圖1至圖8描述根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式的手術(shù)支持系統(tǒng)。
[0070]如圖1中所示，根據(jù)第一優(yōu)選實施方式的手術(shù)支持系統(tǒng)I包括:從設(shè)備10，其具有多個從機械手(機械手)11 ;主設(shè)備(操作單元)40，其被構(gòu)造成施加操作信息；控制設(shè)備70，其被構(gòu)造成根據(jù)操作信息控制從機械手11。
[0071]如圖1和圖2中所不，從設(shè)備10具有:手術(shù)臺12 ;多個從機械手11，其具有固定端11a，固定端Ila被固定于安裝在手術(shù)臺12上的框架13。另外，由于從機械手11具有相同構(gòu)造，所以在下文中，將描述多個從機械手11之中附接手術(shù)鉗30(以下將進行描述)的從機械手11A。
[0072]在優(yōu)選實施方式中，如圖2中所示，從機械手IlA具有對應(yīng)于7個自由度的關(guān)節(jié)21至27，根據(jù)來自主設(shè)備40的操作信息驅(qū)動關(guān)節(jié)21至27。在從機械手IlA中，七個關(guān)節(jié)21至27被設(shè)置成使得關(guān)節(jié)27被設(shè)置成靠近固定端11a。
[0073]在這些關(guān)節(jié)21至27之中，關(guān)節(jié)21和關(guān)節(jié)24是繞著滾動軸(X軸)旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)。也就是說，關(guān)節(jié)21和24的運動軸是平行于X軸的旋轉(zhuǎn)軸。關(guān)節(jié)22和關(guān)節(jié)27是繞著偏航軸(Z軸)旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)22和27的運動軸是平行于Z軸的旋轉(zhuǎn)軸。關(guān)節(jié)23和關(guān)節(jié)26是繞著縱傾軸(Y軸)旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)23和26的運動軸是平行于Y軸的旋轉(zhuǎn)軸。
[0074]另外，關(guān)節(jié)25是沿著滾動軸伸展和收縮的關(guān)節(jié)。
[0075]關(guān)節(jié)21至25的運動軸位于同一直線上。關(guān)節(jié)26和27的運動軸位于同一直線上。由于關(guān)節(jié)21和24的運動軸是旋轉(zhuǎn)軸并且在圖2中示出的初始狀態(tài)下運動軸彼此平行，因此關(guān)節(jié)是具有冗余關(guān)系的冗余關(guān)節(jié)。
[0076]手術(shù)鉗(治療單元)30附接于從機械手IlA的遠(yuǎn)端lib。線材用電動機30b (參見圖3)經(jīng)由操作線材(未示出)連接到安裝在手術(shù)鉗30的遠(yuǎn)端部分的一對鉗片30a。當(dāng)驅(qū)動線材用電動機30b以推進或撤回操作線材時，這對鉗片30a的遠(yuǎn)端部分可彼此接近或分開。在這個示例中，手術(shù)鉗30形成為桿形。
[0077]如圖3中所示，被構(gòu)造成驅(qū)動關(guān)節(jié)21的關(guān)節(jié)電動機21a和被構(gòu)造成檢測關(guān)節(jié)21的旋轉(zhuǎn)角度的編碼器21b安裝在關(guān)節(jié)21處。像關(guān)節(jié)21 —樣，關(guān)節(jié)電動機22a至24a、26a和27a和編碼器22b至24b、26b和27b也分別安裝在關(guān)節(jié)22至24、26和27處。被構(gòu)造成驅(qū)動關(guān)節(jié)25的關(guān)節(jié)電動機25a和被構(gòu)造成檢測關(guān)節(jié)25的伸展量和收縮量的編碼器25b安裝在關(guān)節(jié)25處。
[0078]可通過驅(qū)動關(guān)節(jié)電動機21a至27a獨立地驅(qū)動這些關(guān)節(jié)21至27。編碼器21b至27b檢測到的檢測結(jié)果被輸出到控制設(shè)備70。
