手術支援装置
【課題】安全に動作させることができ、且つ構成が簡素な手術支援装置を提供すること。
【解決手段】対象物へと駆動力を伝達するために移動される駆動ロッド１１と、駆動ロッド１１における所定の一箇所の移動量を計測するリニアエンコーダ１３と、駆動ロッド１１において前記所定の一箇所と異なる他の一ヶ所の移動量を検出するエンコーダ２０と、リニアエンコーダ１３によって検出された移動量とエンコーダ２０によって検出された移動量との差分長さを検出する差分算出部と、前記差分長さに基づいて駆動ロッド１１から前記対象物へと伝達される力の大きさを演算する作動力演算部と、リニアエンコーダ１３によって検出された移動量とエンコーダ２０によって検出された移動量とを用いてリニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との少なくとも何れかの故障を検出する故障検出部とを備える。
【解決手段】対象物へと駆動力を伝達するために移動される駆動ロッド１１と、駆動ロッド１１における所定の一箇所の移動量を計測するリニアエンコーダ１３と、駆動ロッド１１において前記所定の一箇所と異なる他の一ヶ所の移動量を検出するエンコーダ２０と、リニアエンコーダ１３によって検出された移動量とエンコーダ２０によって検出された移動量との差分長さを検出する差分算出部と、前記差分長さに基づいて駆動ロッド１１から前記対象物へと伝達される力の大きさを演算する作動力演算部と、リニアエンコーダ１３によって検出された移動量とエンコーダ２０によって検出された移動量とを用いてリニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との少なくとも何れかの故障を検出する故障検出部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、手術を支援する装置として、術者が操作するマスタ部と、マスタ部の動作に従って動作して処置対象物に対して処置をするスレーブ部とを備えるマスタスレーブ型の手術支援装置が知られている。
【０００３】
このような手術支援装置には、故障時にも安全に動作させることができるようにするための技術が採用されている。例えば特許文献１には、互いに角度が変化する複数の継手の組と、これらの継手の組を動作させる駆動ユニットとを備える架台が記載されている。特許文献１に記載の架台には、駆動ユニットに連結されたインクリメンタル式の角度センサと、各継手の絶対的な角度を検出する他の角度センサとが設けられている。
この架台では、一方の角度センサが故障しても、他方の角度センサによって継手の角度を把握することができる。そのため、角度センサの故障を確実に検出できるとともに、片方の角度センサが故障したままでも安全に架台を退避させるなどの処理をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２５３２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
手術支援装置を安全に動作させるためには、手術支援装置に対して想定を超える負荷がかかるのを防止して故障を未然に防ぐことが好ましい。しかしながら、特許文献１に記載の架台では、架台が過負荷状態であるか否かの検出はできなかった。
また、特許文献１に記載の架台に力検出センサを別途取り付けて過負荷を検出することも考えられるが、二重化された角度センサに加えてさらに力検出センサを備える構成では装置が複雑となる。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は安全に動作させることができ、且つ構成が簡素な手術支援装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の手術支援装置は、対象物へと駆動力を伝達するために移動される駆動部材と、前記駆動部材における所定の一箇所の移動量を計測する第一位置検出手段と、前記駆動部材において前記所定の一箇所と異なる他の一ヶ所の移動量を検出する第二位置検出手段と、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量との差分長さを検出する差分算出部と、前記差分長さに基づいて前記駆動部材から前記対象物へと伝達される力の大きさを演算する作動力演算部と、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量とを用いて前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかの故障を検出する故障検出部と、を備えることを特徴とする手術支援装置である。
【０００８】
また、前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に対して発せられる指示値を取得し、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定してもよい。
【０００９】
また、前記差分長さが所定の範囲以上である場合に、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が判定してもよい。
【００１０】
また、前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定してもよい。
【００１１】
また、前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分を、前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された所定の上限と下限とを有する閾値範囲と比較し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲の上限以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲内である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定してもよい。
【００１２】
また、本発明の手術支援装置は、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記駆動部材の動作を停止させてもよい。
【００１３】
また、本発明の手術支援装置は、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段とのうち故障していない位置検出手段がある場合には、前記故障していない位置検出手段を用いて前記駆動部材の位置を検出しながら前記駆動部材を所定の位置へ移動させ、前記駆動部材が前記所定の位置へ移動した後に前記駆動部材を停止させてもよい。
【００１４】
また、本発明の手術支援装置は、前記演算手段によって演算された力の大きさが適正負荷の上限を超えている場合に過負荷状態であると判定する作動力演算部をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の手術支援装置は、前記対象物に対して処置を行う術具と、前記術具に対して着脱自在なスレーブアームとを備え、前記駆動部材、前記第一位置検出手段、および前記第二位置検出手段が、前記スレーブアームに設けられていることが好ましい。
また、本発明の手術支援装置は、前記第一位置検出手段によって検出された移動量に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて予め設定された閾値を参照し、前記差分長さが前記閾値以下である場合に、前記術具が故障しているものと判定してもよい。
また、本発明の手術支援装置は、前記手術支援装置を支持する関節ロボットに対して着脱可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の手術支援装置は、安全に動作させることができ、且つ構成が簡素である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態の手術支援装置を備える手術支援システムの全体図である。
【図２】手術支援装置の模式図である。
【図３】マニピュレータ制御部の構成を示すブロック図である。
【図４】マニピュレータ制御部に設けられた過負荷故障検出部の構成を詳細に示すブロック図である。
【図５】手術支援システムの動作時における手術支援装置の動作の一部を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態の手術支援装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】手術支援装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態の手術支援装置を示す模式図である。
【図９】本発明の手術支援装置の他の構成例を示す模式図である。
【図１０】本発明の手術支援装置の他の構成例を示す模式図である。
【図１１】本発明の手術支援装置の他の構成例を示す模式図である。
【図１２】本発明の手術支援装置の他の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の手術支援装置について説明する。図１は、手術支援装置を備える手術支援システムの全体図である。図２は、手術支援装置の模式図である。図３は、マニピュレータ制御部の構成を示すブロック図である。図４は、マニピュレータ制御部に設けられた過負荷故障検出部の構成を詳細に示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の手術支援装置１は、マスタスレーブ方式の手術支援システム１００に好適に適用できるものである。手術支援システム１００は、マスタ操作入力装置１０１と、スレーブマニピュレータ１０４と、マスタ側制御装置１０６と、スレーブ側制御装置１１９とを備える。
【００２０】
マスタ操作入力装置１０１は、術者の操作の動きをスレーブマニピュレータ１０４に伝達するマスタとして機能するものであって、マスタ表示部１０２と、操作部１０３とを備える。
【００２１】
マスタ表示部１０２は、図示しないカメラによって撮影される患者の術部及びその近傍の映像を表示するものである。マスタ表示部１０２としては、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの公知のディスプレイ装置を適宜選択して採用することができる。
【００２２】
操作部１０３は、術者の操作の動きをスレーブマニピュレータ１０４に伝達するためのものであり、マスタ側制御装置１０６と通信可能に接続されている。また操作部１０３は、術者がマスタ表示部１０２を見ながら操作できるようにマスタ表示部１０２の前側に配置されている。術者によって操作部１０３が操作されると、操作部１０３は、操作の動きを解析し、スレーブマニピュレータ１０４を駆動させるための操作信号をマスタ側制御装置１０６に出力する。
【００２３】
スレーブマニピュレータ１０４は、複数の手術支援装置１と、各手術支援装置１を動作させる関節ロボット１０５とを備える。なお、スレーブマニピュレータ１０４に備えられる手術支援装置１が１つだけであっても構わない。
【００２４】
各手術支援装置１及び各関節ロボット１０５は、それぞれスレーブ側制御装置１１９の制御対象である複数の可動部を有し、スレーブ側制御装置１１９から出力される制御信号に基づいてそれぞれの動作が制御される。
【００２５】
図２に示すように、手術支援装置１は、術具２と、スレーブアーム８と、マスタ側制御装置１０６内に設けられた過負荷故障検出部１１０（図３参照）とを備える。
本実施形態では、手術支援装置１は、全体として細長い軸状に設けられ、使用時には一端側が患者へと向けられる。このため、以下では、手術支援装置１の各部材において手術支援装置１の軸方向の相対位置を表す場合に、特に断らない限りは、使用時に患者に向けられるほうを先端側、これと反対のほうを基端側と称する。
【００２６】
術具２は、外科手術において体内や術部の近傍で種々の作業に用いる公知の外科用手術具を採用することができ、スレーブアーム８に対して着脱できるようになっている。また、術具２は、可動部を有していてもよいし、可動部を有しないものでもよい。また、術具２に可動部が設けられている場合、当該可動部は、患者や他の術具２に直接触れて作動する作動部でもよいし、単に術部内の可動機構でもよい。
術具２の具体例としては、例えば、持針器、ハサミ、電気メス、超音波処置具等の処置具、鉗子などを挙げることができる。
【００２７】
以下では、一例として、術具２が術部や他の術具２を把持する術具２の場合の例で説明する。
なお、術具２は、スレーブアーム８と一体に設けられていてもよい。
術具２は、患者に向けられる先端側から、スレーブアーム８に接続される基端側に向かって、把持部３、駆動リンク５、及び被駆動部６をこの順に備える。駆動リンク５及び被駆動部６は、筒状の術具筐体７の内部に収容されている。
【００２８】
把持部３は、例えば、開閉可能に設けられた把持アーム４を有し、把持アーム４が閉じられるときに把持アーム４の間に被把持物を挟んで把持するものである。
駆動リンク５は、把持部３を開閉させるリンク機構である。
【００２９】
被駆動部６は、スレーブアーム８に術具２が連結された際に、スレーブアーム８内に設けられた後述する駆動ロッド１１から伝達される駆動力によって、駆動リンク５の原節を術具筐体７の軸方向に進退させる棒状部材である。
被駆動部６の一端は駆動リンク５の原節に連結されている。また、被駆動部６の他端には、駆動ロッド１１と被駆動部６とを連結するための連結部６ａが設けられている。また、被駆動部６は、使用時に、後述する駆動ロッド１１から伝達される駆動力によって圧縮や引張りが作用しても座屈することなく、また伸縮量も小さくなるように、例えば金属などの高剛性材料によって形成されている。
【００３０】
スレーブアーム８は、術具２を保持する装置本体を構成するもので、筒状のアーム筐体９を備える。アーム筐体９の軸方向の一端側には、術具２の術具筐体７の基端側と嵌合する嵌合部１０が設けられている。また、アーム筐体９の外周部は、関節ロボット１０５の端部に連結されている。このため、関節ロボット１０５を駆動させることにより、関節ロボット１０５の自由度に応じて、スレーブアーム８の位置や姿勢を変更することができる。
【００３１】
本実施形態では、スレーブアーム８の内部に、駆動ロッド１１（駆動部材）、リニアエンコーダ１３、直動機構１６、モーター１９、エンコーダ２０が設けられている。
