JP4755047B2 - 作業機構及びマニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、プーリに対してワイヤ等の可撓性動力伝達部材を巻き掛け、該可撓性動力伝達部材の循環回転作用下にプーリを回転させることにより作業部の少なくとも１つの関節軸を動作させる作業機構、及び該作業機構を先端に設け、アーム等を介して他端から操作を行うマニピュレータに関する。

腹腔鏡下手術においては、患者の腹部等に小さな孔をいくつかあけて内視鏡、マニピュレータ（又は鉗子）等を挿入し、術者が内視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような腹腔鏡下手術は、開腹を必要としないため患者への負担が少なく、術後の開腹や退院までの日数が大幅に低減されることから、適用分野の拡大が期待されている。

一方、腹腔鏡下手術で用いるマニピュレータには、患部の位置及び大きさに応じて迅速且つ適切な手技が可能であることが望まれており、しかも患部切除、縫合及び結紮等の様々な手技が行われる。このため、本出願人は、操作の自由度が高くしかも簡便に操作することのできるマニピュレータの開発及び提案をしている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００２−１０２２４８号公報 特開２００４−３０１２７５号公報

本出願人は、特許文献１及び特許文献２に係るマニピュレータに関連して図２１に示す作業部９００を開発した。

図２１に示すように、作業部９００は、ワイヤ９０２、ワイヤ９０３及びワイヤ９０４によって駆動され、３自由度を有する。各ワイヤ９０２、９０３及び９０４は、それぞれ対応する筒体９４０ｃ、９４０ｂ、９４０ａに巻き掛けられている。

作業部９００では、ワイヤ９０２及び９０４の作用下に歯車９０５が回転し、図示しないフェイスギアを回転させることによって先端部をロール方向に回転させることができる。また、ワイヤ９０４の作用下に第２歯車９０６が回転し、歯車リング９０７及び歯車９０８を介してグリッパ９０９を開閉させることができる。さらに、ワイヤ９０２、９０３、９０４の作用下に主軸部材９１０を介して先端部をヨー方向に回転させることができる。

作業部９００は、患者の腹部等に設けた細径のトラカールに挿通可能なように細径に構成されている。あまり大径になると挿入すべき孔も大きくしなければならず、患者の負担を軽減するという本来の趣旨が没却されてしまうからである。

ところで、作業部９００の自由度がヨー軸、ピッチ軸の場合は、その動作範囲は±９０°であるため、大きな動作範囲を必要としないが、ロール軸を有する場合、ロール軸の動作領域は、操作性に大きな影響を与える。たとえば、図２２Ａ〜図２２Ｃに示すように、グリッパ９０９で保持した湾曲針９３０を用いて縫合する場合、該湾曲針９３０を任意の姿勢からスムーズに刺入、刺出するためには、ロール軸が±１８０°程度以上の動作範囲を有することが望まれる。

動作範囲を一層広げるためには、ワイヤ９０２、９０３及び９０４の回りになるべく多数巻回することが必要である。ところが、図２１から明らかなように、作業部９００における各ワイヤ９０２、９０３及び９０４は、支軸９２０に対して同軸状に直列して巻回されており、十分なスペースがないためにワイヤの巻回数を多く設定することは困難である。

たとえば、図２１の作業部９００では、各筒体９４０ａ〜９４０ｃに対してそれぞれ１．５回転分（５４０°）のワイヤが巻き付けられているが、各筒体９４０ａ〜９４０ｃへの巻き付け角度を大きくすることはスペース的に困難である。つまり、多数巻回するためには巻回数に応じて支軸９２０が長くなければならず、結果として作業部９００が大径となってしまう。

仮に、ヨー軸の動作範囲を±９０°、ロール軸の動作範囲を±１８０°とすると、ヨー軸の動作＋ロール軸の動作だけで、巻き付け角度が５４０°となってしまい、把持動作のための巻き付け角度の余裕は無い。逆に、把持動作を行うためにはヨー軸の動作範囲又はロール軸の動作範囲を小さくしなければならない。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、可動範囲、信頼性及び操作性が一層向上する作業機構及びマニピュレータを提供することを目的とする。

本発明に係る作業機構は、第１可撓性動力伝達部材と、前記第１可撓性動力伝達部材が巻き掛けられ、回転可能に設けられた第１筒体と、前記第１可撓性動力伝達部材と略平行で、前記第１筒体を挟むように延在する第２可撓性動力伝達部材と、回転軸が前記第１筒体と略平行となるように設けられ、前記第２可撓性動力伝達部材が巻き掛けられる第２筒体と、回転軸が前記第１筒体と略平行に設けられる従動回転体と、前記第１筒体の回転を前記従動回転体に伝達する第１回転伝達機構と、前記従動回転体の回転に連動して動作する第１作用部と、前記第２筒体の回転に連動して動作する第２作用部とを有することを特徴とする。

また、本発明に係るマニピュレータは、第１入力部及び第２入力部と、前記第１入力部及び第２入力部の操作に基づいて回転する第１回転源及び第２回転源と、後方部が前記第１回転源に巻き掛けられ、前方部が第１筒体に複数回転巻き掛けられた第１可撓性動力伝達部材と、前記第１可撓性動力伝達部材と略平行で、前記第１回転源の両側方を通り前方に延在し、後方部が前記第２回転源に巻き掛けられ、前記第１筒体よりも前方の第２筒体に巻き掛けられた第２可撓性動力伝達部材と、前記第１筒体よりも前方で、回転軸が前記第１筒体と略平行に設けられる従動回転体と、前記第１筒体の回転を前記従動回転体に伝達する回転伝達機構と、前記従動回転体の回転に連動して動作する第１作用部と、前記第２筒体の回転に連動して動作する第２作用部とを有することを特徴とする。

本発明に係る作業機構及びマニピュレータによれば、第２可撓性動力伝達部材の巻数及び第２筒体の大きさ等は、第１筒体に対する第１可撓性動力伝達部材の巻回に影響が少なく、第１筒体の広い領域に対して第１可撓性動力伝達部材を巻き掛けることが可能となり、第１筒体の回転量を大きくすることができる。これにより、従動回転体の回転量及び回転トルクを大きく設定でき、可動範囲及び操作性が向上する。

また、本発明に係る作業機構及びマニピュレータは簡便構造であり、信頼性が高い。

以下、本発明に係る作業機構及びマニピュレータについて第１、第２及び第３の実施の形態を挙げ、添付の図１〜図２０を参照しながら説明する。第１の実施の形態に係るマニピュレータ１０ａ（図１参照）、第２の実施の形態に係るマニピュレータ１０ｂ（図１２参照）及び第３の実施の形態に係るマニピュレータ１０ｃ（図１７参照）は、医療用であって腹腔鏡下手術等に用いられるものである。本実施の形態に係る作業部（作業機構）１２ａ、１２ｂ及び１２ｃは、マニピュレータ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃの先端部に設けられた３自由度の機構である。

マニピュレータ１０ａは、先端の作業部１２ａに生体の一部又は湾曲針等等を把持して所定の処置を行うためのものであり、通常、把持鉗子やニードルドライバ（持針器）等とも呼ばれる。

図１に示すように、マニピュレータ１０ａは、人手によって把持及び操作される基端部の操作指令部１４と、先端部で作業を行う作業部１２ａと、これらの作業部１２ａと操作指令部１４とを接続する長尺な連結部１６とを有する。作業部１２ａ及び連結部１６は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール２０から体腔２２内に挿入可能であり、操作指令部１４の操作により体腔２２内において患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。

なお、以下の説明では、図１、図１２及び図１７における幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向及び、連結部１６の延在方向をＺ方向と規定する。また、右方をＸ１方向、左方をＸ２方向、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向、前方をＺ１方向、後方をＺ２方向と規定する。さらに、特に断りのない限り、これらの方向の記載はマニピュレータ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが中立姿勢（図２、図１２及び図１７に示す状態の姿勢）である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、マニピュレータ１０ａ、１０ｂ及び１０ｂは任意の向きで（例えば、上下を反転させて）使用可能であることはもちろんである。

操作指令部１４は、人手によって把持されるグリップハンドル２６と、該グリップハンドル２６の上部から延在するアーム２８と、該アーム２８の先端に接続されたアクチュエータブロック３０とを有する。グリップハンドル２６には、指で操作可能なトリガーレバー（第１入力部）３２、第１指示レバー（第２入力部）３４及び第２指示レバー３６が設けられている。トリガーレバー３２は、人差し指による引き寄せ動作が容易な位置に設けられている。

