御装置が処理した信号を左右画像それぞれに
表示するＨＭＤ（Head Mounted Display）７２を示して
おり、さらに、ＨＭＤ７２には、操作者の眼球７３ａ，
７３ｂの視線方向をそれぞれ検出する視線検知センサ７
４ａ，７４ｂが設けられている。

【００５９】この視線検知センサ７４ａ，７４ｂは、前
述した第１の実施例の場合と同様に、制御装置（図示せ
ず）の演算処理部（図示せず）に接続される。この演算
処理部は、視線検知センサ７４ａ，７４ｂが検知した信
号を基に眼球７３ａ，７３ｂの各視線を求め、対象物の
位置を算出する対象物位置算出回路を備えて構成されて
いる。なお、前記対象物位置算出回路は、求めた対象物
の位置を基に、前記立体視スコープ７１の前記可変焦点
光学系を駆動制御する、いわゆるオートフォーカス制御
も行う。

【００６０】前記視線検知センサ７４ａ，７４ｂの具体
例としては、図１８（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ
７８で眼球７３ａ，７３ｂを観察するものがあり、そし
て、これは画像処理によりその眼球７３ａ、７３ｂの位
置と、瞳孔７５ａ，７５ｂの中心位置の相対関係から検
出する視線を検出する方式である。

【００６１】また、別の構成としては、図１８（ｂ）に
示すように、眼球７３ａ，７３ｂに向けて発光ダイオー
ド７９から赤外光を出射し、眼球７３ａ，７３ｂで反射
した光をＰＳＤ（ポジション・センシング・デバイス）
８０で検出することにより、視線方向を検出する方式を
採用することも考えられる。いずれの方式も、瞳孔と目
の角膜で反射した赤外光による反射像との位置関係をマ
イクロコンピュータで高速演算して眼球の回転角を求
め、どこを見ているかを算出する。

【００６２】そこで、図１７（ｂ）において、前記操作
者が対象物を観察しているときに、図１７（ａ）で示す
ように、左右の目の視線方向は対象物の虚像８１上で交
わるため、各々の視線方向を視線検知センサ７４ａ，７
４ｂで求めれば、対象物の虚像８１の３次元的な位置が
求められる。さらに、前記ＨＭＤ７２と立体視スコープ
７１との光学系の関係が既知であるので、ＨＭＤ７２に
おける対象物の虚像の３次元的な位置から、立体視スコ
ープ７１に対する対象物の実像の３次元的な位置が求め
られる。

【００６３】前記光学系の関係とは、例えば、ＨＭＤ７
２における眼球７３ａ，７３ｂと表示部８２ａ，８２ｂ
との位置関係、及び立体視スコープ７１における対物光
学系７１ａ，７１ｂとＣＣＤ８４ａ，８４ｂとの位置関
係、さらに，各光学系の倍率等がある。理想的には、光
学系の関係が相似関係であれば、図１７（ａ）（ｂ）中
において示すθＬ、ψＬ、θＲ、ψＲの間には、θＬ＝
ψＬ、θＲ＝ψＲの関係式が成立する。

【００６４】しかし、相似関係でなくても、前記光学系
の関係が既知であるので、容易に実像の３次元的位置を
求めることができる。なお、ψＬ、ψＲは対物光学系７
１ａ，７１ｂが対象物の虚像８１に合焦した場合に、対
物光学系７１ａ，７１ｂ、及びＣＣＤ８４ａ，８４ｂの
光軸に対する偏角である。また、θＬ、ψＬは、図１８
（ａ）（ｂ）で示すように、左右の眼球７３ａ，７３ｂ
の瞳孔７５ａ，７５ｂの中心軸Ａ、Ｂ、つまり、左右の
視線の方向と、表示部８２ａ，８２ｂとのなす角度であ
る。

【００６５】この図１７および図１８では、その説明を
容易にするため、平面における問題として扱っている
が、立体空間においても同様の原理で観察対象の位置が
検出できる。

【００６６】視線検出センサ７４ａ，７４ｂにより求め
た対象物の虚像８１の座標の３次元的位置に立体視スコ
ープ７１が向けられるように、手術用マニピュレータ７
０を動作させるためにＨＭＤ７２の観察像の中心点及び
立体スコープ７１の先端にそれぞれアイ座標系８５、ス
コープ座標系８６を設ける。アイ座標系８５における虚
像の観察位置Ｐが、スコープ座標系８６における実像の
観察位置ｐに、常に一致するように座標系を設定し、マ
ニピュレータ７０を動作させる。座標系の設定変更は使
用環境に応じて前述した実施例のような方法によって行
うことができる。これにより、視線が向けられた観察対
象の観察像を画面の中央に移動させることが可能であ
る。

