WO2018003049A1 - 医療システムとその制御方法 - Google Patents

Abstract

　演算負荷を軽減しながら、アームの干渉をより確実に回避することを目的として、本発明に係る医療システム（１）は、冗長な自由度を有する関節群（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ）を備え、先端に取り付けたエンドエフェクタ（９，１０）を移動させる複数のアーム（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）と、アームを操作するための操作指令を入力する操作部（４）と、操作部に入力された操作指令に基づいてアームを制御する制御部（５）とを備え、制御部が、操作部に入力された操作指令に基づいて操作対象となっているアームと操作対象となっていない他のアームとの干渉を予測する干渉予測部を備え、干渉予測部により干渉が発生すると予測された場合に、操作対象となっていない他のアームを操作対象となっているアームから離間させる方向に動作させる。

Description

医療システムとその制御方法

　本発明は、医療システムとその制御方法に関するものである。

　冗長な自由度の関節を有する複数のアームを備えた医療システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　この医療システムは、各アームを構成する関節の冗長性を利用して、処置具の姿勢を変更することなくアームの各関節位置を移動させて、アームどうしの干渉やアームと障害物との干渉を回避することとしている。

米国特許出願公開第２０１３／３２５０３１号公報

　しかしながら、特許文献１の医療システムにおいて、アームに自動的に干渉回避動作を行わせるために、膨大な計算を高速で行う必要があり、高性能計算機を用いる必要がある。特に、マスタの操作によってアームの先端の処置具をリアルタイムに移動させながら、干渉を回避するには、より多くの計算をリアルタイムに行う必要があり、高コストかつ動作が不安定になるという不都合がある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、演算負荷を軽減しながら、アームの干渉をより確実に回避することができる医療システムとその制御方法を提供することを目的としている。

　本発明の一態様は、冗長な自由度を有する関節群を備え、先端に取り付けたエンドエフェクタを移動させる複数のアームと、該アームを操作するための操作指令を入力する操作部と、該操作部に入力された前記操作指令に基づいて前記アームを制御する制御部とを備え、該制御部が、前記操作部に入力された前記操作指令に基づいて操作対象となっている前記アームと操作対象となっていない他の前記アームとの干渉を予測する干渉予測部を備え、該干渉予測部により干渉が発生すると予測された場合に、操作対象となっていない他の前記アームを操作対象となっている前記アームから離間させる方向に動作させる医療システムである。

　本態様によれば、操作者が操作部を操作して操作指令を入力すると、入力された操作指令に基づいて、制御部が操作対象となっているアームを制御し、アームの先端に取り付けたエンドエフェクタによって処置対象に対し処置を行うことができる。この場合において、制御部は、冗長な自由度の関節については、これを停止させておくことにより、膨大な演算を行うことなく各関節の動作角度を求めてエンドエフェクタを適切な位置および姿勢に配置することができる。

　操作部を操作して操作対象となっているアームを動作させている間に、制御部に設けられた干渉予測部により、操作対象となっているアームと操作対象となっていない他のアームとの干渉が予測される。干渉予測部によって干渉が発生することが予測された場合には、制御部により操作対象となっていない他のアームが、操作対象となっているアームから離間させる方向に動作させられる。

　アームは冗長な自由度を有する関節群を備えているので、操作対象となっていないアームも先端に取り付けたエンドエフェクタの姿勢および位置を変化させずに動作することができる。これにより、処置対象に対するエンドエフェクタの状態を変化させることなく、アームどうしの干渉を回避することができる。

　この場合において、制御部は、操作部によって操作されている操作対象となっているアームではなく、操作対象となっていないアームに干渉回避の動作を行わせるので、リアルタイムで演算されている操作対象となっているアームを動作させるための演算処理に、干渉回避のための演算を上乗せせずにすみ、演算負荷を軽減することができる。