アクチュエータブロック３０には作業部１２ａが有する３自由度の機構に対応してモータ４０、モータ４２及びモータ４４が連結部１６の延在方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ４０、４２及び４４は小型、細径であって、アクチュエータブロック３０はコンパクトな扁平形状に構成されている。アクチュエータブロック３０は、操作指令部１４のＺ１方向端部の下方に設けられている。また、モータ４０、４２及び４４は、操作指令部１４の操作に基づき、コントローラ４５の作用下に回転をする。

連結部１６は、アクチュエータブロック３０に対して接続される接続部４６と、該接続部４６からＺ１方向に向かって延在する中空の連結シャフト４８とを有する。接続部４６には、モータ４０、４２及び４４の駆動軸に接続される駆動プーリ（第２回転源）５０ａ、駆動プーリ５０ｂ及び駆動プーリ（第１回転源）５０ｃが回転自在に設けられている。駆動プーリ５０ａ、駆動プーリ５０ｂ及び駆動プーリ５０ｃには、ワイヤ（第２可撓性動力伝達部材）５２、ワイヤ５４及びワイヤ（第１可撓性動力伝達部材）５６が巻き掛けられており、連結シャフト４８の中空部分４８ａ（図２参照）を通って作業部１２ａまで延在している。ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６はそれぞれ同種、同径のものを用いることができる。以下、ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６をまとめて、代表的にワイヤ５７ともいう。

連結部１６は、接続部４６における所定の操作によって操作指令部１４から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。また、連結部１６から先の部分は交換可能であって、手技に応じて連結部１６の長さの異なるもの、又は作業部１２ａの機構が異なるものを装着することができる。

図２に示すように、連結部１６の先端部には先端方向に突出している一対の舌片部５８が連結シャフト４８の中心軸に対面して配設されている。連結シャフト４８の中空部分４８ａは、一対の舌片部５８の間の空間部に連通している。この一対の舌片部５８には、対抗する位置に２組の軸孔６０ａ、６０ａと、６０ｂ、６０ｂとが設けられている。舌片部５８の先端はそれぞれ円弧形状に形成されている。また、一対の舌片部５８の対抗する内側面は平行な平面に形成されており、その間隔はＨとなっている。

２つの軸孔６０ａ，６０ａ及び２つの軸孔６０ｂ、６０ｂは中心軸を挟むように設けられている。軸孔６０ａと軸孔６０ｂはＺ方向に並列して設けられ、軸孔６０ｂが軸孔６０ａよりも先端側に配置されている。

図２に示すように、作業部１２ａはＹ方向の第１回転軸Ｏｙを中心にして、それよりも先の部分がヨー方向に回動する第１自由度と、Ｚ方向の第２回転軸Ｏｒを中心にしてロール方向に回動する第２自由度と、第３回転軸Ｏｇを中心として先端のエンドエフェクタ１０４を開閉させる第３自由度とを有する合計３自由度の機構となっている。作業部１２ａは、ワイヤ受動部１００と、駆動機構部１０２と、エンドエフェクタ１０４とを有する。なお、便宜上、駆動機構部１０２とエンドエフェクタ１０４とを分けて説明するが、「エンドエフェクタ」とは、一般的に処置を行う先端部分と解されていることからエンドエフェクタ１０４と駆動機構部１０２とを含むように定義してもよい。

図２〜図５を参照しながら、ワイヤ受動部１００、駆動機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４について詳細に説明する。

ワイヤ受動部１００は、一対の舌片部５８の間に設けられており、ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６のそれぞれの循環動作を回転動作に変換して駆動機構部１０２に伝達する部分である。ワイヤ受動部１００は、軸孔６０ａ、６０ａに挿入されるシャフト１１０と、軸孔６０ｂ、６０ｂに挿入されるシャフト１１２と、シャフト１１０に対して回転自在に軸支される歯車体１１４とを有する。シャフト１１０及び１１２は、軸孔６０ａ、６０ｂに対して、例えば圧入により固定される。シャフト１１２は第１回転軸Ｏｙの軸上に配置される。

歯車体１１４は、筒体（第１筒体）１１６と、該筒体１１６の上部に同心状に設けられた第１歯車（第１回転伝達機構、接続部駆動歯車）１１８とを有する。第１歯車１１８は筒体１１６よりも大径の平歯車である。以下、特に断らない限り歯車は平歯車である。歯車体１１４は高さが略Ｈであって、一対の舌片部５８の間に回転自在に配置される。第１歯車１１８の厚さＤ１は高さＨと比較して十分に薄く、筒体１１６の高さ（つまり、Ｈ−Ｄ１）は舌片部５８の間の高さＨのうち相当程度を占める。第１歯車１１８の上面には、シャフト１１０が挿入される孔の周辺に低い環状リブ１１８ａが設けられており、第１歯車１１８の上面が上側の舌片部５８に接触することが防止され摺動抵抗の低減を図っている。

図６に示すように、筒体１１６にはワイヤ固定機構１２０が設けられている。ワイヤ固定機構１２０は、Ｚ２方向の側のやや上方部分で横方向（中立時のＸ方向）に延在する溝１２２と、該溝１２２の中央に設けられたテーパ状の固定ピン１２４とを有する。溝１２２の中央部には、固定ピン１２４が挿入・固定される凹部１２２ａが設けられている。溝１２２の向きはワイヤ５７が螺旋状に巻回するのに合わせてやや傾斜していてもよい。

溝１２２の幅及び最大深さは、ワイヤ５７の径と略等しく設定されている。固定ピン１２４には横方向に連通して、ワイヤ５７が貫通可能な孔１２４ａが設けられている。孔１２４ａにワイヤ５７を通しておき、固定ピン１２４を凹部１２２ａに挿入することにより、ワイヤ５７は一部が溝１２２に嵌り、向きが水平に規定されるとともに筒体１１６に対して固定される。

図２〜図５に戻り、ワイヤ受動部１００は、Ｙ１方向からＹ２方向に向かって順に、シャフト１１２に対して回転自在に軸支される歯車体（従動回転体）１２６と、主軸部材１２８と、歯車体１３０とを有する。

歯車体１２６は、筒体１３２と、該筒体１３２の上部に同心状に設けられた第２歯車（第１回転伝達機構）１３４とを有する。第２歯車１３４は第１歯車１１８と同じ厚さで、該第１歯車１１８と噛合するように設定されている。第２歯車１３４は第１歯車１１８よりも歯数が多く、第１歯車１１８の回転が減速して（トルクが増大して）伝達することができる。もちろん、設計条件に応じて同速又は増速するように伝達してもよい。第２歯車１３４の上面には、シャフト１１２が挿入される孔の周辺に低い環状リブ１３４ａが設けられており、第２歯車１３４の上面が上側の舌片部５８に接触することが防止され摺動抵抗の低減を図っている。

歯車体１３０は、歯車体１２６とほぼ同形状であって、該歯車体１２６に対して上下反転に配置されている。歯車体１３０は、筒体１３６と、該筒体１３６の下部に同心状に設けられた第３歯車１３８とを有する。筒体１３６は筒体１３２と略同径、同形状である。第３歯車１３８は、第２歯車１３４よりも歯数をやや少なくするこができる。筒体１３６のＺ２方向の側の面には、筒体１１６と同様のワイヤ固定機構１２０が設けられており、ワイヤ５４を固定している。

主軸部材１２８は、シャフト１１２が挿通する筒体（第２筒体）１４０と、Ｚ１方向に設けられた環状座面１４２と、該環状座面１４２の中心からＺ１方向に延在する支持バー１４４とを有する。支持バー１４４は第２回転軸Ｏｒの軸上に配置される。支持バー１４４の先端部には雄ねじが設けられている。

環状座面１４２は上下２つの短いブリッジ１４２ａを介して、筒体１４０の外側面よりもやや離れた位置に設けられており、環状座面１４２と筒体１４０との間にはワイヤ５２が挿通で、Ｙ方向にやや長い縦孔１４６が設けられている。筒体１４０のＺ２方向の側の面には、筒体１１６と同様のワイヤ固定機構１２０が設けられており、ワイヤ５２を固定している。