【００６７】なお、図１５中、８７は経皮的内視鏡下手
術において使用される各種の処置具である。マニピュレ
ータ７０やこの処置具８７は経皮的に腹腔８８内に挿入
される。 （第４の実施例）この実施例はマニピュレータの操作手
段として音声を使用した場合の例であり、これを図１９
を参照して説明する。

【００６８】すなわち、音声入力手段９０と、音声認識
装置９１と、２つのスレーブマニピュレータ３，４、及
びマニピュレータ制御装置（図示せず）を備えて構成さ
れる。操作者９２は、そのスレーブマニピュレータ３，
４の操作者側から見た状態での動作方向を示す「前へ」
「後へ」「上へ」「下へ」「右へ」「左へ」等の言葉
を、マイクロホン等の音声入力手段９０に向けて発声す
ると、音声認識装置９１がその言葉の意味を解読し、マ
ニピュレータ制御装置への指令データを生成する。

【００６９】スレーブマニピュレータ３，４には手術台
１に固定されており、その基部（基台）７，８に固定し
た上下、左右、前後を示すベース座標系９３がそれぞれ
設定されている。これらのベース座標系９３は、マニピ
ュレータ制御装置にて、操作者から見た方向と一致する
ように、その座標設定の変更が可能であり、これは前述
したような方法で行うことができる。

【００７０】このようにベース座標系を任意の方向に変
更可能である。ここで、例えば、操作者９２側に設置さ
れる一方のスレーブマニピュレータ３においては操作者
９２から見た方向と、あらかじめ設定されたベース座標
系９３の方向とは通常一致しているため、そのベース座
標系９３の変更は不要である。しかし、反対側に設置さ
れた他方のスレーブマニピュレータ４は、前記スレーブ
マニピュレータ３とは逆向きに取り付けられるから、操
作者９２から見た方向と、あらかじめ設定されたスレー
ブマニピュレータ４のベース座標系９３の方向が一致せ
ず、逆向きになる。このため、操作者９２の発声の意味
に一致しない。

【００７１】そこで、他方のスレーブマニピュレータ４
についてのタスク座標系を変換し、ベース座標系９３の
破線で示した方向に変更することにより、操作者９２の
発声の意味に一致させるのである。これにより、そのス
レーブマニピュレータ４の操作がきわめて容易になる。

【００７２】なお、この第４の実施例では、音声入力に
よりマニピュレータ３，４のベース座標系９３に設定さ
れた方向に従って、スレーブマニピュレータ３，４を動
作させた例を示したが、その音声入力の代わりに、図２
０に示すように、上下、前後、左右のスイッチボタン９
４を有する操作盤９５を利用したり、図２１で示すよう
に、ジョイスティック９６を有する操作盤９７を使用し
たものでも構わないものである。 （第５の実施例）図２２および図２３を参照して、この
第５の実施例を説明する。図２２（ａ）で示すように、
マニピュレータ１００は、体腔内に挿入する挿入部１０
１の先端に、体腔内を観察するための観察手段１０２を
設けている。この観察手段１０２には、例えば、図２３
（ａ）でに示すような、立体観察可能とする立体視スコ
ープ１０３あるいは、同図（ｂ）に示すような超音波ト
ランスデューサ１０４を内蔵する超音波プローブ１０５
等が利用できる。

【００７３】一方、マニピュレータ１００の操作手段と
してのジョイスティック１０６、前記観察手段１０２か
ら得られた観察像を表示するための、ＴＶモニタなどか
らなる表示手段１０７がある。観察手段１０２の先端に
は、これの先端に固定されたツール座標系１０８を設
け、これは、制御装置の制御手段によって、ジョイステ
ィック１０６の操作方向Ｘ，Ｙ，Ｚに対応し動作する。
制御手段に設定される前記ツール座標系１０８は、例え
ば前述した実施例のような方式によって、その座標設定
の変換手段により設定・変更できるようになっている。

【００７４】そこで、表示手段１０７の上下、左右、前
後方向の座標１０９と、ジョイスティック１０６の操作
方向Ｘ，Ｙ，Ｚとを、前述した座標変換方式により設定
し直して、互いに対応させることにより、画面に対して
所望の方向を見たいときに、ジョイスティック１０６の
操作方向が直ちにわかり、その操作性を良くする。 （第６の実施例）図２４および図２５を参照してこの第
６の実施例を説明する。図２４は磁気コイルによる操作
手段を示しており、図２５はマニピュレータを示してい
る。この実施例でのマニピュレータ１１０は、前記第５
の実施例と同様、体腔内に挿入する挿入部１１１の先端
に体腔内を観察するための観察手段１１２を設けてい
る。この観察手段１１２には、例えば、前述した図２３
（ａ）でに示すような、立体観察可能とする立体視スコ
ープ１０３、あるいは図２３（ｂ）に示すような超音波
トランスデューサ１０４を内蔵する超音波プローブ１０
５などが利用できる。