駆動ロッド１１は、軸状に形成されており、術具２へと駆動力を伝達するために移動される部材である。駆動ロッド１１の先端側の端部である軸方向の一端部には、被駆動部６の連結部６ａと着脱可能に連結する連結部１２が設けられている。また、駆動ロッド１１の基端側の端部である軸方向の他端部は、駆動ロッド１１を軸方向に進退させる直動機構１６及びモーター１９を介してスレーブアーム８の基端側に支持されている。
また、駆動ロッド１１の連結部１２は、術具２との着脱時においては、嵌合部１０の内部に位置付けられる。
【００３２】
なお、連結部１２の構成は、図２では模式的にかかれており、互いに着脱可能であって被駆動部６と駆動ロッド１１とが軸方向のがたつきなく連結できれば、特に限定されない。例えば、凹凸嵌合して軸方向に着脱する構成でもよいし、雌ねじ部と雄ねじ部とで螺合する構成でもよい。
【００３３】
また、駆動ロッド１１の基端部は、本実施形態では、直動機構１６の後述する直動ブロック１８に連結されている。連結形態としては、例えば、駆動ブロックが直動ブロック１８にねじ込まれて連結される形態や、駆動ブロックが直動ブロック１８に圧入される形態、その他、かしめ、溶接、連結金具を用いたねじ止め等の種々の形態を採用することができる。このような連結形態では、駆動ロッド１１の基端部は、ある程度の長さにわたり、直動ブロック１８等によって拘束される。以下では、駆動ロッド１１の基端という場合、直動ブロック１８等によって拘束されることなく伸縮できる最も基端側の位置を意味するものとする。たとえば、駆動ロッド１１が直動ブロック１８から突出した部分において最も基端側の位置を駆動ロッド１１の基端と称する。
【００３４】
駆動ロッド１１の材質は、少なくとも軸方向に弾性変形する材料からなる。さらに、駆動ロッド１１は、使用時に被駆動部６からの反作用や直動機構１６から受ける駆動力によって圧縮や引張りが作用しても、座屈したり、塑性変形したりすることがない形状とされている。例えば、駆動ロッド１１の材質として、ステンレス鋼などの金属材料を好適に採用することができる。
【００３５】
駆動ロッド１１の軸方向の伸縮量は、リニアエンコーダ１３の分解能で伸縮の変化が精度よく測定できる程度になっていればよい。すなわち、リニアエンコーダ１３の分解能が高ければ、駆動ロッド１１の軸方向の伸縮量は小さくてもよく、駆動ロッド１１による駆動力の伝達ロスを低減することができる。
【００３６】
また本実施形態では、駆動ロッド１１の軸直角断面の形状は、連結部１２を除いて均一とされている。このため、駆動ロッド１１の軸方向に向く方向へ駆動ロッド１１の両端部に力が作用すると、駆動ロッド１１は軸方向に沿って均一に弾性変形するようになっている。なお、駆動ロッド１１の軸直角断面の形状は特に限定されない。例えば、駆動ロッド１１の軸直角断面は、円形や多角形とすることができる。また、駆動ロッド１１の軸直角断面は、中実断面であっても中空部を有する断面であってもよい。
このような構成により、駆動ロッド１１は、術具２とスレーブアーム８との間で、軸方向に力伝達を行うことができる。
【００３７】
リニアエンコーダ１３は、駆動ロッド１１上で軸方向に離間した二点のうち先端側の点の変位を検出する第一位置検出手段である。リニアエンコーダ１３は、変位量を検出するためのパターンが形成されたスケール部１４と、スケール部１４との間の相対変位量を検出する検出部１５とを備える。
リニアエンコーダ１３は、増分形でも絶対値形でもよいが、本実施形態では増分形であるとして説明する。
【００３８】
また、リニアエンコーダ１３の検出方式は、駆動ロッド１１の変位を精度よく検出できる分解能を有していれば、特に限定されない。例えば、光学式や磁気式のリニアエンコーダ１３を採用することができる。特に、ＬＥＤ光源を用いた光学式リニアエンコーダは、スケール部のパターンピッチを微細化することで高分解能が得られるので、特に好適である。
【００３９】
本実施形態のリニアエンコーダ１３は、光学式が採用されている。好適な光学式リニアエンコーダの例としては、例えば、マイクロリニアエンコーダＭＬ−０８／１０００ＧＡ（商品名：キヤノン株式会社製）を挙げることができる。この製品では、スケール部の格子ピッチを１．６μｍとして、分割数を１０００とすることで、０．８ｎｍの分解能を得ることができる。
リニアエンコーダ１３は、スレーブアーム８のアーム筐体９に対する駆動ロッド１１の変位を測定するものである。このため、駆動ロッド１１及びアーム筐体９の何れか一方にスケール部１４が設けられている場合には、駆動ロッド１１及びアーム筐体９の何れか他方に検出部１５が設けられている。
【００４０】
本実施形態では、スケール部１４は、連結部１２の基端側の近傍となる駆動ロッド１１の側面に固定されている。駆動ロッド１１は、被駆動部６が可動範囲を移動した場合に、当該移動と連動して移動するので、スケール部１４も駆動ロッド１１とともに移動する。
スケール部１４の軸方向の長さは、駆動ロッド１１が連結される被駆動部６の使用時の最大可動範囲よりも長く設定されている。これにより、被駆動部６の可動範囲のどこに被駆動部６が移動されても、被駆動部６の移動を検出することができる。
【００４１】
検出部１５は、被駆動部６の可動範囲内で被駆動部６が移動してもスケール部１４と常に対向する位置に固定されている。検出部１５は、スケール部１４に形成されたパターンの移動量を検出する。また、検出部１５は、スレーブ側制御装置１１９と電気的に接続されており、スケール部１４の変位に応じたパルス信号をスレーブ側制御装置１１９に出力できるようになっている。
【００４２】
直動機構１６は、ボールねじ方式の機構が採用されている。具体的には、直動機構１６は、アーム筐体９の軸方向と平行に中心軸線が延びるボールスクリュー１７と、ボールスクリュー１７と螺合された直動ブロック１８とを備える。
ボールスクリュー１７の基端側の端部は、モータ回転軸と、回転ジョイントとを介してモーター１９に連結されている。したがって、ボールスクリュー１７は、モーター１９が回転されると、モーター１９の回転力によって中心軸線回りに回転動作する。
【００４３】
直動ブロック１８は、スレーブアーム８の内部に設けられた図示しない直動ガイド部材によって、アーム筐体９の軸方向に沿って移動可能にガイドされる。直動ブロック１８には、駆動ロッド１１の基端側の端部が連結されている。このため、モーター１９を駆動させてボールスクリュー１７を回転させると、直動ブロック１８がボールスクリュー１７に沿って進退される。これにより、直動ブロック１８に連結された駆動ロッド１１は、直動ブロック１８によってボールスクリュー１７の中心軸方向へ進退される。
【００４４】
モーター１９は、直動機構１６のボールスクリュー１７を回転駆動させるもので、アーム筐体９の基端部の内部に設けられた固定部材（不図示）に固定されている。また、モーター１９は、スレーブ側制御装置１１９に電気的に接続され、スレーブ側制御装置１１９からの制御信号に応じた回転角の回転を行うことができる。
また、モーター１９には、上述のエンコーダ２０が接続されており、エンコーダ２０によって、回転軸の回転角を検出することができる。本実施形態では、回転軸とボールスクリュー１７とは回転ジョイントで直結されている。このため、エンコーダ２０が検出する回転角は、ボールスクリュー１７の回転角と一致する。
【００４５】
エンコーダ２０は、スレーブ側制御装置１１９に電気的に接続されている。エンコーダ２０は、検出した回転角の情報をスレーブ側制御装置１１９に出力する。
スレーブ側制御装置１１９へ出力される回転角の情報は、スレーブ側制御装置１１９によってモーター１９の回転動作を制御するために使用される。すなわち、モーター１９とスレーブ側制御装置１１９とにより、モーター１９に対するサーボ機構が構成されている。
【００４６】
エンコーダ２０が検出する回転軸の回転角は、例えばボールスクリュー１７の送りピッチを用いて直動ブロック１８の移動量に換算することができる。つまり、エンコーダ２０は、進退駆動の駆動量を検出する駆動量検出器を成している。直動ブロック１８の移動量は、直動ブロック１８に連結された駆動ロッド１１の基端の点の変位を表している。
したがって、エンコーダ２０は、駆動ロッド１１上で軸方向に離間した二点のうち基端側の点の変位を検出する第二位置検出手段を構成している。
このような構成により、直動ブロック１８とモーター１９とは、駆動ロッド１１の基端部を軸方向に進退させる駆動部を構成している。
【００４７】
図３に示すように、マスタ側制御装置１０６は、マスタ制御部１０７と、マニピュレータ制御部１０８とを備える。
マスタ制御部１０７は、マスタ操作入力装置１０１（図１参照）から出力される操作信号を受信し、この操作信号に基づいた動作を実現するためのスレーブマニピュレータ１０４の制御対象となる可動部の駆動量を解析する。さらに、マスタ制御部１０７は、操作信号に基づいて、制御対象となる可動部を選択する可動部選択信号と、可動部選択信号で選択される可動部への指示値とをマニピュレータ制御部１０８へ出力する。
【００４８】
マニピュレータ制御部１０８は、マニピュレータ制御入力部１０９と、過負荷故障検出部１１０と、マニピュレータ制御出力部１１７と、アーム動作情報検出部１１８とを備える。
【００４９】
マニピュレータ制御入力部１０９には、マスタ制御部１０７から可動部選択信号及び指示値が入力される。また、マニピュレータ制御入力部１０９は、マスタ操作入力装置１０１に対して、過負荷故障検出部１１０から発せられる後述の通知信号を出力するようになっている。
【００５０】
図４に示すように、過負荷故障検出部１１０は、第一基準量算出部１１１と、第二基準量算出部１１２と、差分算出部１１３と、故障検出部１１４と、作動力演算部１１５と、記憶部１１６とを備える。
【００５１】
第一基準量算出部１１１は、リニアエンコーダ１３と電気的に接続され、リニアエンコーダ１３の出力から駆動ロッド１１上で軸方向に離間した二点のうち先端側の点の変位ΔＸ１（図２参照）を検出する。第一基準量算出部１１１によって検出された変位ΔＸ１は、第一基準量算出部１１１から、故障検出部１１４及び差分算出部１１３へ出力される。なお、変位ΔＸ１の正負は、本実施形態では、基端側から先端側へ向かう方向を正とする。
【００５２】
変位ΔＸ１を検出する際の原点の位置は、手術支援システム１００の起動時若しくは術具２に対して負荷がかかっていない状態において決定される。上記原点の設定時には、リニアエンコーダ１３によって、検出部１５に固有の検出位置に配置されたスケール部１４上の点の変位ΔＸ１を、この点の移動に伴って発生する検出位置での通過パターンを読み取ることで検出する。検出位置は、例えば、検出部１５が光学式の場合にはスケール部１４に対する検出光の照射位置である。スケール部１４は、駆動ロッド１１の全長に比べて十分短く且つ変形を起こし難い材質で形成されており、スケール部１４の伸縮は無視することができる。従って、リニアエンコーダ１３は、スケール部１４が検出する変位ΔＸ１を、スケール部１４上の各位置で一定と見なすことができる。
【００５３】
第二基準量算出部１１２は、エンコーダ２０と電気的に接続され、エンコーダ２０の出力から駆動ロッド１１上で軸方向に離間した二点のうち基端側の点の変位ΔＸ２（図２参照）を故障検出部１１４及び差分算出部１１３へ出力するものである。
【００５４】
第二基準量算出部１１２には、エンコーダ２０から出力されたボールスクリュー１７の回転角の情報が入力される。ボールスクリュー１７の回転角と直動ブロック１８の移動量との間には、装置ごとに異なる機械的な誤差が存在する。そこで、本実施形態では、このような装置固有の移動誤差を補正するために、ボールスクリュー１７の回転角と、上記基端側の点の移動位置との対応関係が予め実測してあり、記憶部１１６に記憶されている。第二基準量算出部１１２は、エンコーダ２０から出力された値と、記憶部１１６に記憶された対応関係とを用いて、変位を算出するようになっている。
【００５５】
これにより、第二基準量算出部１１２は、直動ブロック１８の変位を算出することができる。直動ブロック１８の変位は、直動ブロック１８に連結された駆動ロッド１１の基端の点の変位ΔＸ２に等しいので、第二基準量算出部１１２は、基端の点の変位ΔＸ２を検出することができる。
なお、第二基準量算出部１１２は、ボーススクリューのリードの大きさから、ボールスクリュー１７の回転角をねじ送り量に換算するようになっていてもよい。
【００５６】
差分算出部１１３は、第一基準量算出部１１１から出力された点の変位ΔＸ１と、第二基準量算出部１１２から出力された点の変位ΔＸ２とを、それぞれ、スレーブアーム８に連結された術具２の無負荷時の点の位置を基準とする変位に換算する。さらに、差分算出部１１３は、これらの差分を算出し、記憶部１１６に記憶させるとともに作動力演算部１１５へ出力する。
【００５７】
故障検出部１１４は、スレーブアーム８を動作させるためにマスタ制御部１０７から出力される指示値と、第一基準量算出部１１１および第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ１，ΔＸ２とをそれぞれ比較する。また、記憶部１１６には、第一基準量算出部１１１によって算出された変位ΔＸ１と上記指示値との差の許容限度を示す閾値と、第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ２と上記指示値との差の許容限度を示す閾値とが記憶されている。故障検出部１１４は、これらの閾値を利用して、エンコーダ２０およびリニアエンコーダ１３が故障しているか否かを判定するようになっている。
【００５８】
すなわち、第一基準量算出部１１１によって算出された変位ΔＸ１から指示値を引いた差分が閾値を超えている場合には、リニアエンコーダ１３が故障していると判定する。また、第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ２から指示値を引いた差分が閾値を超えている場合には、エンコーダ２０が故障していると判定する。
【００５９】
故障検出部１１４は、リニアエンコーダ１３が故障していることとエンコーダ２０が故障していることとを、それぞれマニピュレータ制御出力部１１７へ出力する。なお、故障検出部１１４は、リニアエンコーダ１３が故障していることとエンコーダ２０が故障していることとを、それぞれ通知信号としてマニピュレータ制御入力部１０９へフィードバックすることができる。
【００６０】