主軸部材１２８は、ワイヤ５２の循環動作に伴って第１回転軸Ｏｙを中心としたヨー方向に回転し、支持バー１４４をＸＺ平面上で揺動させることができる。

筒体１４０、歯車体１２６及び歯車体１３０は、シャフト１１２を軸として積層配置されており、その積層高さはＨと略等しく、一対の舌片部５８の間にほぼ隙間なく設けられている。

次に、駆動機構部１０２は、駆動ベース１５０と、歯車リング１５２と、歯車付きピン１５４と、固定ナット１５６及び１５８と、カバー１６０とを有する。固定ナット１５６には、細い回転工具を挿入するための径方向の複数の細孔１５６ａが設けられている。細孔１５６ａの少なくとも１つは、径方向に露呈しており（図２参照）、カバー１６０等を取り外すことなく固定ナット１５６を回転させることができる。固定ナット１５８には、スパナ等の回転工具を係合可能な平行面１５８ａが設けられている。

駆動ベース１５０は、支持バー１４４の基端部に回動自在に挿入される筒体１６４と、該筒体１６４の左右両端からＺ１方向に向かって突出している一対の支持アーム１６６と、筒体１６４のＺ２方向の面に設けられたフェイスギア１６８とを有する。各支持アーム１６６はエンドエフェクタ１０４を支持する部分であり、Ｘ方向に並んだ孔１６６ａが設けられている。筒体１６４を支持バー１４４の基端部に挿入した後に、固定ナット１５６を支持バー１４４の先端の雄ねじに螺着させることにより、駆動ベース１５０は支持バー１４４を中心とした（つまり、第２回転軸Ｏｒを中心とした）ロール方向に、回動自在に軸支される。

フェイスギア１６８は第３歯車１３８に噛合し、駆動ベース１５０は筒体１３６の回転にともなって、第２回転軸Ｏｒを中心として回転可能である。

歯車リング１５２は薄い筒体であって、Ｚ２方向の面に設けられたフェイスギア１７０と、Ｚ１方向の面に設けられたフェイスギア１７２とを有する。歯車リング１５２は駆動ベース１５０の筒体１６４に嵌装され、該筒体１６４の周面に対して摺動回転自在となる。歯車リング１５２は、フェイスギア１７０が駆動ベース１５０のフェイスギア１６８よりもややＺ１方向側の位置であって、第２歯車１３４に噛合する位置まで筒体１６４に嵌装される。フェイスギア１７０は第２歯車１３４に噛合し、歯車リング１５２は歯車体１２６の回転に伴って第２回転軸Ｏｒを中心として回転可能である。

歯車付きピン１５４は、フェイスギア１７２に噛合する第４歯車（接続部従動歯車）１７４と、該第４歯車１７４の中心からＸ１方向に延在するピン１７６とを有する。ピン１７６の先端部には雄ねじが設けられている。ピン１７６は２つの孔１６６ａを通って雄ねじが反対側の支持アーム１６６から突出し、固定ナット１５８が螺着される。これにより、歯車付きピン１５４は、第４歯車１７４がフェイスギア１７２に噛合するとともに、支持アーム１６６に対して回動自在に軸支される。また、ピン１７６はエンドエフェクタ１０４の一部に係合するようにＤカット形状となっている。

カバー１６０は、駆動機構部１０２における上記の各部品を保護するためのものであって、歯車リング１５２、第４歯車１７４は径方向に露呈されないように覆われる。カバー１６０は、Ｚ２方向の短筒１８０と、該短筒１８０の左右両端からＺ１方向に向かって突出している一対の耳片部１８２とを有する。耳片部１８２は、短筒１８０の周壁の一部が同径のままＺ１方向に延在している形状である。カバー１６０の下部はカバー固定ピン１６２によってエンドエフェクタ１０４の一部に固定されている。カバー１６０は正面視で連結部１６と同径又は小径に設定されている。

このような駆動機構部１０２では、歯車体１３０の回転作用下に、第３歯車１３８からフェイスギア１６８に回転が伝達されて駆動ベース１５０及び該駆動ベース１５０に接続されるエンドエフェクタ１０４を第２回転軸Ｏｒを中心として回転させることができる。また、歯車体１１４の回転作用下に、第１歯車１１８から第２歯車１３４、フェイスギア１７０、フェイスギア１７２及び第４歯車１７４を介してピン１７６に回転が伝達され、歯車付きピン１５４を回転させることができる。

なお、カバー１６０は、駆動機構部１０２、エンドエフェクタ１０４を動作に支障のない範囲でほぼ全域にわたり覆うように円筒や円錐形のカバーで構成してもよい。また、ピン１９６を利用してカバー１６０を固定してもよい。

次に、エンドエフェクタ１０４は、第１エンドエフェクタ部材１９０と、第２エンドエフェクタ部材１９２と、リンク１９４と、ピン１９６とを有する。ピン１９６は第３回転軸Ｏｇの軸上に配置される。

第１エンドエフェクタ部材１９０は、左右に対向して設けられた一対のサイドウォール２００と、サイドウォール２００の先端部にそれぞれ設けられた孔２００ａと、サイドウォール２００の後端部にそれぞれ設けられた孔２００ｂと、サイドウォール２００の先端下部からＺ１に突出した第１グリッパ２０２と、サイドウォール２００の後端下部に設けられたカバー固定部２０４とを有する。孔２００ａはピン１９６が、例えば圧入されるのに適した径に設定されている。第１グリッパ２０２はＺ１方向に向かってやや幅狭となって、先端部が円弧状となる形状であり、Ｙ１方向の全面には小さい錐上突起がほぼ隙間なく設けられている。

各サイドウォール２００の先端部は円弧状に形成されており、後端部の両外側面には前記の支持アーム１６６が嵌り込む凹部２００ｃが設けられている。第１グリッパ２０２とカバー固定部２０４との間には、第２エンドエフェクタ部材１９２の後端部に対する干渉を防止する孔１９０ａ（図５参照）が設けられている。カバー固定部２０４には、カバー固定ピン１６２が、例えば圧入される孔が設けられている。

第２エンドエフェクタ部材１９２は、ベース部２１０と、ベース部２１０の先端からＺ１方向に延在する第２グリッパ２１２と、ベース部２１０の左右後端からＺ２方向に延在する一対の耳片部２１４と、ベース部２１０の先端下部に設けられた軸支筒２１６とを有する。軸支筒２１６はピン１９６が挿入可能な程度の内径の孔２１６ａを有している。ピン１９６が軸支筒２１６に挿入されて孔２００ａに対して、例えば圧入されることにより、第２エンドエフェクタ部材１９２は第３回転軸Ｏｇを中心として揺動自在となる。第２グリッパ２１２は第１グリッパ２０２と同形状で上下反転に配置されており、第２エンドエフェクタ部材１９２が第３回転軸Ｏｇを中心として回動したときに第１グリッパ２０２に対して当接し、湾曲針９３０（図２２Ａ参照）等を把持することができる。耳片部２１４にはそれぞれ長孔２１４ａが設けられている。

リンク１９４は、一方の端部に設けられた孔２２０と、他方の端部に設けられて左右に突出する一対の係合部２２２とを有する。各係合部２２２は長孔２１４ａに対して摺動可能に係合している。孔２２０はピン１７６が係合するに適したＤカット形状に形成されており、該ピン１７６に対する位置決め機能及び回り止め機能を有する。ピン１７６が孔１６６ａ、孔２００ｂ及び２２０に挿入されるとともに、先端部に固定ナット１５８が螺着されることにより、リンク１９４はピン１７６を中心として揺動自在となる。

図７Ａ〜図７Ｃに示すように、エンドエフェクタ１０４では、歯車付きピン１５４の回転作用下にリンク１９４を揺動させるとともに、該リンク１９４が揺動することにより各係合部２２２が長孔２１４ａに案内されながら第２エンドエフェクタ部材１９２の後端部をＹ方向に昇降させることができる。また、第２エンドエフェクタ部材１９２は第３回転軸Ｏｇを中心として揺動可能であることから、リンク１９４の作用下に揺動し、第２グリッパ２１２を第１グリッパ２０２に対して開閉させることができる。エンドエフェクタ１０４はリンク１９４により、トグル機構を構成し把持力を増幅する機構となっている。