【００７５】また、図２４で示すように、体腔内を観察
するための観察手段１１２から得られた観察像を表示す
る手段としてＨＭＤ１１５があり、これを操作者１１６
が頭に装着する。このＨＭＤ１１５には、前述した第２
の実施例で説明したようなセンスコイル１１７を取り付
け、このセンスコイル１１７の、ソースコイル１１８に
対する３次元的位置関係より、操作者１１６の頭部の３
次元的位置を検出するように構成されている。この検出
手段で求められた操作者１１６の頭部の動きに対応し
て、マニピュレータ１１０を追従した動きの動作を行わ
せるようになっている。また、前述した実施例と同様、
その一方の座標系に対する他方の座標系の設定は変更が
可能なようになっており、使用環境に応じて互いに一致
するように設定を変更することが可能である。

【００７６】マニピュレータ１１０における観察手段１
１２の先端には、固定されたツール座標系１１９が設定
してある。また、センスコイル１１７およびソースコイ
ル１１８にはそれぞれセンサ座標系１２１，１２２が設
定してあり、この両者の３次元的位置関係は、そのセン
サ座標系１２１からセンサ座標系１２２への座標変換マ
トリックスＭとして計算される。

【００７７】ところで、マニピュレータは、操作者１１
６の頭の動きに常に対応して動作すると、かえって不都
合な場合がある。例えば、ＨＭＤ１１５を着脱する場合
や、マニピュレータ１１０を静止させておきたい場合が
それである。

【００７８】こうした場合に対応して、センサ手段から
得られた３次元的な頭の位置にマニピュレータ１１０が
追従する条件を無効／有効に切り替えることが可能とす
るスイッチ等の切替え手段を設ける。

【００７９】この条件を有効とした場合に、有効とした
瞬間のＨＭＤ１１５のセンサ座標系１２１から頭が動い
た後の現在のセンサ座標系１２１′への座標変換マトリ
ックスＰが、同様に有効とした瞬間の観察手段１１２の
ツール座標系１１９から移動後のツール座標系１１９′
への座標変換マトリックスＱに一致するように、マニピ
ュレータ１１０を動作させる。これによると、無効／有
効の切替え時にＨＭＤ１１５の移動方向と、頭の動きの
方向に矛盾が生じない。 （第７の実施例）図２６で示す第７の実施例はその手術
用マニピュレータ１１０が前述した第６の実施例で説明
したものと同じ構成であり、また、体腔内を観察するた
めの観察手段１１２から得られた観察像を表示する手段
としてのＨＭＤ１１５が同じく設けられている。

【００８０】操作者１１６の頭に装着するＨＭＤ１１５
は複数のアーム１２６を連節したマニピュレータ１２７
に搭載されており、マニピュレータ１２７の各関節に設
けたエンコーダ１２８の関節角度により、そのＨＭＤ１
１５の３次元的位置が求められる。この位置に応じて手
術用マニピュレータ１１０を対応した動作を行わせるよ
うになっている。

【００８１】観察手段１１２の先端にはこれに固定され
たツール座標系１１９がある。ＨＭＤ１１５には、これ
に固定されたセンサ座標系１２１がある。ところで、マ
ニピュレータは、操作者１１６の頭の動きに常に対応し
て動作すると、かえって不都合な場合がある。例えば、
ＨＭＤ１１５を着脱する場合や、マニピュレータ１１０
を静止させておきたい場合がそれである。

【００８２】こうした場合に対応して、センサ手段から
得られた３次元的な頭の位置にマニピュレータ１１０が
追従する条件を無効／有効に切り替えることが可能とす
る手段を設ける。

【００８３】この条件を有効とした場合に、有効とした
瞬間のＨＭＤ１１５のセンサ座標系１２１から頭が動い
た後の現在のセンサ座標系１２１′への座標変換マトリ
ックスＰが同様に有効とした瞬間の観察手段１１２のツ
ール座標系１１９から移動後のツール座標系１１９′へ
の座標変換マトリックスＱに一致するように、マニピュ
レータ１１０を動作させる。これによると、無効／有効
の切替え時にＨＭＤ１１５の移動方向と、頭の動きの方
向に矛盾が生じない。 （第８の実施例）図２７および図２８を参照して、この
第８の実施例を説明する。この実施例は、モニターを見
ながらの処置用マニピュレータの操作性を高める観察手
段を提供するものである。図２７中、１３０は体腔内に
誘導されて使用される処置用マニピュレータを示してお
り、このマニピュレータ１３０の先端にはツール座標系
１３１が設定されている。ツール座標系１３１のＸ軸
が、マニピュレータ１３０の長軸に一致させるように、
その使用環境に応じてツール座標系１３１を設定する。