作動力演算部１１５は、差分算出部１１３から出力された差分から、術具２又は直動ブロック１８を介してスレーブアーム８から駆動ロッド１１が受ける力の大きさを検出する。作動力演算部１１５は、適正負荷の上限値以上の力が手術支援装置１にかかっていると判定した場合に、過負荷であると判定する。作動力演算部１１５において過負荷であると判定した場合には、マニピュレータ制御出力部１１７からの出力を制限するための制御をマニピュレータ制御出力部１１７に対して行なう。また、作動力演算部１１５は、過負荷であることを示す情報を表示するための信号等をマスタ表示部１０２へ出力し、過負荷であることを操作者に認識させるための画像等をマスタ表示部１０２に表示させる。
【００６１】
記憶部１１６は、第二基準量算出部１１２、差分算出部１１３、作動力算出部と電気的に接続され、過負荷故障検出部１１０で行う演算処理に必要となるデータを記憶しておくものである。記憶部１１６に記憶されるデータとしては、上記に説明したように、例えば、エンコーダ２０の回転角とボールスクリュー１７による点の移動位置との対応関係を表すデータや、手術支援装置１における適正負荷の大きさの上限値などを挙げることができる。
【００６２】
過負荷故障検出部１１０の装置構成は、上記機能を有するハードウェアのみで構成してもよい。また、過負荷故障検出部１１０の装置構成は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータ及び当該コンピュータ上で動作するプログラムを備えた構成であってもよい。
【００６３】
マニピュレータ制御出力部１１７は、スレーブ側制御装置１１９と電気的に接続されており、スレーブマニピュレータ１０４を動作させるための信号をスレーブ側制御装置１１９へ出力する。
【００６４】
アーム動作情報検出部１１８は、スレーブマニピュレータ１０４に設けられたスレーブアーム８や関節ロボット１０５の位置情報を取得するものである。本実施形態では、アーム動作情報検出部１１８は、リニアエンコーダ１３及びエンコーダ２０による出力を検出して、過負荷故障検出部１１０へと出力する。
【００６５】
スレーブ側制御装置１１９は、マスタ側制御装置１０６およびスレーブマニピュレータ１０４に電気的に接続されている。スレーブ側制御装置１１９は、マニピュレータ制御出力部１１７から出力された信号に基づいて、例えばスレーブアーム８に配されたモーター１９を駆動させるための信号を生成してモーター１９へと出力する。これにより、スレーブ側制御装置１１９は、モーター１９を用いて術具２を動作させることができる。
【００６６】
次に、手術支援装置１の作用について、手術支援システム１００の使用時の動作とともに説明する。図５は、手術支援システムの動作時における手術支援装置の動作の一部を示すフローチャートである。
手術支援装置１は、スレーブアーム８に術具２が取り付けられた状態で、スレーブマニピュレータ１０４にセットされる。術具２とスレーブアーム８とが連結された状態で手術支援システム１００が起動されると、手術支援装置１の初期化が行なわれる。このとき、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０のそれぞれの原点がリセットされ、以降の動作ではこの位置が変位０（ΔＸ１＝０、ΔＸ２＝０）の位置となる。
【００６７】
初期化時に術具２が無負荷状態であれば、リセットすることによって決まった原点の位置が、無負荷時の変位の基準となる。なお、初期化時に術具２に負荷がかかっている状態でリセットされた場合には、リセットすることによって決まった原点の位置は、初期化時にかかっていた負荷と同一の負荷がかかっているときの変位の基準となる。本実施形態では、初期化時には、術具２を無負荷状態としておくことが好ましい。
また、関節ロボット１０５は予め設定された初期化時の位置に移動される。
【００６８】
次に、術者は、マスタ操作入力装置１０１のマスタ表示部１０２の映像を見ながら、操作部１０３を操作する。操作部１０３は術者による操作の動きを解析し、スレーブマニピュレータ１０４を駆動するための操作信号をマスタ側制御装置１０６に送出する。
【００６９】
マスタ側制御装置１０６では、操作信号に基づいて、マスタ制御部１０７からスレーブマニピュレータ１０４の各可動部の動作を制御する可動部選択信号および指示値がマニピュレータ制御部１０８に送出される。可動部選択信号および指示値に基づいて、マニピュレータ制御部１０８からスレーブ側制御装置１１９へと制御信号が送出される。
【００７０】
例えば、手術支援装置１の術具２に設けられた把持部３を開放し、関節ロボット１０５によって被把持物を把持する位置に把持部３を移動させて、把持部３を閉じて被把持物を把持する、といった動作を行う制御信号が送出される。
これにより、手術支援装置１のモーター１９が駆動され、直動ブロック１８が先端側に移動し、駆動ロッド１１を介して被駆動部６が先端側に移動され、駆動リンク５によって把持部３が開放される。
【００７１】
被把持物を把持する際は、モーター１９を逆回転させて直動ブロック１８を基端側に移動する。
モーター１９を動作させたときの術具２の動作は、リニアエンコーダ１３あるいはエンコーダ２０からの出力によって検出される。
【００７２】
このような駆動動作と並行して、過負荷故障検出部１１０は、リニアエンコーダ１３およびエンコーダ２０によって取得される駆動ロッド１１上の点の変位量に基づいて駆動ロッド１１に作用する力を逐次算出し、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０の故障判定をする。
【００７３】
まず、過負荷故障検出部１１０による力検出（図５に示すステップＳ１）について説明する。
モーター１９が駆動されると、リニアエンコーダ１３からの出力ＸＬおよびエンコーダ２０からの出力ＸＭが、それぞれ第一基準量算出部１１１および第二基準量算出部１１２に逐次入力される。第一基準量算出部１１１および第二基準量算出部１１２は、これらの出力信号に基づいて、それぞれの変位ΔＸ１、ΔＸ２を差分算出部１１３に出力する。差分算出部１１３において算出された差分（ＸＭ−ＸＬ）は、作動力演算部１１５へ出力される。
【００７４】
作動力演算部１１５は、差分算出部１１３によって算出された差分に基づいて、駆動ロッド１１にかかる力の大きさを算出する。さらに、作動力演算部１１５は、駆動ロッド１１にかかる力の大きさと、記憶部１１６に記憶された適正負荷の上限値（図５に示す閾値ｔＭＡＸ）とを比較する。力の大きさが適正負荷の上限値以上であった場合には、作動力演算部１１５は、手術支援装置１が過負荷状態で動作していると判定する。過負荷状態であると判定した作動力演算部１１５は、過負荷である旨の警告をマスタ表示部１０２に表示するための信号をマスタ表示部１０２へ出力する。また、マニピュレータ制御出力部１１７に対して、手術支援装置１を作動させるための駆動力を制限する制御を行なってもよい。これにより、手術支援装置１は、適正負荷の上限未満の範囲内で動作する。
【００７５】
ところで、本実施形態の手術支援システム１００は、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とがともに設けられていることにより、術具２の動作量を検出するための手段が二重化されている。これにより、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れか一方が故障しても、術具２を動作させることができる。本実施形態では、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０が故障した場合には、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうち故障している方を特定し、故障していない方を用いて動作を継続することができる。
【００７６】
リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０が故障した場合には、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０からの出力はそれぞれ停止する。
故障検出部１１４は、エンコーダ２０の故障判定（図５に示すステップＳ２）と、リニアエンコーダの故障判定（図５に示すステップＳ３）を行なう。
ステップＳ２では、エンコーダ２０が故障している場合には、指示値Ｘｒｅｆからエンコーダ２０からの出力ＸＭを引いた差分が故障判定のための閾値ｔＭＡＸを超えるので、ステップＳ４へ進む。
また、ステップＳ３では、リニアエンコーダ１３が故障している場合には、指示値Ｘｒｅｆからリニアエンコーダ１３からの出力ＸＬを引いた差分は閾値ｔＭＡＸを超えるので、ステップＳ６へ進む。
【００７７】
このように、上記ステップＳ２，Ｓ３によって、エンコーダ２０とリニアエンコーダ１３とのそれぞれの故障判定をすることができる。
【００７８】
また、故障検出部１１４は、エンコーダ２０が故障していると判定した場合には、エンコーダ２０が故障している旨をマスタ表示部１０２に表示させる（図５に示すステップＳ４）。さらに、故障検出部１１４はエンコーダ２０の出力を無視し、リニアエンコーダ１３の出力値を用いて手術支援装置１の動作を継続させる。すなわち、正常に動作しているリニアエンコーダ１３からの出力を用いて位置検出を行って、手術支援装置１を安全に退避させて手術支援装置１を停止させる（図５に示すステップＳ５）。
【００７９】
逆に、リニアエンコーダ１３が故障していると故障検出部１１４が判定した場合には、リニアエンコーダ１３が故障している旨をマスタ表示部に表示させる（図５に示すステップＳ６）。さらに、故障検出部１１４は、リニアエンコーダ１３からの出力を無視することにより、正常に動作しているエンコーダ２０からの出力を用いて位置検出を行う。すなわち、正常に動作しているエンコーダ２０からの出力を用いて位置検出を行って、手術支援装置１を安全に退避させて手術支援装置１を停止させる（図５に示すステップＳ７）。
【００８０】
このように、本実施形態の手術支援装置１では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうちどちらが故障しているのかを特定することができる。そして、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との一方が故障した後、正常動作している方からの情報を用いて術具２を動作させることができる。
【００８１】
なお、故障した手術支援装置１と同様の術具２が取り付けられた別の手術支援装置１がスレーブマニピュレータ１０４に存在していれば、代替となる手術支援装置１が設けられている旨をマスタ表示部１０２に表示させてもよい。
【００８２】
また、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との両方が故障したと判定された場合には、モーター１９の動作を含むスレーブマニピュレータ１０４の動作を全て停止させてもよい。その後、操作者による手作業等によってスレーブマニピュレータ１０４を安全に退避させることもできる。
【００８３】
なお、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れか一方が故障したと判定された場合にスレーブマニピュレータ１０４の動作を全て停止させてもよい。このとき、駆動ロッド１１の動作も停止されるので、術具２の位置及び姿勢は固定される。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態の手術支援装置１によれば、変位を検出するリニアエンコーダ１３及びエンコーダ２０を用いて力検出を行うことができ、モーター１９から駆動ロッド１１にかかる力の大きさと駆動ロッド１１の伸びとの対応関係を用いて、モーター１９に対して出力された指示値に対応する駆動ロッド１１の伸びが検出されない場合には、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０が故障していると判定できる。このため、手術支援装置１を安全に動作させることができ、且つ、構成を簡素にすることができる。
【００８５】
さらに、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうち故障している方を特定することができるので、故障していない方を用いて位置検出を継続することができる。このため、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れか一方が正常動作していれば、手術支援装置１を、モーター１９を動作させることによって安全に退避させることができる。
【００８６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の手術支援装置１について説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態の手術支援装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略する。図６は、本実施形態の手術支援装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【００８７】
本実施形態では、故障検出部１１４による故障検出方法が異なっている。
本実施形態では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とから出力される値を比較することにより、駆動ロッド１１の伸縮量を検出するようになっている。すなわち、本実施形態では、モーター１９を駆動させるための指示値は、リニアエンコーダ１３及びエンコーダ２０の故障判定に使用しない。
【００８８】
故障検出部１１４は、第一基準量算出部１１１によって算出された変位ΔＸ１と、第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ２を比較し、その差分を算出する。さらに、記憶部１１６には、差分の閾値ΔｌＭＡＸが記憶されている。故障検出部１１４によって算出された差分が記憶部１１６に記憶された閾値ΔｌＭＡＸ以上の場合には、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れか一方が故障していると故障検出部１１４が判定する（図６に示すステップＳ１１）。
【００８９】
本実施形態では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのいずれかが故障していると判定されたときには、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうち故障している方を特定することなく、スレーブマニピュレータ１０４の全ての動作を停止させる（図６に示すステップＳ１２）。