第２グリッパ２１２を第１グリッパ２０２から離間させるときには、反対側の耳片部２１４はＹ２方向に変位することになるが、第１エンドエフェクタ部材１９０には孔１９０ａが設けられていることから、第１エンドエフェクタ部材１９０と第２エンドエフェクタ部材１９２とが干渉することはない。

図８に示すように、作業部１２ａはワイヤ受動部１００の部分と、それ以外の駆動機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４の部分の２つに分解可能であり、必要に応じて、駆動機構部１０２よりも先の部分を他の機構に交換することができる。

また、筒体１４０にはワイヤ５２が１．５回転巻き掛けられ、筒体１３６にはワイヤ５４が１．５回転巻き掛けられ、筒体１１６にはワイヤ５６が２．５回転（９００°）巻き掛けられている。図５から明らかなように、筒体１４０の直径は、筒体１１６の直径に対してワイヤ５６を２本加えた幅以上に設定されており、平面視でワイヤ５２及びワイヤ５４は、ワイヤ５６よりもやや外側に配置される。これにより、各ワイヤ同士の干渉を容易に防止することができる。

つまり、ワイヤ５６はワイヤ５２よりも内側に配置されており、これらのワイヤ５２に干渉することがない。したがって、ワイヤ５６は、ワイヤ５２の位置に無関係に、筒体１１６に対して全高さ（つまりＨ−Ｄ１）の約２／３の領域１１６ａ（図４参照）を使って巻回することができる。該領域１１６ａは十分に広いことから、ワイヤ５６を２．５回転（又はそれ以上で、例えば、３．５回転（１２６０°））巻き掛けることができ、歯車体１１４を２．５回転（又はそれ以上）させることができる。また、歯車体１１４の回転量を大きくすることができるため、第１歯車１１８と第２歯車１３４との歯車比を大きく設定することが可能となり、歯車体１２６の回転トルクを増大することも可能である。

ところで、仮に、歯車体１１４や第１歯車１１８を設けずに、ワイヤ５６を筒体１３２に巻き掛けて歯車体１２６を直接的に回転させる場合には、ワイヤ５６を巻き掛ける領域１３２ａ（図４参照）は筒体１３２の高さによって制限され、前記の領域１１６ａ（つまり全高の約２／３の領域）と比較して狭く、半分程度である。つまり、高さＨから筒体１４０、筒体１３６等の高さを差し引いた残余の部分にしか巻き掛けることができず、筒体１３６に対するワイヤ５４の巻き掛けと同様に、１．５回転（５４０°）程度しか巻き掛けることができない。したがって、歯車体１２６の回転量や回転トルクが小さくなる。

これに対して、本実施の形態に係るマニピュレータ１０ａの作業部１２ａにおいては、前記のように、ワイヤ５６が巻き掛けられる筒体１１６よりも前方で、回転軸が筒体１１６と略平行に設けられる歯車体１２６と、歯車体１１４の回転を歯車体１２６に伝達する第１歯車１１８及び第２歯車１３４とを有する。したがって、筒体１１６よりも前方でワイヤ５２の巻数や主軸部材１２８や歯車体１３０の大きさ等は筒体１１６に対するワイヤ５６の巻回に影響がなく、ワイヤ５６を筒体１１６の約２／３の領域１１６ａに巻き掛けることが可能となり、歯車体１１４の回転量を大きくすることができる。これにより、従動する歯車体１２６の回転量や回転トルクについても大きく設定することができ、第２グリッパ２１２を大きく且つ確実に動作させることができる。歯車体１２６の回転量や回転トルクが大きいことから従動する第２グリッパ２１２の駆動力も大きく、第１グリッパ２０２に対して強く当接させ、例えば湾曲針９３０（図２２Ａ参照）を確実に保持することができる。

なお、筒体１３６の径と筒体１４０の径を同径にすることで、ワイヤ５６はワイヤ５２及びワイヤ５４の位置に無関係に筒体１１６に対して全高さのほとんど全ての領域１１６ａを使って巻回することができる。これにより、さらに歯車体１２６の回転量や回転トルクを大きくすることができる。

次に、このように構成されるマニピュレータ１０ａの作用について図９を参照しながら説明する。

先ず、ヨー方向の動作に関しては第１指示レバー３４（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第１指示レバー３４を指で操作することによりモータ４０（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ａ等が回転してワイヤ５２が循環駆動され、主軸部材１２８が第１回転軸Ｏｙを中心として回転する。これにより、主軸部材１２８の支持バー１４４に接続された駆動機構部（第２作用部）１０２及びエンドエフェクタ（第２作用部）１０４がヨー方向に揺動することになる。

第１指示レバー３４は正逆二方向への傾動が可能であり、ヨー方向の動作は第１指示レバー３４の傾動方向に応じて正逆方向へ揺動する。第１指示レバー３４を中立位置に戻すとモータ４０は停止し、ヨー方向の動作もその時点の位置を保持して停止する。あるいは、第１指示レバー３４の回転角度に比例したヨー方向の動作角度を指示する方法でもよい。すなわち、速度指示、位置（角度）指示のどちらでもよい。

ロール方向の動作に関しては第２指示レバー３６（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第２指示レバー３６を指で操作することによりモータ４２（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ｂ等が回転してワイヤ５４が循環駆動され、歯車体１３０が回転し、第３歯車１３８及びフェイスギア１６８を介して駆動ベース１５０に回転が伝達される。該駆動ベース１５０は第２回転軸Ｏｒを中心として回転する。これにより、駆動機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４がロール方向に回転することになる。

第２指示レバー３６は正逆二方向への傾動が可能であり、ロール方向の動作は第２指示レバー３６の傾動方向に応じて正逆方向へ回転する。第２指示レバー３６を中立位置に戻すとモータ４２は停止し、ロール方向の動作もその時点の位置を保持して停止する。あるいは、第２指示レバー３６の回転角度に比例したロール方向の動作角度を指示する方法でもよい。すなわち、速度指示、位置（角度）指示のどちらでもよい。

エンドエフェクタ１０４の開閉動作に関してはトリガーレバー３２（図１参照）を指で引き寄せることにより行われる。すなわち、トリガーレバー３２を指で引き寄せることによりモータ４４（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ｃが回転することによってワイヤ５６が循環駆動され、歯車体１１４が回転し、第１歯車１１８、第２歯車１３４、フェイスギア１７０、１７２及び第４歯車１７４を介してピン１７６に回転が伝達される。ピン１７６はリンク１９４を介し、第２エンドエフェクタ部材１９２を第３回転軸Ｏｇを中心として揺動させる。これにより第２グリッパ２１２（第１作用部）が第１グリッパ２０２に対して開閉することになる。

トリガーレバー３２は指による引き寄せが可能であり、指を離すことにより弾性体によって元の位置に復帰する。エンドエフェクタ１０４はこのトリガーレバー３２の操作に連動し、トリガーレバー３２の引き寄せの程度に応じて閉じ、指をトリガーレバー３２から離すことによって開状態に復帰する。トリガーレバー３２にはラッチ機構があってもよい。

図９に示すように駆動部側回転角度（θ₁、θ₂、θ₃）と先端関節角度（θ_Yaw、θ_Roll、θ_Grip）を定義すると、駆動部側回転角度（θ₁、θ₂、θ₃）と先端関節角度（θ_Yaw、θ_Roll、θ_Grip）は、次の（１）式のように表せる。

なお、簡単のためθ₁〜θ_Yaw、θ₂〜θ_Rollに関連する駆動機構の減速比は１としている。また、θ₃〜θ_Gripに関連する駆動機構の減速比は、αとしているが、これは、第１歯車１１８と第２歯車１３４との歯数比や第１エンドエフェクタ部材１９０、第２エンドエフェクタ部材１９２、リンク１９４の比、プーリ径等によって決まる関数である。同式からθ₃とθ_Gripの関係は、次の（２）式のように表すことができる。

したがって、θ₃は、θ_Yaw、θ_Rollの角度によっては、グリッパ角度を開閉するために多くの回転角度を必要とする。θ_Yaw＝−９０°、θ_Roll＝−１８０°とすると、θ_Grip＞２７０°、θ_Yaw＝＋９０°、θ_Roll＝＋１８０°とすると、θ_Grip＜−２７０°となり、第２グリッパ２１２を開閉するためには、±２７０°すなわち５４０°（１．５回転）以上の動作範囲が必要になることが理解されよう。すなわち、−２７０°−α・θ_Grip-min≦θ３≦２７０°＋α・θ_Grip-maxが必要となる。