　上記態様においては、前記干渉予測部が、前記操作部に入力された前記操作指令に基づいて、操作対象となっている前記アームの動作目標位置を算出し、算出された動作目標位置と操作対象となっていない他の前記アームの現在位置とから干渉を予測してもよい。
　このようにすることで、操作部に入力された操作指令に応じて、操作対象となっているアームと、操作対象となっていないアームとの干渉をリアルタイムに予測することができる。

　また、上記態様においては、いずれかの前記アームに取り付けられた前記エンドエフェクタが患部を処置するための処置具であり、他の前記アームに取り付けられた前記エンドエフェクタが、前記患部および前記処置具を撮影するための撮像装置であってもよい。

　このようにすることで、操作部を操作して、撮像装置が取り付けられたアームを動作させて、患部を視野範囲に配置した状態でアームを停止させ、次に、操作部を操作して処置具が取り付けられた他のアームを動作させて、処置具によって患部を処置することができる。この場合において、処置具が取り付けられたアームが操作対象となっている場合には、撮像装置が取り付けられたアームにより干渉回避の動作を行わせる。逆に、処置具が取り付けられたアームが停止しており、撮像装置が取り付けられたアームが操作対象となっている場合には、処置具が取り付けられたアームにより干渉回避の動作が行われる。

　また、上記態様においては、操作対象となっている前記アームと、操作対象となっていない他の前記アームとを切り替える切替部を備えていてもよい。
　このようにすることで、切替部によって操作対象となっているアームと操作対象となっていない他のアームとを切り替えて、いずれかのアームによって回避動作を行わせることができ、演算負荷を軽減しながら、アームどうしの干渉をより確実に回避することができる。

　また、本発明の他の態様は、冗長な自由度を有する関節群を備え、先端に取り付けたエンドエフェクタを移動させる複数のアームの内、操作対象としたいずれかの前記アームを動作させるための操作指令に基づいて、操作対象となっている前記アームと、操作対象となっていない他の前記アームとの干渉を予測する予測ステップと、該予測ステップにおいて干渉が発生すると予測された場合に、操作対象となっていない他の前記アームを操作対象となっている前記アームから離間させる方向に動作させる干渉回避動作ステップとを含む医療システムの制御方法である。

　本発明によれば、演算負荷を軽減しながら、アームの干渉をより確実に回避することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る医療システムを示す全体構成図である。 図１の医療システムを示すブロック図である。 図１の医療システムの制御方法を説明するフローチャートである。

　以下、本発明の一実施形態に係る医療システム１とその制御方法について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る医療システム１は、図１に示されるように、患者Ｏを寝かせるベッド２と、該ベッド２の脇に配置された手術用ロボット３と、操作者によって操作される操作部４と、制御部５とを備えている。

　手術用ロボット３は、複数、例えば４つのアーム（第１アームから第４アーム）６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄと、各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを支持するベース７とを備えている（図１では手前側にアーム６ａ、奥行側にアーム６ｄを表示している。）。図１に示す例では、ベース７は、ベッド２の側方にフロアから立ち上がる構造を有しているが、これに限定されるものではなく、天井に固定される構造のものでもよい。

　各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、それぞれ７軸以上の冗長な自由度を有する関節群８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを備えている。
　第１アーム６ａの先端には、内視鏡（エンドエフェクタ、撮像装置）９が装着されており、他の３つのアーム（第２アームから第４アーム）６ｂ，６ｃ，６ｄの先端にはそれぞれ処置具（エンドエフェクタ）１０が装着されている。
　各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄには、図２に示されるように、該アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを構成している各関節を動作させるモータ等の駆動部１１と、該駆動部１１により動作させられる各関節の角度を検出するセンサ１２とが備えられている。