このような故障検出方法であっても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。
また、本実施形態では、駆動ロッド１１の伸縮量のみを用いて故障判定を行なうことができるので、構成をさらに簡素にすることができる。
【００９０】
また、一般的に、位置制御を行うマニピュレータにおいては、駆動軸に負荷が生じたり、指令位置の急速な変化が生じたりした際には、一時的に指令位置と検出位置の偏差が増加する場合がある。本実施形態では、第一基準量算出部１１１によって算出された変位ΔＸ１と第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ２との差によって故障判定を行なっている。これにより、上記偏差の増加による故障の誤検出を低く抑えることができる。
【００９１】
（変形例１）
上述の第２実施形態では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのどちらが故障しているかを特定しない例を示したが、故障している方を特定してもよい。
本変形例では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのどちらが故障しているかを特定するために、マスタ制御部１０７からスレーブアーム８へ出力される指示値Ｘｒｅｆに対応する駆動ロッド１１の伸縮量に基づいて予め決定された閾値ｔＭＡＸを用いる。
【００９２】
指示値Ｘｒｅｆからエンコーダ２０からの出力ＸＭを引いた差分が閾値ｔＭＡＸ以上の場合には、エンコーダ２０が故障していると故障検出部１１４が判定し、ステップＳ１４へ移行する（図７に示すステップＳ１３）。
また、指示値Ｘｒｅｆからエンコーダ２０からの出力ＸＭを引いた差分が閾値ｔＭＡＸを下回っている場合には、エンコーダ２０は故障していないと故障検出部１１４に判定される（図７に示すステップＳ１３）。上記ステップＳ１１からステップＳ１３へ移行した場合には、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れかが故障しているから、この場合、リニアエンコーダ１３が故障していることになる。ステップＳ１３においてエンコーダ２０は故障していないと故障検出部１１４に判定された場合には、ステップＳ１６へ移行する。
【００９３】
リニアエンコーダ１３またはエンコーダ２０が故障していると判定されたら、上記第１実施形態と同様に、各エンコーダ１３，２０の故障をマスタ表示部１０２に表示させる（図７に示すステップＳ１４，Ｓ１６）。その後、リニアエンコーダ１３またはエンコーダ２０のうち正常動作している方の出力値を用いて手術支援装置１を安全に退避させる（図７に示すステップＳ１５，Ｓ１７）。
【００９４】
このように、本変形例では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのどちらが故障しているかを特定することができる。このため、第１実施形態と同様に、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうち故障していない方を用いて手術支援装置１を安全に退避させることができる。
【００９５】
（変形例２）
上述の変形例１では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との少なくとも何れかが故障していると判定されている状態でエンコーダ２０の故障判定のみを行なっている。これに対して、本変形例では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との少なくとも何れかが故障していると判定されている状態において、リニアエンコーダ１３の故障判定とエンコーダ２０の故障判定を両方行なってもよい。本変形例におけるリニアエンコーダ１３の故障判定は、エンコーダ２０の故障判定と同様の方法にて行なうことができる。
【００９６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の手術支援装置について説明する。図８は、本実施形態の手術支援装置を示す模式図である。
本実施形態の手術支援装置１Ａは、手術支援システム１００の一部ではなく、操作者が手に持って使用する装置である。
【００９７】
図８に示すように、手術支援装置１Ａは、術具２と、スレーブアーム８に代えて設けられた操作部３０とを備える。
操作部３０は、第１実施形態で説明したスレーブアーム８とは形状が異なり、操作者が把持するグリップ３１と、上述の過負荷故障検出部１１０とを備える。
【００９８】
グリップ３１には、モーター１９に対して指示値を出力するためのレバースイッチ３２が設けられている。レバースイッチ３２を動作させることによって、モーター１９の回転方向、回転速度、回転量を指示することができる。
【００９９】
また、操作部３０には、過負荷故障検出部１１０と電気的に接続されたステータスモニタ３３が設けられている。過負荷故障検出部１１０は、過負荷状態であることや、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０が故障したことをステータスモニタ３３表示することができるようになっている。
【０１００】
本実施形態の手術支援装置１Ａも、上述の第１実施形態及び第２実施形態で説明した手術支援装置１と同様の効果を奏する。また、本実施形態の手術支援装置１Ａでは、力検出を行うための力センサを備える必要がないので、手術支援装置１Ａを軽量にすることができる。操作者が手に持って操作する手術支援装置１Ａを軽量にすることができるので、操作者の負担を軽減することができる。
【０１０１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の手術支援装置について説明する。本実施形態の手術支援装置の形状は、第１実施形態の手術支援装置１と同様の形状の装置である（図２参照）。
手術支援装置１は、把持アーム４の各把持片を開閉させるために駆動ロッド１１が直線移動される。手術支援装置１の基端側への駆動ロッド１１の移動量がある規定値を超えると、把持アーム４の各把持片は閉じた状態となる。各把持片が閉じている状態では各把持片はそれ以上閉じる方向へ移動されないので、駆動ロッド１１が牽引される力により駆動ロッド１１は伸びる。ここで、例えば上記規定値を超えても駆動ロッド１１の伸びが検出されない場合には、リニアエンコーダ１３よりも先端側に配された術具２において、駆動リンク５や被駆動部６が破断するなど、動力が正しく伝達できなくなる不具合が生じていると判定することができる。
【０１０２】
したがって、リニアエンコーダ１３及びエンコーダ２０を用いて検出された駆動ロッド１１の移動量に対応する駆動ロッド１１の伸縮量に基づいて、正常に動作している場合に構造上発生するはずの駆動ロッド１１の伸び量を閾値として予め設定しておくことにより、当該閾値との比較によって容易に術具２の不具合を検出することができる。
【０１０３】
この例では、リニアエンコーダ１３によって検出された移動量とエンコーダ２０によって検出された移動量との差分長さが閾値以下である場合に、術具２に故障等の不具合が生じていると判定される。これにより、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０などスレーブアーム８側の故障だけでなく、術具２側の故障も判定することができる。
【０１０４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
たとえば、上述の実施形態では、第一位置検出手段としてリニアエンコーダ１３を駆動ロッド１１に対して設け、第二位置検出手段としてエンコーダ２０をモータ１９に対して設けていたが、第一位置検出手段と第二位置検出手段との配置位置はこれに限られない。
【０１０５】
図９ないし図１２は、本発明の他の構成例を示す模式図である。例を挙げると、図９に示すように、第一位置検出手段４０を被駆動部６に設けてもよい。また、図１０に示すように、第一位置検出手段４０および第二位置検出手段５０をともに駆動ロッド１１に設けてもよい。また、図１１に示すように、第一位置検出手段４０を被駆動部６に設け、第二位置検出手段５０を駆動ロッド１１に設けてもよい。また、図１２に示すように、第一位置検出手段４０と第二位置検出手段５０とをともに被駆動部６に設けてもよい。図９ないし図１２には、第一位置検出手段４０と第二位置検出手段５０とが、第１実施形態で説明したリニアエンコーダー１３と同型のリニアエンコーダを備えている例が図示されている。また、第一位置検出手段４０及び第二位置検出手段５０は、どのような方式で位置を検出するものであってもよい。
また、上述の実施形態では駆動ロッド１１と被駆動部６とが着脱可能に連結される例を示したが、駆動ロッドと被駆動部とは一体のものであってもよい。
【０１０６】
また、上述の第１実施形態では、手術支援システムの初期化時に、術具を無負荷状態としておく例を示したが、手術支援システムの初期化時に術具に負荷をかけておく場合もある。例えば、術具が鉗子を有している場合、初期化時には鉗子を確実に閉じた状態としておきたい場合がある。この場合には、鉗子を構成する一対の鉗子片同士が互いに密着するようにある程度の負荷をかける必要がある。このように初期化時に術具に負荷をかける場合には、術具ごとに、初期化時と無負荷時との駆動状態を定義し、初期化時の原点を基準としたときに無負荷時の変位を実測しておけばよい。
【０１０７】
また、上述の各実施形態では、２種類のエンコーダを使用して力検出を行う例を示したが、各エンコーダの種類は特に限定されない。例えば、リニアエンコーダを２つ使用してもよいし、リニアエンコーダとロータリーエンコーダとの組み合わせでもよい。
【０１０８】
また、上述の各実施形態で説明した過負荷や故障の判定方法は、手術支援システムの他の部分に対しても適用することができる。例えば、関節ロボット１０５の過負荷判定や故障判定にも本発明を好適に適用できる。
【０１０９】
また、上述の各実施形態及び各変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
１，１Ａ手術支援装置
２ 術具
３ 把持部
４ 把持アーム
５ 駆動リンク
６ 被駆動部
６ａ 連結部
７ 術具筐体
８ スレーブアーム
９ アーム筐体
１０ 嵌合部
１１ 駆動ロッド（駆動部材）
１２ 連結部
１３ リニアエンコーダ（第一位置検出手段）
１４ スケール部
１５ 検出部
１６ 直動機構
１７ ボールスクリュー
１８ 直動ブロック
１９ モーター
２０ エンコーダ（第二位置検出手段）
３０ 操作部
３１ グリップ
３２ レバースイッチ
３３ ステータスモニタ
１００ 手術支援システム
１０１ 操作入力装置
１０２ マスタ表示部
１０３ 操作部
１０４ スレーブマニピュレータ
１０５ 関節ロボット
１０６ マスタ側制御装置
１０７ マスタ制御部
１０８ マニピュレータ制御部
１０９ マニピュレータ制御入力部
１１０ 過負荷故障検出部
１１１ 第一基準量算出部
１１２ 第二基準量算出部
１１３ 差分算出部
１１４ 故障検出部
１１５ 作動力演算部
１１６ 記憶部
１１７ マニピュレータ制御出力部
１１８ アーム動作情報検出部
１１９ スレーブ側制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手術支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、手術を支援する装置として、術者が操作するマスタ部と、マスタ部の動作に従って動作して処置対象物に対して処置をするスレーブ部とを備えるマスタスレーブ型の手術支援装置が知られている。
【０００３】
このような手術支援装置には、故障時にも安全に動作させることができるようにするための技術が採用されている。例えば特許文献１には、互いに角度が変化する複数の継手の組と、これらの継手の組を動作させる駆動ユニットとを備える架台が記載されている。特許文献１に記載の架台には、駆動ユニットに連結されたインクリメンタル式の角度センサと、各継手の絶対的な角度を検出する他の角度センサとが設けられている。
この架台では、一方の角度センサが故障しても、他方の角度センサによって継手の角度を把握することができる。そのため、角度センサの故障を確実に検出できるとともに、片方の角度センサが故障したままでも安全に架台を退避させるなどの処理をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２５３２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
手術支援装置を安全に動作させるためには、手術支援装置に対して想定を超える負荷がかかるのを防止して故障を未然に防ぐことが好ましい。しかしながら、特許文献１に記載の架台では、架台が過負荷状態であるか否かの検出はできなかった。
また、特許文献１に記載の架台に力検出センサを別途取り付けて過負荷を検出することも考えられるが、二重化された角度センサに加えてさらに力検出センサを備える構成では装置が複雑となる。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は安全に動作させることができ、且つ構成が簡素な手術支援装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の手術支援装置は、対象物へと駆動力を伝達するために移動される駆動部材と、前記駆動部材における所定の一箇所の移動量を計測する第一位置検出手段と、前記駆動部材において前記所定の一箇所と異なる他の一ヶ所の移動量を検出する第二位置検出手段と、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量との差分長さを検出する差分算出部と、前記差分長さに基づいて前記駆動部材から前記対象物へと伝達される力の大きさを演算する作動力演算部と、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量とを用いて前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかの故障を検出する故障検出部と、を備えることを特徴とする手術支援装置である。
【０００８】
また、前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に対して発せられる指示値を取得し、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定してもよい。