上述したように、第１の実施形態に係るマニピュレータ１０ａ及び作業部１２ａでは、ワイヤ５６が巻き掛けられる筒体１１６よりも前方で、回転軸が筒体１１６と略平行に設けられる歯車体１２６と、歯車体１１４の回転を歯車体１２６に伝達する第１歯車１１８及び第２歯車１３４とを有する。つまり、筒体１１６はオフセット配置されていることから、筒体１１６よりも前方でワイヤ５２の巻数や主軸部材１２８や歯車体１３０の大きさ等は筒体１１６に対するワイヤ５６の巻回に影響がなく、ワイヤ５６を筒体１１６の約２／３の領域１１６ａ（図４参照）に巻き掛けることが可能となり、歯車体１１４の回転量を大きくすることができる。これにより、歯車体１２６の回転量や回転トルクを大きく設定できる。したがって、第１グリッパ２０２に対して第２グリッパ２１２を大きく且つ確実に動作させることができ、操作性が向上する。また、マニピュレータ１０ａ及び作業部１２ａは、簡便構造であって信頼性が高い。

また、図５に示すように、筒体１４０の直径は、筒体１１６の直径に対してワイヤ５６を２本加えた幅以上に設定されていることから、ワイヤ５２はワイヤ５６よりもやや外側に配置されて相互干渉が回避され、ワイヤ５６を筒体１１６に確実に巻回することができる。

さらに、ワイヤ５６の筒体１１６への巻き付け角度を大きくすることが可能となり、ワイヤ・プーリの駆動系の信頼性を一層高めることができる。つまり、ワイヤとプーリの摩擦によるトルク伝達では、初期張力が同じであれば、巻きつけ角度が大きいほど伝達トルクは大きい。従って、ワイヤ５６は摩擦力によって筒体１１６に対してより大きなトルクを伝達することが可能となり、前記のようなワイヤ固定機構１２０のような固定手段を省略することも可能である。ワイヤ固定機構１２０を省略することにより、固定ピン１２４の部分でワイヤ５６に対して局所的に過大な負荷がかかるということがなく、ワイヤ５６の寿命及び信頼性を向上させることができる。また、歯車体１２６の回転量や回転トルクを大きくすることも可能である。

作業部１２ａによれば、ヨー軸動作領域±９０°、ロール軸動作領域±１８０°、グリッパ開閉角度約４０°（リンク比によって変化）を確保することができる。ロール軸の動作範囲を拡大することにより、湾曲針９３０等の誘導がより容易となり操作性が向上する。

また、作業部１２ａは、作業部９００（図２１参照）と比較して、基本的には歯車体１１４が追加されただけの簡便構造であり、小型・軽量に構成可能であることから狭隘部の作業に好適に用いられる。特に、追加された歯車体１１４は、歯車体１２６に対してＺ方向に並列して設けられていることから、Ｘ方向及びＹ方向の幅が太くなることを防止できる。

作業部１２ａは作業部９００と同様に細径に構成することができるため、医療用に用いる場合に腹部・胸部等に設けるトラカール２０（図１参照）を小さくすることが可能であり、患者にとって低侵襲となる。

歯車体１１４の動力は歯車体１２６に対して、歯車対の第１歯車１１８及び第２歯車１３４によって、簡便且つ確実に伝達される。

主軸部材１２８と歯車体１２６及び１３０は同軸上に配置されており、回転軸のシャフト１１２が共有され、簡便構造である。

なお、作業部１２ａにおけるエンドエフェクタ１０４は、前記のようにリンク１９４を用いたトグル機構に限らず、例えば、図１０及び図１１に示すようなエンドエフェクタ１０４ａであってもよい。エンドエフェクタ１０４ａ及び以下に示す他の実施例においては、前記のマニピュレータ１０ａ及び作業部１２ａと同様の構成部には同符号を付してその詳細な説明を省略する。

エンドエフェクタ１０４ａは、前記の第１エンドエフェクタ部材１９０及び第２エンドエフェクタ部材１９２に相当する第１エンドエフェクタ部材２４０及び第２エンドエフェクタ部材２４２を有する。また、エンドエフェクタ１０４ａは前記のリンク１９４に相当する部材がない。

第１エンドエフェクタ部材２４０は、第１エンドエフェクタ部材１９０と比較して孔１９０ａがなく、その分Ｚ方向に短尺に形成されている。第２エンドエフェクタ部材２４２は、第２エンドエフェクタ部材１９２と比較して耳片部２１４及び軸支筒２１６がなく、ベース部２１０はやや短く設定されている。ベース部２１０の後端には、前記の孔２２０に相当するＤカット形状の孔２４４が設けられている。孔２２４にはピン１７６が挿入され、第２エンドエフェクタ部材２４２は歯車付きピン１５４によって直接的に駆動される。

このようなエンドエフェクタ１０４ａは簡便構成であって、組み立て及びメンテナンス等が容易である。

次に、第２の実施形態に係るマニピュレータ１０ｂについて、図１２〜図１６を参照しながら説明する。マニピュレータ１０ｂは前記のマニピュレータ１０ａと比較して操作指令部１４及び連結部１６は共通であり、作業部１２ａを作業部１２ｂに代えた構成となっている。マニピュレータ１０ｂは、先端の作業部１２ｂから生体に対して高周波通電して所定の箇所を凝固・切開処置するための、いわゆる電気メスである。

図１２〜図１４に示すように、作業部１２ｂは、Ｙ方向の第１回転軸Ｏｙを中心にして、それよりも先の部分がヨー方向に回動する第１自由度と、Ｚ方向の第２回転軸Ｏｒを中心にして、ロール方向に回動する第２自由度と、第３回転軸Ｏｐを中心として先端のエンドエフェクタ１０４をピッチ方向に回動する第３自由度とを有する合計３自由度の機構となっている。作業部１２ｂは、ワイヤ受動部３００と、駆動機構部３０２と、エンドエフェクタ３０４とを有する。

図１２〜図１５を参照しながら、ワイヤ受動部３００、駆動機構部３０２及びエンドエフェクタ３０４について詳細に説明する。

ワイヤ受動部３００は、前記のワイヤ受動部１００に相当する部分であり、該ワイヤ受動部１００と比較して、歯車体１１４、１２６及び１３０が軸を中心に反転して配置されている。シャフト１１０及び１１２の先端には雄ねじが設けてあり、Ｙ１方向の軸孔６０ａ及び６０ｂに螺着して固定される。

歯車体１２６と１３０との間に設けられた主軸部材３０６は、前記の主軸部材１２８に相当し、やや厚い環状座面３０８と、該環状座面３０８の中心からＺ１方向に延在するピッチベース３１０とを有する。ピッチベース３１０はピッチ動作の基準となる部材であって、ピッチ動作のための平行な左右一対の摺動面３１０ａと、先端に設けられた回転中心となる孔３１０ｂとを有する。

ワイヤ受動部３００は、前記のワイヤ受動部１００と同様に、筒体１４０、筒体１３６及び筒体１１６に対して、ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６が巻き掛けられている。

ワイヤ受動部３００では、主軸部材３０６を第１回転軸Ｏｙを中心としてヨー方向に揺動させることができる。

次に、駆動機構部３０２は、歯車リング１５２及び３１２と、カバー３１４と、歯車体３１６及び３１８と、エンドエフェクタ主軸部材３２０と、固定ピン３２２とを有する。

歯車リング３１２は薄い筒体であって、Ｚ２方向の面に設けられたフェイスギア３２４と、Ｚ１方向の面に設けられたフェイスギア３２６とを有する。歯車リング３１２は歯車リング１５２に内挿され、該歯車リング１５２の内周面に対して摺動回転自在となる。フェイスギア３２４は第２歯車１３４に噛合し、歯車リング３１２は歯車体１２６の回転に伴って第２回転軸Ｏｒを中心として回転可能である。