[0079]因為圖2中示出的關(guān)節(jié)22至27被合作地驅(qū)動，所以在從機械手IlA中，實現(xiàn)從機械手IlA的遠(yuǎn)端(當(dāng)從固定端Ila觀看時的遠(yuǎn)端)的手術(shù)鉗30的3個位置自由度和3個方向自由度。另外，除了這些關(guān)節(jié)22至27之外，在從機械手IlA中，被構(gòu)造成滾動遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30的關(guān)節(jié)21被作為冗余關(guān)節(jié)安裝。根據(jù)以上提到的構(gòu)造，例如，當(dāng)滾動從機械手IlA的遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30時，可以按及時方式選擇是滾動關(guān)節(jié)24 (遠(yuǎn)離遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30的關(guān)節(jié))還是關(guān)節(jié)21 (靠近遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30的關(guān)節(jié))。在優(yōu)選實施方式中，因為具有冗余關(guān)系的關(guān)節(jié)21和關(guān)節(jié)24沒有同時驅(qū)動，所以簡化了反向動力學(xué)計算。
[0080]將內(nèi)窺鏡(圖像采集單元)31附接于圖4中示出的從機械手IlB的遠(yuǎn)端11b，從機械手IlB是從機械手11中除了從機械手IlA之外的一個。具有LED等的照明單元31a和光學(xué)單元31b在暴露于外部的狀態(tài)下安裝在內(nèi)窺鏡31的遠(yuǎn)端部分。諸如CCD等圖像采集元件31c (參見圖3)比光學(xué)單元31b更靠近內(nèi)窺鏡31的近端側(cè)安裝。光學(xué)單元31b將限定在光學(xué)單元31b前方的視場Rl中的目標(biāo)的圖像成像于圖像采集元件31c的圖像的光接收表面(未示出)上。圖像采集元件31c通過光接收表面上的圖片獲取圖像，并且將圖像切換成信號，以將信號輸出到控制設(shè)備70。
[0081]如圖1中所示，主設(shè)備40具有操作單元41和顯示單元42。
[0082]例如，如圖5中所示，操作單元41具有驅(qū)動單元50，驅(qū)動單元50包括由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)構(gòu)成的驅(qū)動軸51至54和由線性運動機構(gòu)構(gòu)成的驅(qū)動軸55和56。被構(gòu)造成支承操作單元41和顯示單元42的支承框架43被固定于驅(qū)動單元50 (參見圖1)的近端部分。夾具59被安裝在操作單元41的遠(yuǎn)端部分(被諸如執(zhí)業(yè)醫(yī)生等操作人員O的手臂Ol夾持)。
[0083]在這種構(gòu)造中，當(dāng)操作人員O在夾持夾具59的同時移動或旋轉(zhuǎn)操作單元41時，驅(qū)動構(gòu)成操作單元41的驅(qū)動軸51至56。分別由安裝在驅(qū)動軸51至56的編碼器51a至56a(參見圖3)檢測驅(qū)動軸51至56的驅(qū)動量(就旋轉(zhuǎn)機構(gòu)而言是旋轉(zhuǎn)角或就線性運動機構(gòu)而言是位移量)，編碼器51a至56a的檢測信號被作為表明操作單元41的操作信息的信號(操作信號)輸出到控制設(shè)備70，該操作信息用于指示從設(shè)備10的從機械手11遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30的位置和方向。
[0084]優(yōu)選實施方式的操作單元41具有六個驅(qū)動軸并且輸出通過移動六個驅(qū)動軸51至56而得到的編碼器51a至56a的六個操作信號Θ ^屯、d2、Θ 2、Θ 3和Θ 4?？刂圃O(shè)備70的主控制單元72(以下將描述)使用這些值計算針對從機械手11的位置/方向指示信號。
[0085]機械手選擇器開關(guān)61被安裝于操作單元41 (參見圖3)，機械手選擇器開關(guān)61被構(gòu)造成切換由操作單元41控制的從機械手11。另外，雖然未示出，但被構(gòu)造成驅(qū)動線材電動機30b等的開關(guān)等被安裝于操作單元41。
[0086]例如，顯示單元42由液晶顯示器構(gòu)成并且基于從控制設(shè)備70輸入的圖像信號來顯不圖像。