　操作部４は、図１および図２に示されるように、操作者によって操作される操作入力部１４と、アーム６ａに装着された内視鏡９による患者Ｏの体内の画像を表示するモニタ１３とを備えている。操作入力部１４は、例えば、図２に示されるように、操作者が両手でそれぞれ把持する２つのハンドル（右ハンドルおよび左ハンドル）１５，１６と、切替スイッチ（切替部）１７とを備えていて、切替スイッチ１７によって４つのアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの内のいずれか１つまたは２つのアーム、例えば、第２アーム６ｂおよび第３アーム６ｃを選択して、ハンドル１５，１６の操作により選択されたアーム６ｂ，６ｃを動作させることができるようになっている。

　切替スイッチ１７により選択されたアーム６ｂ，６ｃが操作対象となり、選択されなかったアーム６ａ，６ｄは非操作対象となる。
　操作者はモニタ１３上に表示された患者Ｏの体内の画像において、患部とアーム６ｂ，６ｃに取り付けられた処置具１０の先端部とを見ながら操作入力部１４を操作してアーム６ｂ，６ｃおよび処置具１０を動作させ患部を処置することができるようになっている。

　制御部５は、操作入力部１４のハンドル操作により入力された操作指令に基づいて、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの各関節の目標角度（動作目標位置）を演算する位置・姿勢演算部１８と、該位置・姿勢演算部１８により演算された各関節の目標角度に基づいて、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄとの干渉を予測する干渉予測部１９と、該干渉予測部１９による予測結果に基づいて、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄを動作させる駆動指令生成部２０とを備えている。

　位置・姿勢演算部１８は、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの冗長な自由度を構成する関節を除く６軸の関節群８ｂ，８ｃによって、操作入力部１４により入力された操作指令通りのエンドエフェクタ１０の位置および姿勢を達成する場合の各関節の目標角度を演算するようになっている。これにより、操作指令に対応するアーム６ｂ，６ｃの各関節の角度は一義的に決定されるので、少ない演算量で目標角度を演算することができる。

　また、干渉予測部１９は、位置・姿勢演算部１８により演算された操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの各関節の目標角度と、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄの現在の各関節の角度とに基づいて、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの機構部どうしの干渉の有無を予測するようになっている。機構部の寸法等は予め定まっているので、各関節の角度を決定することにより、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの機構部どうしの干渉の有無を容易に予測することができる。

　干渉予測部１９により、干渉することが予測された場合には、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの各関節を目標角度に動作させるとともに、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄを動作させるようになっている。
　具体的には、干渉予測部１９は、干渉することが予測された場合には、その旨の信号を駆動指令生成部２０に送るようになっている。

　駆動指令生成部２０は、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃについては、位置・姿勢演算部１８において演算された各関節の目標角度に基づいて、各関節を駆動するための駆動指令信号を生成し、駆動部１１に送るようになっている。また、駆動指令生成部２０は、干渉予測部１９から干渉する旨の信号が送られてきたときには、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄに取り付けられている処置具１０または内視鏡９の位置および姿勢を保持したまま、当該操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄを操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃから離間させる方向に移動させるよう、各関節の動作指令信号を生成するようになっている。

　すなわち、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄは、冗長な自由度を構成する関節を含めた関節群８ａ，８ｄにより、先端軸の位置および姿勢を維持したまま、先端軸よりも基端側に配置されている１以上の関節を動作させて、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃと干渉しない位置まで離れる方向に動作するような駆動指令信号を生成し、駆動部１１に送るようになっている。
　各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを構成している各関節の角度については、センサ１２により検出されて、位置・姿勢演算部１８にフィードバックされるようになっている。

　このように構成された本実施形態に係る医療システム１の制御方法について、以下に説明する。
　本実施形態に係る医療システム１の制御方法においては、図３に示されるように、操作入力部１４の切替スイッチ１７によっていずれか１つまたは２つのアーム６ｂ，６ｃが操作対象に設定され（ステップＳ１）、操作入力部１４の右ハンドル１６または左ハンドル１５により操作指令が入力されたか否かが判定される（ステップＳ２）。