【００８４】また、同図中１３３は観察用マニピュレー
タであり、この観察用マニピュレータ１３３の先端に設
けた観察手段１３４により処置用マニピュレータ１３０
を観察し、また、その表示手段であるＴＶモニター１３
５の画面内に前記ツール座標系１３１をスーパインポー
ズさせる。

【００８５】処置用マニピュレータ１３０の操作手段に
は、ツール座標系１３１の座標軸に対応して移動させる
機能を設ける。これによりＴＶモニター１３５の画面内
に表示される前記ツール座標系１３１を見ながらの種々
の操作手段によりそれの操作を容易に行うことができ
る。 （第９の実施例）図２９を参照してこの第９の実施例を
説明する。この実施例は例えば前述した第１の実施例に
おいて示したように、スレーブマニピュレータ３，４
と、マスタマニピュレータ１６，１７とをそれぞれ２台
ずつ設けたマニピュレータシステムに係るが、特に、そ
のスレーブマニピュレータ３，４についてのタスク座標
系を共有し、これを共有座標系１４１とする。また、マ
スタマニピュレータ１６，１７についてのタスク座標系
も共有し、これを共有座標系１４２とする。もちろん、
共有座標系１４１，１４２は座標設定が変更可能なもの
である。

【００８６】そして、各々、共有座標系１４１，１４２
における位置関係が対応するよう、マスタマニピュレー
タ１６，１７の操作によってスレーブマニピュレータ
３，４に対応した動作を行わせるように、その各座標系
を設定させている。その他の点では前述した第１の実施
例の説明の通りである。

【００８７】このように共有座標系１４１，１４２を共
有するから、それぞれ共有する座標系で、マスタマニピ
ュレータ１６，１７の動きに追従して、スレーブマニピ
ュレータ３，４を操作できる。したがって、２台のマニ
ピュレータシステムで協調作業を行うときの操作が容易
である。なお、対のマニピュレータは２組に限らず、そ
れを越えて設けてもよい。 （第１０の実施例）図３０に基づいて、第１０の実施例
を説明する。このマニピュレータシステムにおいて、ス
レーブマニピュレータ１５１は、その先端を体内に挿入
する挿入部１５２を有した器具１５３と、この器具１５
３を支持するための直動及び回転の自由度を有する複数
の軸を有するロボット１５４とからなる。挿入部１５２
の先端部には、３次元（立体）スコープ１５５と、一対
の処置具１５６，１５７を備えている。挿入部１５２の
先端部および一対の処置具１５６，１５７は、それぞれ
多自由度にて湾曲動作可能となっている。また、このス
レーブマニピュレータ１５１は、直動及び回転の自由度
を有する。

【００８８】一方、操作手段としては、多関節構造を有
するマスタマニピュレータ１６１があり、そのマスタマ
ニピュレータ１６１の先端には、ＨＭＤ１６２と、一対
の処置具操作用操作アーム１６３，１６４とが設けられ
ている。処置具操作用操作アーム１６３，１６４の一方
と他方は前述した一対の処置具１５６，１５７の一方と
他方にそれぞれ個別的に対応して、そのマスタとスレー
ブとしての個別的に対応した動きをするように制御され
るように座標系が設定されている。

【００８９】すなわち、図３０に示すように各々の位置
には座標系が設けられている。つまり、マスタマニピュ
レータ１６１のツール座標系１６５についての動作が、
スレーブマニピュレータ１５１の挿入部１５２の座標系
１６６に対応し、さらに、ツール座標系１６５に対する
ＨＭＤ１６２のセンサ座標系１６７が、挿入部１５２の
座標系１６６に対するスコープ座標系１７０に対応する
よう、スレーブマニピュレータ１５１が動作する。ツー
ル座標系１６５に対する、操作アーム１６３，１６４の
操作部座標系１６８，１６９がそれぞれ挿入部座標系１
６６に対する処置部座標系１７１，１７２に対応するよ
うに設定されている。

【００９０】したがって、複数の処置具と、観察手段を
独立して制御する場合においても、その動作方向の矛盾
なく操作が可能である。 （第１１の実施例）この実施例は前述した第１の実施例
の変形例を示すものであり、これを図３１に示す。すな
わち、この実施例は、内視鏡および処置具を搭載した複
数の手術用マニュピレータたる第１のスレーブマニピュ
レータ３と第２のスレーブマニピュレータ４を設け、こ
れを遠隔的に操作手段によって遠隔的に操作を行う。ま
た、複数のスレーブマニピュレータ３と第２のスレーブ
マニピュレータ４は手術台１のサイドに固定されるが、
そのベットサイドのスペースの都合により、左右に分け
てその手術台１の両側に設置されている。