【０００９】
また、前記差分長さが所定の範囲以上である場合に、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が判定してもよい。
【００１０】
また、前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定してもよい。
【００１１】
また、前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分を、前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された所定の上限と下限とを有する閾値範囲と比較し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲の上限以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲内である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定してもよい。
【００１２】
また、本発明の手術支援装置は、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記駆動部材の動作を停止させてもよい。
【００１３】
また、本発明の手術支援装置は、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段とのうち故障していない位置検出手段がある場合には、前記故障していない位置検出手段を用いて前記駆動部材の位置を検出しながら前記駆動部材を所定の位置へ移動させ、前記駆動部材が前記所定の位置へ移動した後に前記駆動部材を停止させてもよい。
【００１４】
また、本発明の手術支援装置は、前記演算手段によって演算された力の大きさが適正負荷の上限を超えている場合に過負荷状態であると判定する作動力演算部をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の手術支援装置は、前記対象物に対して処置を行う術具と、前記術具に対して着脱自在なスレーブアームとを備え、前記駆動部材、前記第一位置検出手段、および前記第二位置検出手段が、前記スレーブアームに設けられていることが好ましい。
また、本発明の手術支援装置は、前記第一位置検出手段によって検出された移動量に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて予め設定された閾値を参照し、前記差分長さが前記閾値以下である場合に、前記術具が故障しているものと判定してもよい。
また、本発明の手術支援装置は、前記手術支援装置を支持する関節ロボットに対して着脱可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の手術支援装置は、安全に動作させることができ、且つ構成が簡素である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態の手術支援装置を備える手術支援システムの全体図である。
【図２】手術支援装置の模式図である。
【図３】マニピュレータ制御部の構成を示すブロック図である。
【図４】マニピュレータ制御部に設けられた過負荷故障検出部の構成を詳細に示すブロック図である。
【図５】手術支援システムの動作時における手術支援装置の動作の一部を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態の手術支援装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】手術支援装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態の手術支援装置を示す模式図である。
【図９】本発明の手術支援装置の他の構成例を示す模式図である。
【図１０】本発明の手術支援装置の他の構成例を示す模式図である。
【図１１】本発明の手術支援装置の他の構成例を示す模式図である。
【図１２】本発明の手術支援装置の他の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の手術支援装置について説明する。図１は、手術支援装置を備える手術支援システムの全体図である。図２は、手術支援装置の模式図である。図３は、マニピュレータ制御部の構成を示すブロック図である。図４は、マニピュレータ制御部に設けられた過負荷故障検出部の構成を詳細に示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の手術支援装置１は、マスタスレーブ方式の手術支援システム１００に好適に適用できるものである。手術支援システム１００は、マスタ操作入力装置１０１と、スレーブマニピュレータ１０４と、マスタ側制御装置１０６と、スレーブ側制御装置１１９とを備える。
【００２０】
マスタ操作入力装置１０１は、術者の操作の動きをスレーブマニピュレータ１０４に伝達するマスタとして機能するものであって、マスタ表示部１０２と、操作部１０３とを備える。
【００２１】
マスタ表示部１０２は、図示しないカメラによって撮影される患者の術部及びその近傍の映像を表示するものである。マスタ表示部１０２としては、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの公知のディスプレイ装置を適宜選択して採用することができる。
【００２２】
操作部１０３は、術者の操作の動きをスレーブマニピュレータ１０４に伝達するためのものであり、マスタ側制御装置１０６と通信可能に接続されている。また操作部１０３は、術者がマスタ表示部１０２を見ながら操作できるようにマスタ表示部１０２の前側に配置されている。術者によって操作部１０３が操作されると、操作部１０３は、操作の動きを解析し、スレーブマニピュレータ１０４を駆動させるための操作信号をマスタ側制御装置１０６に出力する。
【００２３】
スレーブマニピュレータ１０４は、複数の手術支援装置１と、各手術支援装置１を動作させる関節ロボット１０５とを備える。なお、スレーブマニピュレータ１０４に備えられる手術支援装置１が１つだけであっても構わない。
【００２４】
各手術支援装置１及び各関節ロボット１０５は、それぞれスレーブ側制御装置１１９の制御対象である複数の可動部を有し、スレーブ側制御装置１１９から出力される制御信号に基づいてそれぞれの動作が制御される。
【００２５】
図２に示すように、手術支援装置１は、術具２と、スレーブアーム８と、マスタ側制御装置１０６内に設けられた過負荷故障検出部１１０（図３参照）とを備える。
本実施形態では、手術支援装置１は、全体として細長い軸状に設けられ、使用時には一端側が患者へと向けられる。このため、以下では、手術支援装置１の各部材において手術支援装置１の軸方向の相対位置を表す場合に、特に断らない限りは、使用時に患者に向けられるほうを先端側、これと反対のほうを基端側と称する。
【００２６】
術具２は、外科手術において体内や術部の近傍で種々の作業に用いる公知の外科用手術具を採用することができ、スレーブアーム８に対して着脱できるようになっている。また、術具２は、可動部を有していてもよいし、可動部を有しないものでもよい。また、術具２に可動部が設けられている場合、当該可動部は、患者や他の術具２に直接触れて作動する作動部でもよいし、単に術部内の可動機構でもよい。
術具２の具体例としては、例えば、持針器、ハサミ、電気メス、超音波処置具等の処置具、鉗子などを挙げることができる。
【００２７】
以下では、一例として、術具２が術部や他の術具２を把持する術具２の場合の例で説明する。
なお、術具２は、スレーブアーム８と一体に設けられていてもよい。
術具２は、患者に向けられる先端側から、スレーブアーム８に接続される基端側に向かって、把持部３、駆動リンク５、及び被駆動部６をこの順に備える。駆動リンク５及び被駆動部６は、筒状の術具筐体７の内部に収容されている。
【００２８】
把持部３は、例えば、開閉可能に設けられた把持アーム４を有し、把持アーム４が閉じられるときに把持アーム４の間に被把持物を挟んで把持するものである。
駆動リンク５は、把持部３を開閉させるリンク機構である。
【００２９】
被駆動部６は、スレーブアーム８に術具２が連結された際に、スレーブアーム８内に設けられた後述する駆動ロッド１１から伝達される駆動力によって、駆動リンク５の原節を術具筐体７の軸方向に進退させる棒状部材である。
被駆動部６の一端は駆動リンク５の原節に連結されている。また、被駆動部６の他端には、駆動ロッド１１と被駆動部６とを連結するための連結部６ａが設けられている。また、被駆動部６は、使用時に、後述する駆動ロッド１１から伝達される駆動力によって圧縮や引張りが作用しても座屈することなく、また伸縮量も小さくなるように、例えば金属などの高剛性材料によって形成されている。
【００３０】
スレーブアーム８は、術具２を保持する装置本体を構成するもので、筒状のアーム筐体９を備える。アーム筐体９の軸方向の一端側には、術具２の術具筐体７の基端側と嵌合する嵌合部１０が設けられている。また、アーム筐体９の外周部は、関節ロボット１０５の端部に連結されている。このため、関節ロボット１０５を駆動させることにより、関節ロボット１０５の自由度に応じて、スレーブアーム８の位置や姿勢を変更することができる。
【００３１】
本実施形態では、スレーブアーム８の内部に、駆動ロッド１１（駆動部材）、リニアエンコーダ１３、直動機構１６、モーター１９、エンコーダ２０が設けられている。
駆動ロッド１１は、軸状に形成されており、術具２へと駆動力を伝達するために移動される部材である。駆動ロッド１１の先端側の端部である軸方向の一端部には、被駆動部６の連結部６ａと着脱可能に連結する連結部１２が設けられている。また、駆動ロッド１１の基端側の端部である軸方向の他端部は、駆動ロッド１１を軸方向に進退させる直動機構１６及びモーター１９を介してスレーブアーム８の基端側に支持されている。
また、駆動ロッド１１の連結部１２は、術具２との着脱時においては、嵌合部１０の内部に位置付けられる。
【００３２】
なお、連結部１２の構成は、図２では模式的にかかれており、互いに着脱可能であって被駆動部６と駆動ロッド１１とが軸方向のがたつきなく連結できれば、特に限定されない。例えば、凹凸嵌合して軸方向に着脱する構成でもよいし、雌ねじ部と雄ねじ部とで螺合する構成でもよい。
【００３３】
また、駆動ロッド１１の基端部は、本実施形態では、直動機構１６の後述する直動ブロック１８に連結されている。連結形態としては、例えば、駆動ブロックが直動ブロック１８にねじ込まれて連結される形態や、駆動ブロックが直動ブロック１８に圧入される形態、その他、かしめ、溶接、連結金具を用いたねじ止め等の種々の形態を採用することができる。このような連結形態では、駆動ロッド１１の基端部は、ある程度の長さにわたり、直動ブロック１８等によって拘束される。以下では、駆動ロッド１１の基端という場合、直動ブロック１８等によって拘束されることなく伸縮できる最も基端側の位置を意味するものとする。たとえば、駆動ロッド１１が直動ブロック１８から突出した部分において最も基端側の位置を駆動ロッド１１の基端と称する。
【００３４】
駆動ロッド１１の材質は、少なくとも軸方向に弾性変形する材料からなる。さらに、駆動ロッド１１は、使用時に被駆動部６からの反作用や直動機構１６から受ける駆動力によって圧縮や引張りが作用しても、座屈したり、塑性変形したりすることがない形状とされている。例えば、駆動ロッド１１の材質として、ステンレス鋼などの金属材料を好適に採用することができる。
【００３５】
駆動ロッド１１の軸方向の伸縮量は、リニアエンコーダ１３の分解能で伸縮の変化が精度よく測定できる程度になっていればよい。すなわち、リニアエンコーダ１３の分解能が高ければ、駆動ロッド１１の軸方向の伸縮量は小さくてもよく、駆動ロッド１１による駆動力の伝達ロスを低減することができる。
【００３６】
また本実施形態では、駆動ロッド１１の軸直角断面の形状は、連結部１２を除いて均一とされている。このため、駆動ロッド１１の軸方向に向く方向へ駆動ロッド１１の両端部に力が作用すると、駆動ロッド１１は軸方向に沿って均一に弾性変形するようになっている。なお、駆動ロッド１１の軸直角断面の形状は特に限定されない。例えば、駆動ロッド１１の軸直角断面は、円形や多角形とすることができる。また、駆動ロッド１１の軸直角断面は、中実断面であっても中空部を有する断面であってもよい。
このような構成により、駆動ロッド１１は、術具２とスレーブアーム８との間で、軸方向に力伝達を行うことができる。
【００３７】
リニアエンコーダ１３は、駆動ロッド１１上で軸方向に離間した二点のうち先端側の点の変位を検出する第一位置検出手段である。リニアエンコーダ１３は、変位量を検出するためのパターンが形成されたスケール部１４と、スケール部１４との間の相対変位量を検出する検出部１５とを備える。
リニアエンコーダ１３は、増分形でも絶対値形でもよいが、本実施形態では増分形であるとして説明する。
【００３８】
また、リニアエンコーダ１３の検出方式は、駆動ロッド１１の変位を精度よく検出できる分解能を有していれば、特に限定されない。例えば、光学式や磁気式のリニアエンコーダ１３を採用することができる。特に、ＬＥＤ光源を用いた光学式リニアエンコーダは、スケール部のパターンピッチを微細化することで高分解能が得られるので、特に好適である。
【００３９】
本実施形態のリニアエンコーダ１３は、光学式が採用されている。好適な光学式リニアエンコーダの例としては、例えば、マイクロリニアエンコーダＭＬ−０８／１０００ＧＡ（商品名：キヤノン株式会社製）を挙げることができる。この製品では、スケール部の格子ピッチを１．６μｍとして、分割数を１０００とすることで、０．８ｎｍの分解能を得ることができる。
リニアエンコーダ１３は、スレーブアーム８のアーム筐体９に対する駆動ロッド１１の変位を測定するものである。このため、駆動ロッド１１及びアーム筐体９の何れか一方にスケール部１４が設けられている場合には、駆動ロッド１１及びアーム筐体９の何れか他方に検出部１５が設けられている。
【００４０】
本実施形態では、スケール部１４は、連結部１２の基端側の近傍となる駆動ロッド１１の側面に固定されている。駆動ロッド１１は、被駆動部６が可動範囲を移動した場合に、当該移動と連動して移動するので、スケール部１４も駆動ロッド１１とともに移動する。