　操作指令が入力された場合には、入力されたハンドル１５，１６に対応して操作対象に設定されているアーム６ｂ，６ｃを構成している各関節の目標角度が算出される（ステップＳ３）。この場合には、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃにおいては、ハンドル１５，１６から入力された操作指令に対応するエンドエフェクタ１０の位置および姿勢を達成し得る最小限の数の関節の目標角度が算出される。

　操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの各関節の目標角度が算出されると、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄとの干渉の有無の予測演算が行われる（予測ステップＳ４）。
　予測ステップＳ４による予測の結果が判定され（ステップＳ５）、干渉するとの予測がなされた場合には、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄにより、干渉を回避し得る各関節の駆動指令信号が、駆動指令生成部２０において生成される（干渉回避動作ステップＳ６）とともに、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの演算された目標角度を達成するための駆動指令信号が駆動指令生成部２０において生成される（ステップＳ７）。そして、生成された駆動指令信号に基づいて駆動部１１が駆動される（ステップＳ８）。

　操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄの駆動指令信号は、先端のエンドエフェクタ９，１０の位置および姿勢を維持したまま基端側の１以上の関節の位置のみを移動させるように、重畳な自由度を有する関節群８ａ，８ｄを動作させるように生成される。

　このように、本実施形態に係る医療システム１とその制御方法によれば、操作対象に設定されていて操作入力部１４の右ハンドル１６および左ハンドル１５の操作に従ってリアルタイムに動作させられるアーム６ｂ，６ｃについては、冗長な自由度を構成している関節を含まない必要最小限の数の関節群８ｂ，８ｃを動作させるので、演算負荷は極めて小さく、高性能の計算機を用いることなく、安定した操作を行うことができるという利点がある。

　また、干渉が発生することが予測された場合には、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃではなく、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄの冗長な自由度を有する関節群８ａ，８ｄを利用して干渉回避動作を行わせるので、リアルタイムに操作している操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃを動作させるための演算負荷を増大させることなく、操作していないアーム６ａ，６ｄを動作させるための最小限の演算によって干渉を回避することができるという利点がある。

　上記においては、第２アーム６ｂおよび第３アーム６ｃを操作対象とし、第１アーム６ａおよび第４アーム６ｄを操作対象としない場合を例示したが、例えば、内視鏡９を支持している第１アーム６ａを操作対象として操作し、他の３つのアーム６ｂ，６ｃ，６ｄを操作対象としていない場合には、操作入力部１４から入力された操作指令に基づいて、第１アーム６ａの各関節の目標角度が演算され、他の３つのアーム６ｂ，６ｃ，６ｄの現在の各関節の角度とともに、アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ間での干渉の有無が予測される。

　干渉が発生すると予測された場合には、第１アーム６ａ以外のアーム６ｂ，６ｃ，６ｄによる干渉回避動作が行われ、第１アーム６ａは、干渉回避動作を行わずに必要最小限の関節のみを動作させて内視鏡９を所望の位置に配置する。これにより、内視鏡９による視野を滑らかに変化させて患部まで到達させることができる。

　一方、処置具１０を支持している第２アーム６ｂおよび第３アーム６ｃが操作対象として選択され、第１アーム６ａおよび第４アーム６ｄが操作対象とされていない場合には、左ハンドル１５および右ハンドル１６の操作により入力された操作指令に従って第２アーム６ｂおよび第３アーム６ｃが動作させられる。この動作も、冗長な自由度を構成する関節を使用せず、必要最小限の関節を動作させるので、演算負荷が低く、安定した滑らかな動作となる。

　そして、内視鏡９を支持している第１アーム６ａとの干渉が予測された場合には、第１アーム６ａを動作させることにより、第２アーム６ｂおよび第３アーム６ｃの動作のための演算負荷を増大させずに干渉回避することができる。さらに、第１アーム６ａは、冗長な自由度を有する関節群８ａを利用して動作させられることにより、内視鏡９の位置および姿勢を保持したまま、すなわち、モニタ１３に表示されている内視鏡画像の画角を変動させずに済む。