カバー３１４は、前記のカバー１６０に相当し、駆動機構部３０２における各部品を保護及び支持するためのものであって、Ｚ２方向の短筒３３０と、該短筒３３０の左右両端からＺ１方向に向かって突出している一対の耳片部３３２とを有する。各耳片部３３２には、固定ピン３２２が挿入され固定するための孔３３２ａが設けられている。孔３３２ａの一方は、固定ピン３２２が挿入される孔であり、他方は螺着するための孔である。耳片部３３２の対向する面は平行に形成されており、歯車体３１６、３１８、係合片３５０及びピッチベース３１０を摺動自在に保持する幅に設定されている。短筒３３０の内周面は歯車リング１５２の外周面よりやや大径に設定され、隙間が設けられている。

歯車体３１６は、一対の耳片部３３２の間におけるＸ２方向に配置される部品であって、第４歯車３３８と、該第４歯車３３８と同心状に設けられたＤカット形状の突起３４０とを有する。歯車体３１６は、第４歯車３３８がＸ２方向となるように配置され、該第４歯車３３８はフェイスギア３２６と噛合する。歯車体３１６には、中心部に固定ピン３２２が挿入される孔３１６ａが設けられている。

エンドエフェクタ主軸部材３２０は、ベースの円板３４６と、該円板３４６からＺ１方向に突出する主軸３４８と、円板３４６のＺ２方向の面においてＸ２方向にややずれた位置からＺ２方向に突出する係合片３５０とを有する。

係合片３５０には突起３４０が係合するＤカット形状の孔３５０ａが設けられている。主軸３４８の先端には雄ねじが設けられている。エンドエフェクタ主軸部材３２０は、孔３５０ａに突起３４０が挿入されることによって、歯車体３１６と一体的且つ安定に組み立てられる。

歯車体３１８は、一対の耳片部３３２の間におけるＸ１方向に配置される部品であって、筒体３５２と、該筒体３５２の一方に同心状に設けられた第５歯車３５４とを有する。歯車体３１８は、第５歯車３５４がＸ１方向となるように配置され、該第５歯車３５４はフェイスギア３２６と噛合する。歯車体３１８には、中心部に固定ピン３２２が挿入される孔３１８ａが設けられている。

歯車体３１８と、ピッチベース３１０と、エンドエフェクタ主軸部材３２０及び歯車体３１６の組立体は一対の耳片部３３２の間にほとんど隙間なく配置され、固定ピン３２２が孔３１６ａ、孔３１０ｂ及び孔３１８ａに挿入され、軸支される。これによりエンドエフェクタ主軸部材３２０と歯車体３１６との組立体は、歯車リング１５２の回転作用下に、第３回転軸Ｏｐを中心として揺動自在となる。また、歯車体３１８は歯車リング３１２の回転作用下に従動的に回転する。

このような駆動機構部３０２では、歯車体１３０及び第３歯車１３８の回転が、歯車リング１５２及び第４歯車３３８を介して主軸３４８に伝達され、該主軸３４８が第３回転軸Ｏｐを中心として俯仰可能となる。また、歯車体１１４及び第１歯車１１８の回転が、第２歯車１３４、歯車リング３１２を介して歯車体３１８及び第５歯車３５４に伝達される。

次に、エンドエフェクタ３０４は、クラウン３５６と、電極部材３５８と、固定ナット３６０とを有する。

クラウン３５６は、薄い筒体３６２と、該筒体３６２のＺ２方向の面に設けられたフェイスギア３６４と、筒体３６２のＺ１方向の面を塞ぐ円板３６６と、該円板３６６の中心からＺ１方向に突出するＤカット形状の突起３６８とを有する。円板３６６及び突起３６８には主軸３４８が挿入される孔３５６ａが設けられている。

電極部材３５８は、駆動機構部３０２に対する接続部３７０と、第２回転軸Ｏｒからややずれた位置において接続部３７０からＺ１方向に延在するアーム３７２と、該アーム３７２の先端がＹ１方向に屈曲した電極３７４とを有する。接続部３７０には突起３６８が挿入されるＤカット形状の孔３７０ａが設けられている。この電極部材３５８は先端がフック形状であるが、これ以外にも、操作対象に応じてブレード形状等であってもよい。

固定ナット３６０は、前記の固定ナット１５８と同形状である。孔３７０ａに突起３６８を挿入した上で、クラウン３５６の孔３５６ａに対して駆動機構部３０２の主軸３４８を挿入すると、該主軸３４８の先端の雄ねじ部は電極部材３５８の接続部３７０よりも突出する。この突出した部分に固定ナット３６０を螺着することによりエンドエフェクタ３０４は駆動機構部３０２に対して組み立てられ、クラウン３５６及び電極部材３５８は主軸３４８を中心として回動自在に軸支される。また、フェイスギア３６４は第５歯車３５４に噛合する。

このようなエンドエフェクタ３０４では、歯車体３１８及び第５歯車３５４の回転作用下に、クラウン３５６及び及び電極部材３５８が第２回転軸Ｏｒを中心として回転可能となる。

次に、このように構成されるマニピュレータ１０ｂの作用について図１６を参照しながら説明する。

ピッチ方向の動作に関しては第２指示レバー３６（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第２指示レバー３６を指で操作することによりモータ４２（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ｂが回転してワイヤ５４等が循環駆動され、歯車体１３０が回転し、第３歯車１３８、フェイスギア１７０、１７２及び第４歯車３３８を介して歯車体３１６に回転が伝達される。歯車体３１６は主軸３４８と一体的に第２回転軸Ｏｐを中心として俯仰することになる。

ピッチ方向の動作は第２指示レバー３６の傾動方向に応じて正逆方向へ回転する。第２指示レバー３６を中立位置に戻すとモータ４２は停止し、ピッチ方向の動作もその時点の位置を保持して停止する。ピッチ方向の動作は、位置指令に基づくものであってもよい。

ロール方向の動作に関してはトリガーレバー３２（図１参照）を指で引き寄せることにより行われる。すなわち、トリガーレバー３２を指で引き寄せることによりモータ４４（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ｃが回転してワイヤ５６が循環駆動され、歯車体１１４が回転し、第１歯車１１８、第２歯車１３４、フェイスギア３２４、３２６、第５歯車３５４及びフェイスギア３６４エンドエフェクタ３０４に回転が伝達される。エンドエフェクタ３０４は第３回転軸Ｏｒを中心として回転することになる。

エンドエフェクタ３０４はトリガーレバー３２の操作に連動し、トリガーレバー３２の引き寄せの程度に応じて閉じ、指をトリガーレバー３２から離すことによって中立位置に復帰する。もちろん、ピッチ動作に対して、第１指示レバー３４及び第２指示レバー３６のような正逆方向に傾動可能な入力手段を用いて、指を離した時点の位置でエンドエフェクタ３０４の回転位置を保持するようにしてもよい。あるいは、トリガではなく、第３指示レバーを設けてもよいし、トリガにより第１指示レバー、第２指示レバーの対応を変えてもよい。

なお、ヨー方向の動作に関しては、前記のマニピュレータ１０ａと同様なので詳細な説明を省略する。

このように構成されるマニピュレータ１０ｂは、図１の仮想線で示すように、所定の電源３８０から連結部１６及び処置部に対して電圧印加をすることにより、電極３７４の先端から処置部に通電され、モノポーラ電気メスとして作用する。

また、マニピュレータ１０ｂの作業部１２ｂは、前記のマニピュレータ１０ａの作業部１２ａと同様に、筒体１１６よりも前方でワイヤ５２の巻数や主軸部材１２８や歯車体１３０の大きさ等は筒体１１６に対するワイヤ５６の巻回に影響がなく、ワイヤ５６を筒体１１６の約２／３の領域に巻き掛けることが可能となり、歯車体１１４の回転量を大きくすることができる。これにより、ワイヤ５６の巻回数を大きくして歯車体１１４の回転量を大きくすることができるため、歯車体１２６の回転量や回転トルクを大きく設定できる。したがって、第２の回転軸Ｏｒを中心としたエンドエフェクタ３０４のロール動作の回転動作量を大きくし、且つ確実に動作させることができる。

作業部１２ｂでは、前記の作業部１２ａと同様の理由で、最先端部の駆動軸については、特に、エンドエフェクタ３０４をロール軸方向（θＲｏｌｌ）に±１８０°動作させるためには、ヨー軸動作範囲（θＹａｗ）±９０°とピッチ軸動作範囲（θＰｉｔｃｈ）±９０°も考慮したθ２の動作範囲が必要になり、従来の１．５回転巻きでは十分ではなく、少なくとも±３６０°すなわち、２回転巻きが必要となる。作業部１２ｂでは、ワイヤには２．５回転〜３．５回転巻きつけられているため、エンドエフェクタ３０４をロール軸方向（θＲｏｌｌ）に±１８０°以上の動作範囲が得られる。したがって、ロール軸の動作範囲を拡大することができ、エンドエフェクタ３０４をいかなる姿勢にも設定することが可能となり操作性が向上する。