【００９１】一方、操作手段としては、前記スレーブマ
ニピュレータ３，４にそれぞれ個別的に対応するマスタ
マニピュレータ１６，１７が設けられるが、この複数の
マスタマニピュレータ１６，１７を１人の操作者で操作
する関係で、その操作者のいる同じ側において手術台１
の一方のサイドに固定的に設置している。つまり、スレ
ーブマニピュレータ３，４とこれに個別的に対応するマ
スタマニピュレータ１６，１７の各組には、同じサイド
に設置できなくなる組が生じる。この実施例ではスレー
ブマニピュレータ４とこれに対応するマスタマニピュレ
ータ１７がその関係にある。

【００９２】そして、このスレーブマニピュレータ４と
マスタマニピュレータ１７の組の場合には、両者のベー
ス座標系は、最初、一致せず、そのベース座標系を基に
位置の対応を行わせると、操作者が意図しない方向にス
レーブマニピュレータ４が動いてしまう問題がある。こ
のことは前述した通りである。

【００９３】この対策として、この実施例では、そのス
レーブマニピュレータ３，４とマスタマニピュレータ１
６，１７の各タスク座標系を設定するにあたり、その複
数のスレーブマニピュレータ３，４のタスク座標系１７
３を共有化し、また、マスタマニピュレータ１６，１７
のタスク座標系１７４も共有化するものとする。このよ
うにタスク座標系をそれぞれ共有化することにより、複
数のマニピュレータを設けるシステムにおいても、それ
らの間の位置関係の対応がとれ、操作性の改善が図れ
る。

【００９４】このように、スレーブマニピュレータ３，
４は患者およびベットとのレイアウトから設置され、ベ
ース座標系の整合がとれないことが多く、また、マスタ
マニピュレータ１６，１７は操作者の操作上の都合によ
り設置する位置が決められることがある。このため、そ
れらのタスク座標系の対応が一致しないことがあるが、
この実施例では、共有化したタスク座標系１７３，１７
４としてそれぞれ設定し直して、その座標系を一致させ
ることで、その問題を解決できるのである。

【００９５】なお、複数のスレーブマニピュレータの数
に応じて操作手段も同じ数を設ける場合に限らず、操作
手段、例えば、あるマスタマニピュレータを複数のスレ
ーブマニピュレータに共用するようにしてもよい。例え
ばこの第１１の実施例では例えばマスタマニピュレータ
１６のみとし、図示しない切替え手段を設けて使用する
に有効なスレーブマニピュレータ３，４を選択するよう
にしてもよい。 （第１２の実施例）図３２で示すように、この実施例
は、例えば前述した第１の実施例の場合のように経皮的
手術で行う場合において、複数の処置用スレーブマニピ
ュレータ１８１，１８２を設け、この術野を経皮的に挿
入した内視鏡１８３で観察するようにしたものである。
複数の処置用スレーブマニピュレータ１８１，１８２、
およびこれのための操作手段については例えば前述した
第１の実施例と同じである。 （追記） （１） 術者が操作できる領域内に設置された操作手段
と、術野にアクセスするように設置され前記操作手段の
操作に追従した動きを行うマニピュレータと、固有の座
標系を基準として前記操作手段の操作位置及び／又はオ
リエンテーションを決定する第１の制御手段と、固有の
座標系を基準として前記第１の制御手段からの情報によ
り、前記マニピュレータの位置及び／又はオリエンテー
ションを決定して前記マニピュレータを動かす第２の制
御手段と、前記操作手段の固有の座標系及び前記マニピ
ュレータの固有の座標系の少なくとも一方の座標系の設
定を変換して前記操作手段とマニピュレータの位置及び
／又はオリエンテーションの対応をとる座標系の変換手
段とを具備したことを特徴とする手術用マニピュレータ
システム。

【００９６】（２） 術者が操作できる領域内に設置さ
れたマスタマニピュレータと、術野にアクセスするよう
に設置され前記マスタマニピュレータの操作に追従した
動きを行うスレーブマニピュレータと、固有の座標系を
基準として前記マスタマニピュレータの位置及び／又は
オリエンテーションを決定する第１の制御手段と、固有
の座標系を基準として前記第１の制御手段から情報によ
り前記スレーブマニピュレータの位置及び／又はオリエ
ンテーションを決定してそのスレーブマニピュレータを
動かす第２の制御手段と、前記マスタマニピュレータの
固有の座標系、及び前記スレーブマニピュレータの固有
の座標系の少なくとも一方の座標系の設定を変換して各
マニピュレータの位置及び／又はオリエンテーションの
対応をとる座標系の変換手段とを具備したことを特徴と
する手術用マニピュレータシステム。