　さらに、操作対象としていた第２アーム６ｂまたは第３アーム６ｃのいずれかを操作対象から外し、第４アーム６ｄを操作対象に切り替えることにより、第４アーム６ｄを動作させて、先端の処置具１０により患部を把持する位置を変更する等の処置を行う場合にも、第４アーム６ｄの操作における演算負荷を増大させることなく安定して動作させることができる。そして、第１アーム６ａとの干渉が予測された場合にも、第１アーム６ａにより回避動作を行わせて、画角の変動しない内視鏡画像内において第４アーム６ｄに取り付けた処置具１０を滑らかに移動させて処置を行うことができる。

　なお、本実施形態においては、４つのアーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを有する場合について例示したが、２以上のアームであれば任意の数のアームを備えていてもよい。また、各アーム６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの自由度も７軸以上であれば任意でよい。

　また、本実施形態においては、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄのみによって干渉回避の動作を行わせることとしたが、操作対象となっていないアーム６ａ，６ｄのみによるのでは干渉が回避できない場合には、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃの動作を制限ないし停止させることにしてもよい。あるいは、この場合に限って、操作対象となっているアーム６ｂ，６ｃについても冗長な自由度を構成する関節を含めた関節群８ｂ，８ｃによって干渉回避の動作を行わせることにしてもよい。

　１　医療システム
　４　操作部
　５　制御部
　６ａ　第１アーム（アーム）
　６ｂ　第２アーム（アーム）
　６ｃ　第３アーム（アーム）
　６ｄ　第４アーム（アーム）
　８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ　関節群
　９　内視鏡（撮像装置、エンドエフェクタ）
　１０　処置具（エンドエフェクタ）
　１７　切替部（切替スイッチ）
　１９　干渉予測部
　Ｓ４　予測ステップ
　Ｓ６　干渉回避動作ステップ

Claims (5)

1. 　冗長な自由度を有する関節群を備え、先端に取り付けたエンドエフェクタを移動させる複数のアームと、
   　該アームを操作するための操作指令を入力する操作部と、
   　該操作部に入力された前記操作指令に基づいて前記アームを制御する制御部とを備え、
   　該制御部が、前記操作部に入力された前記操作指令に基づいて操作対象となっている前記アームと操作対象となっていない他の前記アームとの干渉を予測する干渉予測部を備え、該干渉予測部により干渉が発生すると予測された場合に、操作対象となっていない他の前記アームを操作対象となっている前記アームから離間させる方向に動作させる医療システム。
2. 　前記干渉予測部が、前記操作部に入力された前記操作指令に基づいて、操作対象となっている前記アームの動作目標位置を算出し、算出された動作目標位置と操作対象となっていない他の前記アームの現在位置とから干渉を予測する請求項１に記載の医療システム。
3. 　いずれかの前記アームに取り付けられた前記エンドエフェクタが患部を処置するための処置具であり、
   　他の前記アームに取り付けられた前記エンドエフェクタが、前記患部および前記処置具を撮影するための撮像装置である請求項１または請求項２に記載の医療システム。
4. 　操作対象となっている前記アームと、操作対象となっていない他の前記アームとを切り替える切替部を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の医療システム。
5. 　冗長な自由度を有する関節群を備え、先端に取り付けたエンドエフェクタを移動させる複数のアームの内、操作対象としたいずれかの前記アームを動作させるための操作指令に基づいて、操作対象となっている前記アームと、操作対象となっていない他の前記アームとの干渉を予測する予測ステップと、
   　該予測ステップにおいて干渉が発生すると予測された場合に、操作対象となっていない他の前記アームを操作対象となっている前記アームから離間させる方向に動作させる干渉回避動作ステップとを含む医療システムの制御方法。
    
    

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