スケール部１４の軸方向の長さは、駆動ロッド１１が連結される被駆動部６の使用時の最大可動範囲よりも長く設定されている。これにより、被駆動部６の可動範囲のどこに被駆動部６が移動されても、被駆動部６の移動を検出することができる。
【００４１】
検出部１５は、被駆動部６の可動範囲内で被駆動部６が移動してもスケール部１４と常に対向する位置に固定されている。検出部１５は、スケール部１４に形成されたパターンの移動量を検出する。また、検出部１５は、スレーブ側制御装置１１９と電気的に接続されており、スケール部１４の変位に応じたパルス信号をスレーブ側制御装置１１９に出力できるようになっている。
【００４２】
直動機構１６は、ボールねじ方式の機構が採用されている。具体的には、直動機構１６は、アーム筐体９の軸方向と平行に中心軸線が延びるボールスクリュー１７と、ボールスクリュー１７と螺合された直動ブロック１８とを備える。
ボールスクリュー１７の基端側の端部は、モータ回転軸と、回転ジョイントとを介してモーター１９に連結されている。したがって、ボールスクリュー１７は、モーター１９が回転されると、モーター１９の回転力によって中心軸線回りに回転動作する。
【００４３】
直動ブロック１８は、スレーブアーム８の内部に設けられた図示しない直動ガイド部材によって、アーム筐体９の軸方向に沿って移動可能にガイドされる。直動ブロック１８には、駆動ロッド１１の基端側の端部が連結されている。このため、モーター１９を駆動させてボールスクリュー１７を回転させると、直動ブロック１８がボールスクリュー１７に沿って進退される。これにより、直動ブロック１８に連結された駆動ロッド１１は、直動ブロック１８によってボールスクリュー１７の中心軸方向へ進退される。
【００４４】
モーター１９は、直動機構１６のボールスクリュー１７を回転駆動させるもので、アーム筐体９の基端部の内部に設けられた固定部材（不図示）に固定されている。また、モーター１９は、スレーブ側制御装置１１９に電気的に接続され、スレーブ側制御装置１１９からの制御信号に応じた回転角の回転を行うことができる。
また、モーター１９には、上述のエンコーダ２０が接続されており、エンコーダ２０によって、回転軸の回転角を検出することができる。本実施形態では、回転軸とボールスクリュー１７とは回転ジョイントで直結されている。このため、エンコーダ２０が検出する回転角は、ボールスクリュー１７の回転角と一致する。
【００４５】
エンコーダ２０は、スレーブ側制御装置１１９に電気的に接続されている。エンコーダ２０は、検出した回転角の情報をスレーブ側制御装置１１９に出力する。
スレーブ側制御装置１１９へ出力される回転角の情報は、スレーブ側制御装置１１９によってモーター１９の回転動作を制御するために使用される。すなわち、モーター１９とスレーブ側制御装置１１９とにより、モーター１９に対するサーボ機構が構成されている。
【００４６】
エンコーダ２０が検出する回転軸の回転角は、例えばボールスクリュー１７の送りピッチを用いて直動ブロック１８の移動量に換算することができる。つまり、エンコーダ２０は、進退駆動の駆動量を検出する駆動量検出器を成している。直動ブロック１８の移動量は、直動ブロック１８に連結された駆動ロッド１１の基端の点の変位を表している。
したがって、エンコーダ２０は、駆動ロッド１１上で軸方向に離間した二点のうち基端側の点の変位を検出する第二位置検出手段を構成している。
このような構成により、直動ブロック１８とモーター１９とは、駆動ロッド１１の基端部を軸方向に進退させる駆動部を構成している。
【００４７】
図３に示すように、マスタ側制御装置１０６は、マスタ制御部１０７と、マニピュレータ制御部１０８とを備える。
マスタ制御部１０７は、マスタ操作入力装置１０１（図１参照）から出力される操作信号を受信し、この操作信号に基づいた動作を実現するためのスレーブマニピュレータ１０４の制御対象となる可動部の駆動量を解析する。さらに、マスタ制御部１０７は、操作信号に基づいて、制御対象となる可動部を選択する可動部選択信号と、可動部選択信号で選択される可動部への指示値とをマニピュレータ制御部１０８へ出力する。
【００４８】
マニピュレータ制御部１０８は、マニピュレータ制御入力部１０９と、過負荷故障検出部１１０と、マニピュレータ制御出力部１１７と、アーム動作情報検出部１１８とを備える。
【００４９】
マニピュレータ制御入力部１０９には、マスタ制御部１０７から可動部選択信号及び指示値が入力される。また、マニピュレータ制御入力部１０９は、マスタ操作入力装置１０１に対して、過負荷故障検出部１１０から発せられる後述の通知信号を出力するようになっている。
【００５０】
図４に示すように、過負荷故障検出部１１０は、第一基準量算出部１１１と、第二基準量算出部１１２と、差分算出部１１３と、故障検出部１１４と、作動力演算部１１５と、記憶部１１６とを備える。
【００５１】
第一基準量算出部１１１は、リニアエンコーダ１３と電気的に接続され、リニアエンコーダ１３の出力から駆動ロッド１１上で軸方向に離間した二点のうち先端側の点の変位ΔＸ１（図２参照）を検出する。第一基準量算出部１１１によって検出された変位ΔＸ１は、第一基準量算出部１１１から、故障検出部１１４及び差分算出部１１３へ出力される。なお、変位ΔＸ１の正負は、本実施形態では、基端側から先端側へ向かう方向を正とする。
【００５２】
変位ΔＸ１を検出する際の原点の位置は、手術支援システム１００の起動時若しくは術具２に対して負荷がかかっていない状態において決定される。上記原点の設定時には、リニアエンコーダ１３によって、検出部１５に固有の検出位置に配置されたスケール部１４上の点の変位ΔＸ１を、この点の移動に伴って発生する検出位置での通過パターンを読み取ることで検出する。検出位置は、例えば、検出部１５が光学式の場合にはスケール部１４に対する検出光の照射位置である。スケール部１４は、駆動ロッド１１の全長に比べて十分短く且つ変形を起こし難い材質で形成されており、スケール部１４の伸縮は無視することができる。従って、リニアエンコーダ１３は、スケール部１４が検出する変位ΔＸ１を、スケール部１４上の各位置で一定と見なすことができる。
【００５３】
第二基準量算出部１１２は、エンコーダ２０と電気的に接続され、エンコーダ２０の出力から駆動ロッド１１上で軸方向に離間した二点のうち基端側の点の変位ΔＸ２（図２参照）を故障検出部１１４及び差分算出部１１３へ出力するものである。
【００５４】
第二基準量算出部１１２には、エンコーダ２０から出力されたボールスクリュー１７の回転角の情報が入力される。ボールスクリュー１７の回転角と直動ブロック１８の移動量との間には、装置ごとに異なる機械的な誤差が存在する。そこで、本実施形態では、このような装置固有の移動誤差を補正するために、ボールスクリュー１７の回転角と、上記基端側の点の移動位置との対応関係が予め実測してあり、記憶部１１６に記憶されている。第二基準量算出部１１２は、エンコーダ２０から出力された値と、記憶部１１６に記憶された対応関係とを用いて、変位を算出するようになっている。
【００５５】
これにより、第二基準量算出部１１２は、直動ブロック１８の変位を算出することができる。直動ブロック１８の変位は、直動ブロック１８に連結された駆動ロッド１１の基端の点の変位ΔＸ２に等しいので、第二基準量算出部１１２は、基端の点の変位ΔＸ２を検出することができる。
なお、第二基準量算出部１１２は、ボーススクリューのリードの大きさから、ボールスクリュー１７の回転角をねじ送り量に換算するようになっていてもよい。
【００５６】
差分算出部１１３は、第一基準量算出部１１１から出力された点の変位ΔＸ１と、第二基準量算出部１１２から出力された点の変位ΔＸ２とを、それぞれ、スレーブアーム８に連結された術具２の無負荷時の点の位置を基準とする変位に換算する。さらに、差分算出部１１３は、これらの差分を算出し、記憶部１１６に記憶させるとともに作動力演算部１１５へ出力する。
【００５７】
故障検出部１１４は、スレーブアーム８を動作させるためにマスタ制御部１０７から出力される指示値と、第一基準量算出部１１１および第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ１，ΔＸ２とをそれぞれ比較する。また、記憶部１１６には、第一基準量算出部１１１によって算出された変位ΔＸ１と上記指示値との差の許容限度を示す閾値と、第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ２と上記指示値との差の許容限度を示す閾値とが記憶されている。故障検出部１１４は、これらの閾値を利用して、エンコーダ２０およびリニアエンコーダ１３が故障しているか否かを判定するようになっている。
【００５８】
すなわち、第一基準量算出部１１１によって算出された変位ΔＸ１から指示値を引いた差分が閾値を超えている場合には、リニアエンコーダ１３が故障していると判定する。また、第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ２から指示値を引いた差分が閾値を超えている場合には、エンコーダ２０が故障していると判定する。
【００５９】
故障検出部１１４は、リニアエンコーダ１３が故障していることとエンコーダ２０が故障していることとを、それぞれマニピュレータ制御出力部１１７へ出力する。なお、故障検出部１１４は、リニアエンコーダ１３が故障していることとエンコーダ２０が故障していることとを、それぞれ通知信号としてマニピュレータ制御入力部１０９へフィードバックすることができる。
【００６０】
作動力演算部１１５は、差分算出部１１３から出力された差分から、術具２又は直動ブロック１８を介してスレーブアーム８から駆動ロッド１１が受ける力の大きさを検出する。作動力演算部１１５は、適正負荷の上限値以上の力が手術支援装置１にかかっていると判定した場合に、過負荷であると判定する。作動力演算部１１５において過負荷であると判定した場合には、マニピュレータ制御出力部１１７からの出力を制限するための制御をマニピュレータ制御出力部１１７に対して行なう。また、作動力演算部１１５は、過負荷であることを示す情報を表示するための信号等をマスタ表示部１０２へ出力し、過負荷であることを操作者に認識させるための画像等をマスタ表示部１０２に表示させる。
【００６１】
記憶部１１６は、第二基準量算出部１１２、差分算出部１１３、作動力算出部と電気的に接続され、過負荷故障検出部１１０で行う演算処理に必要となるデータを記憶しておくものである。記憶部１１６に記憶されるデータとしては、上記に説明したように、例えば、エンコーダ２０の回転角とボールスクリュー１７による点の移動位置との対応関係を表すデータや、手術支援装置１における適正負荷の大きさの上限値などを挙げることができる。
【００６２】
過負荷故障検出部１１０の装置構成は、上記機能を有するハードウェアのみで構成してもよい。また、過負荷故障検出部１１０の装置構成は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータ及び当該コンピュータ上で動作するプログラムを備えた構成であってもよい。
【００６３】
マニピュレータ制御出力部１１７は、スレーブ側制御装置１１９と電気的に接続されており、スレーブマニピュレータ１０４を動作させるための信号をスレーブ側制御装置１１９へ出力する。
【００６４】
アーム動作情報検出部１１８は、スレーブマニピュレータ１０４に設けられたスレーブアーム８や関節ロボット１０５の位置情報を取得するものである。本実施形態では、アーム動作情報検出部１１８は、リニアエンコーダ１３及びエンコーダ２０による出力を検出して、過負荷故障検出部１１０へと出力する。
【００６５】
スレーブ側制御装置１１９は、マスタ側制御装置１０６およびスレーブマニピュレータ１０４に電気的に接続されている。スレーブ側制御装置１１９は、マニピュレータ制御出力部１１７から出力された信号に基づいて、例えばスレーブアーム８に配されたモーター１９を駆動させるための信号を生成してモーター１９へと出力する。これにより、スレーブ側制御装置１１９は、モーター１９を用いて術具２を動作させることができる。
【００６６】
次に、手術支援装置１の作用について、手術支援システム１００の使用時の動作とともに説明する。図５は、手術支援システムの動作時における手術支援装置の動作の一部を示すフローチャートである。
手術支援装置１は、スレーブアーム８に術具２が取り付けられた状態で、スレーブマニピュレータ１０４にセットされる。術具２とスレーブアーム８とが連結された状態で手術支援システム１００が起動されると、手術支援装置１の初期化が行なわれる。このとき、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０のそれぞれの原点がリセットされ、以降の動作ではこの位置が変位０（ΔＸ１＝０、ΔＸ２＝０）の位置となる。
【００６７】
初期化時に術具２が無負荷状態であれば、リセットすることによって決まった原点の位置が、無負荷時の変位の基準となる。なお、初期化時に術具２に負荷がかかっている状態でリセットされた場合には、リセットすることによって決まった原点の位置は、初期化時にかかっていた負荷と同一の負荷がかかっているときの変位の基準となる。本実施形態では、初期化時には、術具２を無負荷状態としておくことが好ましい。
また、関節ロボット１０５は予め設定された初期化時の位置に移動される。
【００６８】
次に、術者は、マスタ操作入力装置１０１のマスタ表示部１０２の映像を見ながら、操作部１０３を操作する。操作部１０３は術者による操作の動きを解析し、スレーブマニピュレータ１０４を駆動するための操作信号をマスタ側制御装置１０６に送出する。
【００６９】
マスタ側制御装置１０６では、操作信号に基づいて、マスタ制御部１０７からスレーブマニピュレータ１０４の各可動部の動作を制御する可動部選択信号および指示値がマニピュレータ制御部１０８に送出される。可動部選択信号および指示値に基づいて、マニピュレータ制御部１０８からスレーブ側制御装置１１９へと制御信号が送出される。
【００７０】
例えば、手術支援装置１の術具２に設けられた把持部３を開放し、関節ロボット１０５によって被把持物を把持する位置に把持部３を移動させて、把持部３を閉じて被把持物を把持する、といった動作を行う制御信号が送出される。
これにより、手術支援装置１のモーター１９が駆動され、直動ブロック１８が先端側に移動し、駆動ロッド１１を介して被駆動部６が先端側に移動され、駆動リンク５によって把持部３が開放される。
【００７１】
被把持物を把持する際は、モーター１９を逆回転させて直動ブロック１８を基端側に移動する。