前記の作業部１２ａ等の場合は、大きな把持力を得るために、最先端に配置したグリッパ軸に大きなトルクを必要とするが、作業部１２ｂのような電気メスの場合、最先端に配置したロール軸に対しては、グリッパ軸と比較して大きなトルクを必要としない。したがって、第２歯車１３４の歯数≦第１歯車１１８の歯数とすることにより、トルクよりも動作範囲を優先させてもよい。これにより、エンドエフェクタ３０４をロール軸方向にさらに広い動作範囲が得られる。

ロール軸の動作範囲をさらに拡大することにより、正逆方向近い方向からの誘導が可能となるため、エンドエフェクタ３０４のロール軸を効率よく所望の姿勢へ誘導することが可能となり操作性が向上する。

次に、第３の実施形態に係るマニピュレータ１０ｃについて、図１７及び図１８を参照しながら説明する。マニピュレータ１０ｃは前記のマニピュレータ１０ａと比較して操作指令部１４及び連結部１６は共通であり、作業部１２ａを作業部１２ｃに代えた構成となっている。

作業部１２ｃは、ワイヤ受動部１００と、駆動機構部４０２と、エンドエフェクタ４０４とを有する。ワイヤ受動部１００は作業部１２ａにおけるものと同じである。

駆動機構部４０２は、Ｚ２方向に設けられたフランジ４０６と、該フランジ４０６からＺ１方向に突出する段付き形状の筒体４０８と、Ｚ２方向端部に設けられた同軸配置の２つのフェイスギア４１０及び４１２と、該フェイスギア４１０及び４１２によって駆動されるムーブメント４１４及び４１６とを有する。

フェイスギア４１０はフランジ４０６よりもやや突出しており歯車体１３０の第３歯車１３８に噛合する。フェイスギア４１２は、フェイスギア４１０よりも小径で且つさらに突出して配置されており、歯車体１２６の第２歯車１３４に噛合する。

ムーブメント４１４及び４１６は対称位置にあり、それぞれＺ１方向端面にリンク支持部４１８を有し、フェイスギア４１０及び４１２の回転作用下に筒体４０８を中心として（つまり、ロール軸Ｏｒを中心として）回転する。ムーブメント４１４及び４１６は所定の制御手段により協調動作を行う。

次に、エンドエフェクタ４０４は、第１部材４２０及び第２部材４２２から構成される把持機構である。第１部材４２０及び第２部材４２２は、各リンク支持部４１８に揺動自在に軸支されてＺ１方向に延在し、略中間のピボット４２４で回動自在に軸支されている。

このような構成の作業部１２ｃでは、ムーブメント４１４及び４１６を協調動作させることにより、エンドエフェクタ４０４をロール軸Ｏｒを中心として回動させ、又は先端のグリッパ４２６及び４２８を開閉させることができる。すなわち、ムーブメント４１４及び４１６を同方向に同速度で移動させることにより、エンドエフェクタ４０４はロール軸Ｏｒを中心として回転する。また、ムーブメント４１４及び４１６を相互に離間させる方向に動作させることによりグリッパ４２６及び４２８は閉じる方向に動作し、ムーブメント４１４と４１６を相互に接近させる方向に動作させることによりグリッパ４２６及び４２８は開く方向に動作する。さらに、ロール軸Ｏｒ回りの回転と、開閉動作とを組み合わせて行うことも可能である。

また、作業部１２ｃでは、前記の作業部１２ａ及び１２ｂと同様に、筒体１１６にはワイヤ５６を多数巻回可能であることから、ムーブメント４１４又は４１６の少なくとも一方の動作範囲を大きく設定することができる。これにより、エンドエフェクタ４０４を大きく開くことができ、又はロール軸Ｏｒの動作範囲を広く設定することができる。

さらに、第１歯車１１８と第２歯車１３４との減速効果によりトルクが増大し、エンドエフェクタ４０４を強く閉じて、ツールを確実に保持することができる。

なお、この作業部１２ｃは、グリッパ４２６及び４２８の形状、構成を変えることにより鋏、ペンチ、ニッパ、エンドニッパ等を構成可能であることは容易に理解されよう。

歯車の減速比が概ね１の場合、ヨー軸Ｏｙ、ロール軸Ｏｒ、グリッパ軸の動作を考慮すると、ロール軸Ｏｒの動作領域を±１８０°程度以上確保することや、ロール軸の動作領域をある程度確保したうえでグリッパの開閉角度を確保するのは困難である。

次に、前記の作業部１２ａ、１２ｂ及び１２ｃにおけるワイヤ受動部１００に対する第１の変形例及び第２の変形例に係るワイヤ受動部１００ａ及び１００ｂについて説明する。

図１９に示すように、第１の変形例に係るワイヤ受動部１００ａは、シャフト１１０とシャフト１１２との間隔を広くし、その間に中間シャフト５００及び該中間シャフト５００に軸支される２つの中間歯車体５０２及び５０４を設けたものである。中間シャフト５００は、シャフト１１０及び１１２と平行であって、軸孔６０ａ及び６０ｂを結ぶ線上に設けられた軸孔６０ｃに圧入されている。

中間歯車体５０２は、筒体５０８と、該筒体５０８の上部に同心状に設けられた第１中間歯車（第１回転伝達機構）５１０とを有する。筒体５０８は筒体１１６よりも大径で、筒体１４０よりも小径である。第１中間歯車５１０はＺ２方向端部で第１歯車１１８に噛合し、Ｚ１方向端部で第２歯車１３４に噛合している。第１歯車１１８、第１中間歯車５１０及び第２歯車１３４は、この順に歯数が多くなるように設定されており減速効果が高い。

中間歯車体５０４は、筒体（中間筒体）５１２と、該筒体５１２の下部に同心状に設けられた第２中間歯車（第２回転伝達機構）５１４とを有する。中間歯車体５０４は中間歯車体５０２とは向きが逆であって、第２中間歯車５１４が下方であり、筒体５１２の端面が筒体５０８の端面と対向するように配置されている。筒体５１２の高さは筒体５０８よりも高く、一対の舌片部５８の間隔のＨの相当部分を占める。

第２中間歯車５１４は第３歯車（第２回転伝達機構）１３８に噛合している。第３歯車１３８は第２中間歯車５１４より歯数が多くなるように設定されており減速効果を有する。筒体５１２にはワイヤ５４が巻き掛けられている。

筒体５１２は筒体１１６よりも大径で、筒体１４０よりも小径である。一層詳細には、筒体５１２の直径は、筒体１１６の直径に対してワイヤ５６を２本加えた幅よりもやや大きく設定されており、平面視でワイヤ５４は、ワイヤ５６よりもやや外側に配置される。また、筒体１４０の直径は、筒体５１２の直径に対してワイヤ５４を２本加えた幅よりもやや大きく設定されており、平面視でワイヤ５２は、ワイヤ５４よりもやや外側に配置される。

このようなワイヤ受動部１００ａによれば、前記の作業部１２ａ、１２ｂ及び１２ｃの場合と同様に、筒体１１６にはワイヤ５６を多数巻回でき、歯車体１２６及び該歯車体１２６に連動するエンドエフェクタの動作範囲を大きくすることができる。また、３段の第１歯車１１８、第１中間歯車５１０及び第２歯車１３４による減速効果があり、確実な動作が得られる。

さらに、ワイヤ５４は、Ｚ２方向の筒体１１６及びＺ１方向の筒体１４０に対して干渉することがなく、しかも、平面視でワイヤ５２及びワイヤ５６と干渉することがないことから、比較的高い筒体５１２に対し、一層多数（例えば、３．５巻以上）の巻回をすることができる。したがって、歯車体１３０及び該歯車体１３０に連動するエンドエフェクタの動作範囲をさらに大きくすることができる。また、第２中間歯車５１４及び第３歯車１３８による減速効果が得られる。