【００９７】（３） 術者が操作できる領域内において
固有の座標系を基準として位置及び／又はオリエンテー
ションを決定する状態に操作手段を設置するとともに、
この操作手段の操作情報により、固有の座標系を基準と
して位置及び／又はオリエンテーションを決定して前記
操作手段の動きに追従した動きを行うマニピュレータを
術野にアクセス可能な位置に設置する第１のステップ
と、前記操作手段及びマニピュレータの少なくとも一方
の固有の座標系についての座標設定を変換して前記操作
手段及びマニピュレータの位置及び／又はオリエンテー
ションの対応をとる第２のステップとを具備したことを
特徴とする手術用マニピュレータシステムにおける座標
変換方法。

【００９８】（４） 前記操作手段及びマニピュレータ
の位置及び／又はオリエンテーションの対応をとる第２
のステップは、新たに設定したいタスク座標の原点を決
め、その定めた原点の位置に、操作手段及び／またはマ
ニピュレータの先端を合わせる第１のステップと、操作
手段及び／またはマニピュレータにおいてそのベース座
標系における原点の位置データを読み取ってこれによ
り、新たに設定しようとするタスク座標系の原点の位置
を定義する第２のステップと、新たに設定したタスク座
標系の原点から手術環境に適する任意の方向にＸ軸を仮
に選定する第３のステップと、この仮に選定したＸ軸上
で、＋側の任意の第２の点の位置に、操作手段及び／ま
たはマニピュレータの先端を合わせ、その第２の点のベ
ース座標系における位置データを読み取って、前記原点
から第２の点に向かう第１のベクトルを求めることによ
り設定しようとするタスク座標系のＸ軸を定義する第４
のステップと、適すると想定されるＸＹ軸の予想平面上
で、Ｙ成分が＋である任意の第３の点を決め、この第３
の点の位置に操作手段及び／またはマニピュレータの先
端を合わせ、その第３の点のベース座標系における位置
データを読み取って原点から第３の点に向かう第２のベ
クトルを求め、この第２のベクトルと前述した第１のベ
クトルからＺ軸を求める第５のステップと、第１のベク
トルと第２のベクトルと第１のベクトルとからＹ軸を求
める第６のステップとを経て、空間上に新たなタスク座
標系のＸ，Ｙ，Ｚ軸を設定することを特徴とする前記３
に記載の手術用マニピュレータシステムにおける座標変
換方法。

【００９９】（５） 前記操作手段及びマニピュレータ
の位置及び／又はオリエンテーションの対応をとる第２
のステップは、新たに設定されたタスク座標系の、ベー
ス座標系に対する座標変換マトリックスを求め、前記操
作手段及びマニピュレータの位置及び／又はオリエンテ
ーションの対応をとることを特徴とする前記３に記載の
手術用マニピュレータシステムにおける座標変換方法。

【０１００】（６） 前記操作手段及びマニピュレータ
の位置及び／又はオリエンテーションの対応をとる第２
のステップは、前記マニピュレータに搭載するツールに
固有な座標系としてツール座標系を求め、このツール座
標系を新たに設定したいタスク座標系に合わせて設定す
ることを特徴とする前記３に記載の手術用マニピュレー
タシステムにおける座標変換方法。

【０１０１】（７） 前記操作手段がマスタスレーブ方
式におけるマスタマニピュレータであり、観察または処
置の少なくとも一方を行うマニピュレータがスレーブマ
ニピュレータである前記１に記載される手術用マニピュ
レータシステム。

【０１０２】（８） 操作手段が空間の位置またはオリ
エンテーションの少なくとも一部を検出するセンサであ
り、前記センサにより操作者の身体の動きを検出するこ
とを特徴とする前記１に記載される手術用マニピュレー
タシステム。

【０１０３】（９） 前記操作手段が音声入力装置であ
り、音声で指令した方向に動作することを特徴とする前
記１に記載される手術用マニピュレータシステム。 （１０） 前記操作手段がスイッチであり、スイッチに
より指定した方向に動作することを特徴とする前記１に
記載される手術用マニピュレータシステム。

【０１０４】（１１） 複数の操作手段を有し、その操
作手段の固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を
共有することを特徴とする前記１、２又は３に記載され
る手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。

【０１０５】（１２） 前記操作手段がマスタスレーブ
方式におけるマスタマニピュレータであることを特徴と
する手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方
法。 （１３） 複数のマニピュレータを有し、そのマニピュ
レータの固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を
共有することを特徴とする前記１、２又は３に記載され
る手術用マニピュレータシステムまたは座標変換方法。