モーター１９を動作させたときの術具２の動作は、リニアエンコーダ１３あるいはエンコーダ２０からの出力によって検出される。
【００７２】
このような駆動動作と並行して、過負荷故障検出部１１０は、リニアエンコーダ１３およびエンコーダ２０によって取得される駆動ロッド１１上の点の変位量に基づいて駆動ロッド１１に作用する力を逐次算出し、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０の故障判定をする。
【００７３】
まず、過負荷故障検出部１１０による力検出（図５に示すステップＳ１）について説明する。
モーター１９が駆動されると、リニアエンコーダ１３からの出力ＸＬおよびエンコーダ２０からの出力ＸＭが、それぞれ第一基準量算出部１１１および第二基準量算出部１１２に逐次入力される。第一基準量算出部１１１および第二基準量算出部１１２は、これらの出力信号に基づいて、それぞれの変位ΔＸ１、ΔＸ２を差分算出部１１３に出力する。差分算出部１１３において算出された差分（ＸＭ−ＸＬ）は、作動力演算部１１５へ出力される。
【００７４】
作動力演算部１１５は、差分算出部１１３によって算出された差分に基づいて、駆動ロッド１１にかかる力の大きさを算出する。さらに、作動力演算部１１５は、駆動ロッド１１にかかる力の大きさと、記憶部１１６に記憶された適正負荷の上限値（図５に示す閾値ｔＭＡＸ）とを比較する。力の大きさが適正負荷の上限値以上であった場合には、作動力演算部１１５は、手術支援装置１が過負荷状態で動作していると判定する。過負荷状態であると判定した作動力演算部１１５は、過負荷である旨の警告をマスタ表示部１０２に表示するための信号をマスタ表示部１０２へ出力する。また、マニピュレータ制御出力部１１７に対して、手術支援装置１を作動させるための駆動力を制限する制御を行なってもよい。これにより、手術支援装置１は、適正負荷の上限未満の範囲内で動作する。
【００７５】
ところで、本実施形態の手術支援システム１００は、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とがともに設けられていることにより、術具２の動作量を検出するための手段が二重化されている。これにより、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れか一方が故障しても、術具２を動作させることができる。本実施形態では、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０が故障した場合には、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうち故障している方を特定し、故障していない方を用いて動作を継続することができる。
【００７６】
リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０が故障した場合には、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０からの出力はそれぞれ停止する。
故障検出部１１４は、エンコーダ２０の故障判定（図５に示すステップＳ２）と、リニアエンコーダの故障判定（図５に示すステップＳ３）を行なう。
ステップＳ２では、エンコーダ２０が故障している場合には、指示値Ｘｒｅｆからエンコーダ２０からの出力ＸＭを引いた差分が故障判定のための閾値ｔＭＡＸを超えるので、ステップＳ４へ進む。
また、ステップＳ３では、リニアエンコーダ１３が故障している場合には、指示値Ｘｒｅｆからリニアエンコーダ１３からの出力ＸＬを引いた差分は閾値ｔＭＡＸを超えるので、ステップＳ６へ進む。
【００７７】
このように、上記ステップＳ２，Ｓ３によって、エンコーダ２０とリニアエンコーダ１３とのそれぞれの故障判定をすることができる。
【００７８】
また、故障検出部１１４は、エンコーダ２０が故障していると判定した場合には、エンコーダ２０が故障している旨をマスタ表示部１０２に表示させる（図５に示すステップＳ４）。さらに、故障検出部１１４はエンコーダ２０の出力を無視し、リニアエンコーダ１３の出力値を用いて手術支援装置１の動作を継続させる。すなわち、正常に動作しているリニアエンコーダ１３からの出力を用いて位置検出を行って、手術支援装置１を安全に退避させて手術支援装置１を停止させる（図５に示すステップＳ５）。
【００７９】
逆に、リニアエンコーダ１３が故障していると故障検出部１１４が判定した場合には、リニアエンコーダ１３が故障している旨をマスタ表示部に表示させる（図５に示すステップＳ６）。さらに、故障検出部１１４は、リニアエンコーダ１３からの出力を無視することにより、正常に動作しているエンコーダ２０からの出力を用いて位置検出を行う。すなわち、正常に動作しているエンコーダ２０からの出力を用いて位置検出を行って、手術支援装置１を安全に退避させて手術支援装置１を停止させる（図５に示すステップＳ７）。
【００８０】
このように、本実施形態の手術支援装置１では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうちどちらが故障しているのかを特定することができる。そして、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との一方が故障した後、正常動作している方からの情報を用いて術具２を動作させることができる。
【００８１】
なお、故障した手術支援装置１と同様の術具２が取り付けられた別の手術支援装置１がスレーブマニピュレータ１０４に存在していれば、代替となる手術支援装置１が設けられている旨をマスタ表示部１０２に表示させてもよい。
【００８２】
また、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との両方が故障したと判定された場合には、モーター１９の動作を含むスレーブマニピュレータ１０４の動作を全て停止させてもよい。その後、操作者による手作業等によってスレーブマニピュレータ１０４を安全に退避させることもできる。
【００８３】
なお、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れか一方が故障したと判定された場合にスレーブマニピュレータ１０４の動作を全て停止させてもよい。このとき、駆動ロッド１１の動作も停止されるので、術具２の位置及び姿勢は固定される。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態の手術支援装置１によれば、変位を検出するリニアエンコーダ１３及びエンコーダ２０を用いて力検出を行うことができ、モーター１９から駆動ロッド１１にかかる力の大きさと駆動ロッド１１の伸びとの対応関係を用いて、モーター１９に対して出力された指示値に対応する駆動ロッド１１の伸びが検出されない場合には、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０が故障していると判定できる。このため、手術支援装置１を安全に動作させることができ、且つ、構成を簡素にすることができる。
【００８５】
さらに、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうち故障している方を特定することができるので、故障していない方を用いて位置検出を継続することができる。このため、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れか一方が正常動作していれば、手術支援装置１を、モーター１９を動作させることによって安全に退避させることができる。
【００８６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の手術支援装置１について説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態の手術支援装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略する。図６は、本実施形態の手術支援装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【００８７】
本実施形態では、故障検出部１１４による故障検出方法が異なっている。
本実施形態では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とから出力される値を比較することにより、駆動ロッド１１の伸縮量を検出するようになっている。すなわち、本実施形態では、モーター１９を駆動させるための指示値は、リニアエンコーダ１３及びエンコーダ２０の故障判定に使用しない。
【００８８】
故障検出部１１４は、第一基準量算出部１１１によって算出された変位ΔＸ１と、第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ２を比較し、その差分を算出する。さらに、記憶部１１６には、差分の閾値ΔｌＭＡＸが記憶されている。故障検出部１１４によって算出された差分が記憶部１１６に記憶された閾値ΔｌＭＡＸ以上の場合には、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れか一方が故障していると故障検出部１１４が判定する（図６に示すステップＳ１１）。
【００８９】
本実施形態では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのいずれかが故障していると判定されたときには、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうち故障している方を特定することなく、スレーブマニピュレータ１０４の全ての動作を停止させる（図６に示すステップＳ１２）。
このような故障検出方法であっても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。
また、本実施形態では、駆動ロッド１１の伸縮量のみを用いて故障判定を行なうことができるので、構成をさらに簡素にすることができる。
【００９０】
また、一般的に、位置制御を行うマニピュレータにおいては、駆動軸に負荷が生じたり、指令位置の急速な変化が生じたりした際には、一時的に指令位置と検出位置の偏差が増加する場合がある。本実施形態では、第一基準量算出部１１１によって算出された変位ΔＸ１と第二基準量算出部１１２によって算出された変位ΔＸ２との差によって故障判定を行なっている。これにより、上記偏差の増加による故障の誤検出を低く抑えることができる。
【００９１】
（変形例１）
上述の第２実施形態では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのどちらが故障しているかを特定しない例を示したが、故障している方を特定してもよい。
本変形例では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのどちらが故障しているかを特定するために、マスタ制御部１０７からスレーブアーム８へ出力される指示値Ｘｒｅｆに対応する駆動ロッド１１の伸縮量に基づいて予め決定された閾値ｔＭＡＸを用いる。
【００９２】
指示値Ｘｒｅｆからエンコーダ２０からの出力ＸＭを引いた差分が閾値ｔＭＡＸ以上の場合には、エンコーダ２０が故障していると故障検出部１１４が判定し、ステップＳ１４へ移行する（図７に示すステップＳ１３）。
また、指示値Ｘｒｅｆからエンコーダ２０からの出力ＸＭを引いた差分が閾値ｔＭＡＸを下回っている場合には、エンコーダ２０は故障していないと故障検出部１１４に判定される（図７に示すステップＳ１３）。上記ステップＳ１１からステップＳ１３へ移行した場合には、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との何れかが故障しているから、この場合、リニアエンコーダ１３が故障していることになる。ステップＳ１３においてエンコーダ２０は故障していないと故障検出部１１４に判定された場合には、ステップＳ１６へ移行する。
【００９３】
リニアエンコーダ１３またはエンコーダ２０が故障していると判定されたら、上記第１実施形態と同様に、各エンコーダ１３，２０の故障をマスタ表示部１０２に表示させる（図７に示すステップＳ１４，Ｓ１６）。その後、リニアエンコーダ１３またはエンコーダ２０のうち正常動作している方の出力値を用いて手術支援装置１を安全に退避させる（図７に示すステップＳ１５，Ｓ１７）。
【００９４】
このように、本変形例では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのどちらが故障しているかを特定することができる。このため、第１実施形態と同様に、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０とのうち故障していない方を用いて手術支援装置１を安全に退避させることができる。
【００９５】
（変形例２）
上述の変形例１では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との少なくとも何れかが故障していると判定されている状態でエンコーダ２０の故障判定のみを行なっている。これに対して、本変形例では、リニアエンコーダ１３とエンコーダ２０との少なくとも何れかが故障していると判定されている状態において、リニアエンコーダ１３の故障判定とエンコーダ２０の故障判定を両方行なってもよい。本変形例におけるリニアエンコーダ１３の故障判定は、エンコーダ２０の故障判定と同様の方法にて行なうことができる。
【００９６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の手術支援装置について説明する。図８は、本実施形態の手術支援装置を示す模式図である。
本実施形態の手術支援装置１Ａは、手術支援システム１００の一部ではなく、操作者が手に持って使用する装置である。
【００９７】
図８に示すように、手術支援装置１Ａは、術具２と、スレーブアーム８に代えて設けられた操作部３０とを備える。
操作部３０は、第１実施形態で説明したスレーブアーム８とは形状が異なり、操作者が把持するグリップ３１と、上述の過負荷故障検出部１１０とを備える。
【００９８】
グリップ３１には、モーター１９に対して指示値を出力するためのレバースイッチ３２が設けられている。レバースイッチ３２を動作させることによって、モーター１９の回転方向、回転速度、回転量を指示することができる。
【００９９】