次に、図２０に示すように、第２の変形例に係るワイヤ受動部１００ｂは、シャフト１１０に対して２つの歯車体６００及び６０２を逆向きに軸支させたものである。

歯車体６００は、前記の歯車体１１４に相当し、筒体６０４と、該筒体６０４の上部部に同心状に設けられた第１歯車６０６とを有する。第１歯車６０６は前記の第１歯車１１８と同形状である。筒体６０４は、前記の筒体１１６と同径であって、略半分の高さである。

歯車体６０２は、歯車体６００と同形状であって逆向きに配置されており、筒体６０４及び第１歯車６０６に相当する筒体６０８及び歯車６１０を有する。歯車体６０２は、筒体６０８の端面が筒体６０４の端面と対向するように配置されており、筒体６０８にはワイヤ５４が巻き掛けられている。歯車６１０は第３歯車１３８と噛合している。

このようなワイヤ受動部１００ｂによれば、筒体６０４及び６０８は前記の筒体１１６よりは低い形状であるが、ワイヤ５６及びワイヤ５４を相当多く巻き掛けるだけの余裕があり、例えば２．５回程度巻き掛けることができる。したがって、歯車体１２６及び１３０と、これらの連動するエンドエフェクタの動作範囲を大きくすることができる。

歯車体６００と歯車体６０２は同軸上で逆向きに配置され、回転軸のシャフト１１０が共有化されるとともに、従動回転体である歯車体１２６と歯車体１３０は同軸上で逆向きに配置されており、回転軸のシャフト１１２が共有され、簡便構造である。

なお、マニピュレータ１０ａ〜１０ｃ及び作業部１２ａ〜１２ｃは、医療用のものとして説明したが、使用用途はこれに限らず、例えば、エネルギー機器等の狭隘部補修の用途や、患者から離れた箇所から電気通信手段等を介して手技を行う遠隔作業機構に好適に適用可能であることはもちろんである。

本発明に係る作業機構及びマニピュレータは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係るマニピュレータの斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部（作業機構）の斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の分解斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の断面側面図である。 第１の実施の形態に係る作業部の断面平面図である。 ワイヤ固定機構の分解斜視図である。 図７Ａは、グリッパが閉じた状態のエンドエフェクタの一部断面側面図であり、図７Ｂは、グリッパがやや開いた状態のエンドエフェクタの一部断面側面図であり、図７Ｃは、グリッパが最も開いた状態のエンドエフェクタの一部断面側面図である。 第１の実施形態に係る作業部の一部分解斜視図である。 第１の実施形態に係るマニピュレータの駆動系統の基本構成図である。 第１の実施の形態に係る作業部の変形例の斜視図である。 第１の実施の形態に係る作業部の変形例の分解斜視図である。 第２の実施の形態に係る作業部の斜視図である。 第２の実施の形態に係る作業部の分解斜視図である。 第２の実施の形態に係る作業部の断面側面図である。 第２の実施の形態に係る作業部の断面平面図である。 第２の実施形態に係るマニピュレータの駆動系統の基本構成図である。 第３の実施の形態に係る作業部の斜視図である。 第３の実施形態に係る作業部の一部分解斜視図である。 第１の変形例に係るワイヤ受動部の斜視図である。 第２の変形例に係るワイヤ受動部の斜視図である。 作業部の一部分解斜視図である。 図２２Ａは、グリッパで保持した湾曲針を生体に刺す様子を示す模式図であり、図２２Ｂは、グリッパで保持した湾曲針を生体に刺入している様子を示す模式図であり、図２２Ｃは、グリッパで保持した湾曲針を生体に刺入し、湾曲針の先端が反対側から露呈した様子を示す模式図である。

符号の説明

１０ａ〜１０ｃ…マニピュレータ １２ａ〜１２ｃ…作業部
５０ａ〜５０ｃ…駆動プーリ ５２、５４、５６、５７…ワイヤ
１００、１００ａ、１００ｂ、３００…ワイヤ受動部
１０２、３０２、４０２…駆動機構部
１０４、１０４ａ、３０４、４０４…エンドエフェクタ
１１４、１２６、１３０、３１６、３１８、６００、６０２…歯車体
１１６、１３２、１３６、１４０、１６４、３５２、３６２、４０８、５０８、５１２、６０４、６０８…筒体
１１８、１３４、１３８、１７４、３３８、３５４、６０６、６１０…歯車
１２８、３０６…主軸部材
１４４…支持バー
１６８、１７０、１７２、３２４、３２６、３６４、４１０、４１２…フェイスギア
１９０、１９２、２４０、２４２…エンドエフェクタ部材
２０２、２１２、４２６、４２８…グリッパ
３５８…電極部材 ３７４…電極
５０２、５０４…中間歯車体 ５１０、５１４…中間歯車

Claims (8)

1. 腹腔鏡下手術用のマニピュレータの先端部に設けられた作業機構であって、
   ループ状の第１ワイヤと、
   前記第１ワイヤが巻き付けられるとともに前記第１ワイヤの巻き付け部が部分的に固定され、且つ回転可能に設けられた第１筒体と、
   前記第１ワイヤと平行で、前記第１筒体を挟むように延在するループ状の第２ワイヤと、
   回転軸が前記第１筒体と平行となるように設けられ、前記第２ワイヤが巻き付けられる第２筒体と、
   回転軸が前記第１筒体と平行に設けられる従動回転体と、
   前記第１筒体の回転を前記従動回転体に伝達する回転伝達機構と、
   前記従動回転体の回転に連動して動作する第１作用部と、
   前記第２筒体の回転に連動して動作する第２作用部と、
   を有することを特徴とする作業機構。
2. 請求項１記載の作業機構において、
   前記回転伝達機構は、歯車対であることを特徴とする作業機構。
3. 請求項１又は２記載の作業機構において、
   前記第２筒体の直径は、前記第１筒体の直径に対して前記第１ワイヤを２本加えた幅以上に設定されていることを特徴とする作業機構。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の作業機構において、
   前記第１ワイヤ及び前記従動回転体はそれぞれ複数設けられ、
   前記第１筒体と前記第２筒体との間に配置された中間筒体と、
   前記中間筒体の回転を前記従動回転体に伝達する第２回転伝達機構と、
   を有し、
   前記第１ワイヤのうち１本は前記中間筒体に巻き付けられていることを特徴とする作業機構。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の作業機構において、
   前記第１ワイヤ、前記第１筒体及び前記従動回転体はそれぞれ２つ設けられ、
   ２つの前記第１筒体は同軸上で逆向きに配置され、
   ２つの前記従動回転体は同軸上で逆向きに配置されていることを特徴とする作業機構。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の作業機構において、
   前記第２筒体と前記従動回転体は、同軸上に配置されていることを特徴とする作業機構。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の作業機構において、
   前記従動回転体に設けられた接続部駆動歯車と、
   前記第２筒体から延在する支持バーと、
   前記支持バーに接続されたエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタに設けられ、前記接続部駆動歯車に噛合する接続部従動歯車と、
   を有し、
   前記第１ワイヤの循環回転作用下に、前記第１筒体は、前記従動回転体、前記接続部駆動歯車及び接続部従動歯車を介して前記エンドエフェクタの少なくとも１つの関節を動作させ、
   前記第２ワイヤの循環回転作用下に、前記第２筒体は、前記エンドエフェクタをヨー方向に揺動させることを特徴とする作業機構。
8. 第１入力部及び第２入力部と、
   前記第１入力部及び第２入力部の操作に基づいて回転する第１回転源及び第２回転源と、
   後方部が前記第１回転源に巻き付けられ、前方部が第１筒体に複数回転巻き付けられるとともに巻き付け部が前記第１筒体に部分的に固定されたループ状の第１ワイヤと、
   前記第１ワイヤと平行で、前記第１回転源の両側方を通り前方に延在し、後方部が前記第２回転源に巻き付けられ、前記第１筒体よりも前方の第２筒体に巻き付けられたループ状の第２ワイヤと、
   前記第１筒体よりも前方で、回転軸が前記第１筒体と平行に設けられる従動回転体と、
   前記第１筒体の回転を前記従動回転体に伝達する回転伝達機構と、
   前記従動回転体の回転に連動して動作する第１作用部と、
   前記第２筒体の回転に連動して動作する第２作用部と、
   を有することを特徴とする腹腔鏡下手術用のマニピュレータ。

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