【０１０６】（１４） 操作手段とマニピュレータの各
固有の座標系のうち少なくとも複数の座標系を共有して
座標系を対応させることを特徴とする前記１、２又は３
に記載される手術用マニピュレータシステムまたは座標
変換方法。

【０１０７】（１５） 操作手段として、マスタスレー
ブ方式におけるマスタマニピュレータと、空間の位置ま
たはオリエンテーションの少なくとも一部を検出するセ
ンサを有し、マスタマニピュレータとセンサの座標系を
対応させる手段を有する前記１４に記載される手術用マ
ニピュレータシステムまたは座標変換方法。

【０１０８】（１６） 少なくとも２以上の操作手段を
共通とし、個々のマニピュレータに対応する操作手段の
切換え手段を有し、操作手段の切り換えを行って選択的
に使用することを特徴とする前記１１に記載される手術
用マニピュレータシステム。

【０１０９】（１７） 術者が操作できる領域内に設置
された操作手段と、術野にアクセスするように設置され
前記操作手段の操作に追従した動きを行う術野の観察手
段を有するマニピュレータと、前記観察手段から得られ
た画像を表示する表示手段と、前記操作手段及び前記マ
ニピュレータの位置及び／又はオリエンテーションを座
標系を基準として定める制御手段と、前記座標系の設定
を変換して前記操作手段の位置及び／又はオリエンテー
ションと前記マニピュレータの位置及び／又はオリエン
テーションの対応関係を設定する座標変換手段と、前記
マニピュレータの座標系と、このマニピュレータの有す
る観察手段から得られた画像を表示する表示手段の画面
の方向とを対応させる手段とを具備したことを特徴とす
る手術用マニピュレータシステム。

【０１１０】（１８） マニピュレータの有する観察手
段に固定された座標系を有する前記１７に記載される手
術用マニピュレータシステム。 （１９） 前記表示手段に空間の位置またはオリエンテ
ーションの少なくとも一部を検出するセンサを設け、表
示手段の動きに対応して、観察手段を有するマニピュレ
ータを動作させる制御手段を有する前記１７に記載され
る手術用マニピュレータシステム。

【０１１１】（２０） 前記表示手段を移動可能なアー
ムにとり付け、アームの移動部にエンコーダを設け、表
示手段の動きに対応して、観察手段を有するマニピュレ
ータを動作させる制御手段を有する前記１７に記載され
る手術用マニピュレータシステム。

【０１１２】（２１） 前記マニピュレータの有する処
置手段に固定された座標系の示す方向を表示手段に表示
する画像処理手段を有する前記１７に記載される手術用
マニピュレータシステム。

【０１１３】（２２） 術野（作業範囲）に種々の異な
る方向からアクセスすることができるように設置された
複数のスレーブマニピュレータと、術者が操作できる領
域内に対応する前記スレーブマニピュレータとは異なる
方向からアクセスするように設置されたマスタマニピュ
レータと、前記スレーブマニピュレータとは異なる方向
からアクセスするように設置されたマスタマニピュレー
タと、前記スレーブマニピュレータと前記マスタマニピ
ュレータとの座標系を変換してそのマスタマニピュレー
タと前記スレーブマニピュレータとの位置及びオリエン
テーションの関係を決定する座標変換手段とを具備した
ことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。

【０１１４】（２３） 前記マスタマニピュレータは前
記スレーブマニピュレータの数より少なく少なくとも一
部のマスタマニピュレータは複数のスレーブマニピュレ
ータに兼用し、その共用するマスタマニピュレータを使
用するスレーブマニピュレータに対応させる状態に切り
換える手段を具備したことを特徴とする前記２２に記載
の手術用マニピュレータシステム。

【０１１５】（２４） 追記の（２）と（１７）をまと
め、（２）のスレーブマニピュレータと、（１７）のス
レーブマニピュレータとの関係を決定する座標変換手段
を加えた内容として、術者が操作できる領域内に設置さ
れたマスタマニピュレータと、術野にアクセスするよう
に設置され前記操作手段の操作に追従した動きを行う術
野の観察手段を有するスレーブマニピュレータと、前記
観察手段から得られた画像を表示する表示手段と、固有
の座標系を基準として前記マスタマニピュレータの位置
及び／又はオリエンテーションをその座標系を基準とし
て定める第１の制御手段と、固有の座標系を基準として
前記第１の制御手段から情報により前記スレーブマニピ
ュレータの位置及び／又はオリエンテーションを決定し
てそのスレーブマニピュレータを動かす第２の制御手段
と、前記座標系の少なくとも一方の設定を変換して前記
マスタマニピュレータ操作手段の位置及び／又はオリエ
ンテーションと前記スレーブマニピュレータの位置及び
／又はオリエンテーションの対応関係を設定する座標変
換手段と、前記マニピュレータの座標系と、このマニピ
ュレータの有する観察手段から得られた画像を表示する
表示手段の画面の方向とを対応させる手段とを具備した
ことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。