また、操作部３０には、過負荷故障検出部１１０と電気的に接続されたステータスモニタ３３が設けられている。過負荷故障検出部１１０は、過負荷状態であることや、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０が故障したことをステータスモニタ３３表示することができるようになっている。
【０１００】
本実施形態の手術支援装置１Ａも、上述の第１実施形態及び第２実施形態で説明した手術支援装置１と同様の効果を奏する。また、本実施形態の手術支援装置１Ａでは、力検出を行うための力センサを備える必要がないので、手術支援装置１Ａを軽量にすることができる。操作者が手に持って操作する手術支援装置１Ａを軽量にすることができるので、操作者の負担を軽減することができる。
【０１０１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の手術支援装置について説明する。本実施形態の手術支援装置の形状は、第１実施形態の手術支援装置１と同様の形状の装置である（図２参照）。
手術支援装置１は、把持アーム４の各把持片を開閉させるために駆動ロッド１１が直線移動される。手術支援装置１の基端側への駆動ロッド１１の移動量がある規定値を超えると、把持アーム４の各把持片は閉じた状態となる。各把持片が閉じている状態では各把持片はそれ以上閉じる方向へ移動されないので、駆動ロッド１１が牽引される力により駆動ロッド１１は伸びる。ここで、例えば上記規定値を超えても駆動ロッド１１の伸びが検出されない場合には、リニアエンコーダ１３よりも先端側に配された術具２において、駆動リンク５や被駆動部６が破断するなど、動力が正しく伝達できなくなる不具合が生じていると判定することができる。
【０１０２】
したがって、リニアエンコーダ１３及びエンコーダ２０を用いて検出された駆動ロッド１１の移動量に対応する駆動ロッド１１の伸縮量に基づいて、正常に動作している場合に構造上発生するはずの駆動ロッド１１の伸び量を閾値として予め設定しておくことにより、当該閾値との比較によって容易に術具２の不具合を検出することができる。
【０１０３】
この例では、リニアエンコーダ１３によって検出された移動量とエンコーダ２０によって検出された移動量との差分長さが閾値以下である場合に、術具２に故障等の不具合が生じていると判定される。これにより、リニアエンコーダ１３やエンコーダ２０などスレーブアーム８側の故障だけでなく、術具２側の故障も判定することができる。
【０１０４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
たとえば、上述の実施形態では、第一位置検出手段としてリニアエンコーダ１３を駆動ロッド１１に対して設け、第二位置検出手段としてエンコーダ２０をモータ１９に対して設けていたが、第一位置検出手段と第二位置検出手段との配置位置はこれに限られない。
【０１０５】
図９ないし図１２は、本発明の他の構成例を示す模式図である。例を挙げると、図９に示すように、第一位置検出手段４０を被駆動部６に設けてもよい。また、図１０に示すように、第一位置検出手段４０および第二位置検出手段５０をともに駆動ロッド１１に設けてもよい。また、図１１に示すように、第一位置検出手段４０を被駆動部６に設け、第二位置検出手段５０を駆動ロッド１１に設けてもよい。また、図１２に示すように、第一位置検出手段４０と第二位置検出手段５０とをともに被駆動部６に設けてもよい。図９ないし図１２には、第一位置検出手段４０と第二位置検出手段５０とが、第１実施形態で説明したリニアエンコーダー１３と同型のリニアエンコーダを備えている例が図示されている。また、第一位置検出手段４０及び第二位置検出手段５０は、どのような方式で位置を検出するものであってもよい。
また、上述の実施形態では駆動ロッド１１と被駆動部６とが着脱可能に連結される例を示したが、駆動ロッドと被駆動部とは一体のものであってもよい。
【０１０６】
また、上述の第１実施形態では、手術支援システムの初期化時に、術具を無負荷状態としておく例を示したが、手術支援システムの初期化時に術具に負荷をかけておく場合もある。例えば、術具が鉗子を有している場合、初期化時には鉗子を確実に閉じた状態としておきたい場合がある。この場合には、鉗子を構成する一対の鉗子片同士が互いに密着するようにある程度の負荷をかける必要がある。このように初期化時に術具に負荷をかける場合には、術具ごとに、初期化時と無負荷時との駆動状態を定義し、初期化時の原点を基準としたときに無負荷時の変位を実測しておけばよい。
【０１０７】
また、上述の各実施形態では、２種類のエンコーダを使用して力検出を行う例を示したが、各エンコーダの種類は特に限定されない。例えば、リニアエンコーダを２つ使用してもよいし、リニアエンコーダとロータリーエンコーダとの組み合わせでもよい。
【０１０８】
また、上述の各実施形態で説明した過負荷や故障の判定方法は、手術支援システムの他の部分に対しても適用することができる。例えば、関節ロボット１０５の過負荷判定や故障判定にも本発明を好適に適用できる。
【０１０９】
また、上述の各実施形態及び各変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
１，１Ａ手術支援装置
２ 術具
３ 把持部
４ 把持アーム
５ 駆動リンク
６ 被駆動部
６ａ 連結部
７ 術具筐体
８ スレーブアーム
９ アーム筐体
１０ 嵌合部
１１ 駆動ロッド（駆動部材）
１２ 連結部
１３ リニアエンコーダ（第一位置検出手段）
１４ スケール部
１５ 検出部
１６ 直動機構
１７ ボールスクリュー
１８ 直動ブロック
１９ モーター
２０ エンコーダ（第二位置検出手段）
３０ 操作部
３１ グリップ
３２ レバースイッチ
３３ ステータスモニタ
１００ 手術支援システム
１０１ 操作入力装置
１０２ マスタ表示部
１０３ 操作部
１０４ スレーブマニピュレータ
１０５ 関節ロボット
１０６ マスタ側制御装置
１０７ マスタ制御部
１０８ マニピュレータ制御部
１０９ マニピュレータ制御入力部
１１０ 過負荷故障検出部
１１１ 第一基準量算出部
１１２ 第二基準量算出部
１１３ 差分算出部
１１４ 故障検出部
１１５ 作動力演算部
１１６ 記憶部
１１７ マニピュレータ制御出力部
１１８ アーム動作情報検出部
１１９ スレーブ側制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物へと駆動力を伝達するために移動される駆動部材と、
前記駆動部材における所定の一箇所の移動量を計測する第一位置検出手段と、
前記駆動部材において前記所定の一箇所と異なる他の一ヶ所の移動量を検出する第二位置検出手段と、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量との差分長さを検出する差分算出部と、
前記差分長さに基づいて前記駆動部材から前記対象物へと伝達される力の大きさを演算する作動力演算部と、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量とを用いて前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかの故障を検出する故障検出部と、
を備えることを特徴とする手術支援装置。
【請求項２】
請求項１に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に対して発せられる指示値を取得し、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項３】
請求項１に記載の手術支援装置であって、
前記差分長さが所定の範囲以上である場合に、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項４】
請求項３に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項５】
請求項３に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分を、前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された所定の上限と下限とを有する閾値範囲と比較し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲の上限以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲内である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記駆動部材の動作を停止させることを特徴とする手術支援装置。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段とのうち故障していない位置検出手段がある場合には、前記故障していない位置検出手段を用いて前記駆動部材の位置を検出しながら前記駆動部材を所定の位置へ移動させ、前記駆動部材が前記所定の位置へ移動した後に前記駆動部材を停止させることを特徴とする手術支援装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記演算手段によって演算された力の大きさが適正負荷の上限を超えている場合に過負荷状態であると判定する作動力演算部をさらに備えることを特徴とする手術支援装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記対象物に対して処置を行う術具と、
前記術具に対して着脱自在なスレーブアームとを備え、
前記駆動部材、前記第一位置検出手段、および前記第二位置検出手段は、前記スレーブアームに設けられていることを特徴とする手術支援装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて予め設定された閾値を参照し、前記差分長さが前記閾値以下である場合に、前記術具が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記手術支援装置を支持する関節ロボットに対して着脱可能であることを特徴とする手術支援装置。
【請求項１】
対象物へと駆動力を伝達するために移動される駆動部材と、
前記駆動部材における所定の一箇所の移動量を計測する第一位置検出手段と、
前記駆動部材において前記所定の一箇所と異なる他の一ヶ所の移動量を検出する第二位置検出手段と、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量との差分長さを検出する差分算出部と、
前記差分長さに基づいて前記駆動部材から前記対象物へと伝達される力の大きさを演算する作動力演算部と、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量とを用いて前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかの故障を検出する故障検出部と、
を備えることを特徴とする手術支援装置。
【請求項２】
請求項１に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に対して発せられる指示値を取得し、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項３】
請求項１に記載の手術支援装置であって、
前記差分長さが所定の範囲以上である場合に、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項４】
請求項３に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項５】
請求項３に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分を、前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された所定の上限と下限とを有する閾値範囲と比較し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲の上限以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲内である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記駆動部材の動作を停止させることを特徴とする手術支援装置。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段とのうち故障していない位置検出手段がある場合には、前記故障していない位置検出手段を用いて前記駆動部材の位置を検出しながら前記駆動部材を所定の位置へ移動させ、前記駆動部材が前記所定の位置へ移動した後に前記駆動部材を停止させることを特徴とする手術支援装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記演算手段によって演算された力の大きさが適正負荷の上限を超えている場合に過負荷状態であると判定する作動力演算部をさらに備えることを特徴とする手術支援装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記対象物に対して処置を行う術具と、
前記術具に対して着脱自在なスレーブアームとを備え、
前記駆動部材、前記第一位置検出手段、および前記第二位置検出手段は、前記スレーブアームに設けられていることを特徴とする手術支援装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて予め設定された閾値を参照し、前記差分長さが前記閾値以下である場合に、前記術具が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記手術支援装置を支持する関節ロボットに対して着脱可能であることを特徴とする手術支援装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−９４４５２（Ｐ２０１３−９４４５２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４０４７２（Ｐ２０１１−２４０４７２）
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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