[0087]如圖3中所示，控制設(shè)備70具有連接到總線71的主控制單元72、治療工具位置檢測單元73、內(nèi)窺鏡位置檢測單元74、距離計算單元75、機械手控制單元(控制單元)76、圖像處理單元77、輸入單元78和電源79。從機械手11的關(guān)節(jié)電動機21a至27a、編碼器21b至27b、手術(shù)鉗30的線材用電動機30b、內(nèi)窺鏡31的圖像采集元件31c、操作單元41的編碼器51a至56a、機械手選擇器開關(guān)61和顯示單元42連接到總線71。
[0088]主控制單元72、治療工具位置檢測單元73、內(nèi)窺鏡位置檢測單元74、距離計算單元75、機械手控制單元76和圖像處理單元77中的每個由計算裝置、存儲器、控制程序等構(gòu)成。
[0089]主控制單元72根據(jù)對應(yīng)于六個自由度的來自主設(shè)備40的操作信號，計算從機械手11遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30的位置和方向的指示值。然后，計算出的指示值被輸出到機械手控制單元76。
[0090]從機械手IlA的相鄰關(guān)節(jié)之間的長度、手術(shù)鉗30的長度等被存儲在治療工具位置檢測單元73中。治療工具位置檢測單元73基于從從機械手IlA的編碼器21b至27b輸入的檢測結(jié)果、上述存儲的長度等來檢測手術(shù)鉗30的遠(yuǎn)端部分的位置。另外，治療單元檢測單元由從機械手IlA的編碼器21b至27b和治療工具位置檢測單元73構(gòu)成。
[0091]從機械手IlB的相鄰關(guān)節(jié)之間的長度、內(nèi)窺鏡31的長度等被存儲在內(nèi)窺鏡位置檢測單元74中。內(nèi)窺鏡位置檢測單元74基于從從機械手IlB的編碼器21b至27b輸入的檢測結(jié)果和上述存儲的長度來檢測內(nèi)窺鏡31的遠(yuǎn)端部分的位置和方向。另外，圖像采集單元檢測單元由從機械手IlB的編碼器21b至27b和內(nèi)窺鏡位置檢測單元74構(gòu)成。
[0092]內(nèi)窺鏡31中的視場Rl等的配置被存儲在距離計算單元75中。距離計算單元75用治療工具位置檢測單元73檢測到的手術(shù)鉗30的遠(yuǎn)端部分的位置和內(nèi)窺鏡位置檢測單元74檢測到的內(nèi)窺鏡31的遠(yuǎn)端部分的位置，計算切換距離(切換位置關(guān)系)L1, 1^是沿著如圖6中所示的視場Rl的中軸擴展成基本上圓錐形形狀的、手術(shù)鉗30的遠(yuǎn)端部分和內(nèi)窺鏡31的遠(yuǎn)端部分之間的距離。位置關(guān)系計算單元由圖像采集單元檢測單元、治療單元檢測單元和距離計算單元75構(gòu)成。另外，距離計算單元75可根據(jù)手術(shù)鉗30的遠(yuǎn)端部分的位置和內(nèi)窺鏡31的遠(yuǎn)端部分的位置和方向來檢測手術(shù)鉗30的遠(yuǎn)端部分是否位于內(nèi)窺鏡31的視場Rl中。
[0093]機械手控制單元76通過基于來自主設(shè)備40的位置和方向的指示值進行的反向動力學(xué)計算，計算為了與從機械手11遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30的位置和方向的指示值一致而所需的從機械手11的關(guān)節(jié)21至27的驅(qū)動量。
[0094]另外，機械手控制單元76進行控制，以基于切換距離1^選擇和驅(qū)動關(guān)節(jié)21和24中的一個并且固定其它關(guān)節(jié)。更具體地，當(dāng)切換距離L1是預(yù)定閾值或更小時，機械手控制單元76選擇和驅(qū)動從機械手11的關(guān)節(jié)21和24中的靠近從機械手11遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30的關(guān)節(jié)21，并且將遠(yuǎn)離遠(yuǎn)端的手術(shù)鉗30的關(guān)節(jié)24固定。也就是說，機械手控制單元76使用關(guān)節(jié)21作為驅(qū)動關(guān)節(jié)并且使用關(guān)節(jié)24作為固定關(guān)節(jié)來控制從機械手11。同時，當(dāng)切換距離L1大于閾值時，機械手控制單元76選擇和驅(qū)動關(guān)節(jié)24并且固定關(guān)節(jié)21。可根據(jù)過程的內(nèi)容、所使用的治療工具(治療單元)的種類等將閾值設(shè)置成例如20mm等。
[0095]圖像處理單元77將圖3中示出的內(nèi)窺鏡31獲取的圖像切換成圖像信號并且將圖像信號輸出到顯示單元42。
[0096]輸入單元78是例如鍵盤并且設(shè)置在從設(shè)備10的附近。助手從輸入單元78輸入的