【０１１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、手
術用マニピュレータの座標系と、操作手段の座標系との
関係に応じてその座標系の設定及び変更により、操作者
から見た手術用マニピュレータと操作手段との動作方向
を一致させることが可能となり、両者の設置の際の相対
的位置関係による操作性の制約が回避される。つまり、
手術用マニピュレータと操作手段の相対的位置関係によ
って動作方向に関する操作性が損なわれることなく、操
作者の意図するような操作を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例においてのマニピュレー
タシステムの説明図。

【図２】本発明の第１の実施例のマニピュレータシステ
ムにおける制御システムの説明図。

【図３】本発明の第１の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更するための説明図。

【図４】本発明の第１の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する手順を示す図。

【図５】本発明の第１の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する手順を示す図。

【図６】本発明の第１の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。

【図７】本発明の第１の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する他の手順を示す図。

【図８】本発明の第１の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。

【図９】本発明の第１の実施例においてのマニピュレー
タの座標系の設定を変更する他の方法の説明図。

【図１０】本発明の第１の実施例においてのマニピュレ
ータの座標系の設定を変更する他の手順を示す図。

【図１１】本発明の第２の実施例においてのマニピュレ
ータシステムの説明図。

【図１２】本発明の第２の実施例のマニピュレータシス
テムにおける制御装置の説明図。

【図１３】本発明の第２の実施例のマニピュレータシス
テムにおける操作手段の説明図。

【図１４】本発明の第２の実施例のマニピュレータシス
テムの使用状態の説明図。

【図１５】本発明の第３の実施例においてのマニピュレ
ータの術野における使用状態の説明図。

【図１６】本発明の第３の実施例においてのＨＭＤの使
用状態の説明図。

【図１７】本発明の第３の実施例においてのＨＭＤ及び
立体視スコープの作用の説明図。

【図１８】本発明の第３の実施例においてのＨＭＤの視
線を検出する方式の説明図。

【図１９】本発明の第４の実施例においての音声入力手
段を用いたマニピュレータシステムの説明図。

【図２０】操作手段の入力手段としてのスイッチ式操作
盤の例を示す平面図。

【図２１】操作手段の入力手段としてのジョイスティッ
ク式操作盤の例を示す平面図。

【図２２】本発明の第５の実施例においてのマニピュレ
ータシステムの説明図。

【図２３】本発明の第５の実施例においてのマニピュレ
ータの斜視図。

【図２４】本発明の第６の実施例においての操作手段の
斜視図。

【図２５】本発明の第６の実施例においてのマニピュレ
ータの斜視図。

【図２６】本発明の第７の実施例においてのマニピュレ
ータシステムの説明図。

【図２７】本発明の第８の実施例においてのマニピュレ
ータの斜視図。

【図２８】本発明の第８の実施例においてのＴＶモニタ
ーの正面図。

【図２９】本発明の第９の実施例においてのマニピュレ
ータシステムの説明図。

【図３０】本発明の第１０の実施例においてのマニピュ
レータシステムの説明図。

【図３１】本発明の第１１の実施例においてのマニピュ
レータシステムの説明図。

【図３２】本発明の第１２の実施例においてのマニピュ
レータの使用状態の斜視図。

【符号の説明】

１…手術台（ベット）、２…患者、３…第１のスレーブ
マニピュレータ、４…第２のスレーブマニピュレータ、
９，１０…処置具、１３，１４…ベース座標系、１５，
１６…タスク座標系、１６…第１のマスタマニピュレー
タ、１７…第２のマスタマニピュレータ、１８…操作
台、２３，２４…ベース座標系、２７…タスク座標系、
３１，３２…制御装置、３３，３４…ＭＰＵ、３５，３
６…アクチュエータ駆動回路、３７，３８…インターフ
ェース回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】術者が操作できる領域内に設置された操作
   手段と、 術野にアクセスするように設置され前記操作手段の操作
   に追従した動きを行うマニピュレータと、 固有の座標系を基準として前記操作手段の操作位置及び
   ／又はオリエンテーションを決定する第１の制御手段
   と、 固有の座標系を基準として前記第１の制御手段からの情
   報により、前記マニピュレータの位置及び／又はオリエ
   ンテーションを決定して前記マニピュレータを動かす第
   ２の制御手段と、 前記操作手段の固有の座標系及び前記マニピュレータの
   固有の座標系の少なくとも一方の座標系の設定を変換し
   て前記操作手段とマニピュレータの位置及び／又はオリ
   エンテーションの対応をとる座標系の変換手段とを具備
   したことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。