JP5377991B2 - マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、動力伝達部材を介して先端動作部を動作させるマニピュレータに関する。

内視鏡下外科手術（又は腹腔鏡下手術とも呼ばれる。）においては、患者の腹部等に複数の孔を開け、器具の通過ポートとしてトラカール（筒状の器具）を挿入した後、シャフトを有する鉗子の先端部をトラカールを通じて体腔内に挿入して患部の手術を行っている。鉗子の先端部には、作業部として、生体組織を把持するためのグリッパや、鋏、電気メスのブレード等が取り付けられている。

鉗子による内視鏡下外科手術は、作業空間である体腔内が狭くしかもトラカールを支点として鉗子を操作するため、一定のトレーニングが必要となる。また、従来使用されている鉗子では先端の作業部に関節が無いため、自由度が小さく、先端作業部はシャフトの延長線上での動作しか行うことができない。従って、通常のトレーニングで実施可能な症例には限度があり、他の様々な症例に対して適用するためには相当に高度なトレーニング及び習熟が必要になる。

このような観点から、従来の鉗子を改良し、作業部に複数の関節を有する鉗子の開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。このような鉗子、いわゆるマニピュレータでは、従来の鉗子のような制約や不自由がなく、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなる。

前記マニピュレータは、細長いシャフトの先端に設けられた先端動作部（エンドエフェクタとも呼ばれる。）を備える作業部を有し、ワイヤによって当該先端動作部を駆動するアクチュエータが本体部（操作部）に設けられている。ワイヤは基端側でプーリに巻き掛けられている。

一方、このようなマニピュレータをロボットアームにより駆動する医療用ロボットシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このような医療用ロボットシステムでは、ジョイスティックやマスターアーム等からなる操作部による遠隔操作が可能であると共に、プログラム制御により様々な動作が可能となる。医療用ロボットシステムでは、複数のロボットアームが設けられており、手技に応じてこれらのロボットアームを使い分けることができる。ロボットアームのうち１台には内視鏡が設けられ、体腔内を所定のモニタで確認することができる。

特開２００４−１０５４５１号公報 米国特許第６３３１１８１号明細書

上記のようなマニピュレータには手技により患者の血液や体液等が付着するため、手技が終了した後には洗浄や滅菌等の処理を行う必要がある。

ところが、マニピュレータの先端作業部には、複数の関節が設けられる構造上、例えば、患者の血液等が内部に流入するため、洗浄作業に手間がかかり、より簡便に洗浄作業を行うことができる構成が望まれている。特に、先端作業部から前記ワイヤ等が挿通する細長いシャフト内の奥まで、場合によっては前記本体部側にまで血液等が流入する可能性があり、このようにシャフトの奥や本体部にまで血液が流入した場合には、洗浄作業にかかる手間が一層大幅に増大することになる。

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、シャフト内への血液等の流入を可及的に抑制すると共に、洗浄作業を一層容易に行うことが可能なマニピュレータを提供することを目的とする。

本発明に係るマニピュレータは、中空のシャフトと、前記中空のシャフト内を挿通する動力伝達部材と、前記シャフトの一端側に設けられ、前記動力伝達部材に駆動力を付与する駆動機構部と、前記シャフトの他端側に設けられ、前記動力伝達部材により動作される先端動作部と、前記動力伝達部材が摺動可能に挿通される孔部が形成されると共に、前記シャフトの先端開口から流入する液体が前記シャフト内を通って前記先端動作部側から前記駆動機構部側へと流通することを防止するシール部材と、を有し、前記シール部材は、前記シャフト内を前記先端動作部側の第１空間と前記駆動機構部側の第２空間とに仕切るように設けられ、前記シャフトの前記先端開口は閉塞されずに開放しているとともに、前記第１空間は、前記先端開口を介して外部と連通し、前記シャフト内には、前記駆動機構部側から前記先端動作部側に向けて延在する洗浄チューブが配置され、前記洗浄チューブは、前記シール部材に接続されるとともに、該先端動作部の内部を洗浄可能な洗浄液が流通され、前記第２空間に前記洗浄液を供給することなく、前記第１空間に前記洗浄液を供給する、ことを特徴とする。

このような構成によれば、先端動作部側からシャフト内へと流入する血液等の液体が駆動機構部側へと流通することを、シール部材によって遮断することができる。従って、シャフト内の奥部や駆動機構部内に液体が浸入することを防止すること防止することができるため、マニピュレータの使用後の洗浄作業が容易となり、メンテナンス性を向上させることができる。さらに、シール部材によりシャフト内部での空気の流通も遮断されるため、該シール部材より先端動作部側のシャフト内部では、空気が実質的に密封状態となる。従って、密封状態となった空気により、血液等がシャフト内へと流入すること事態を可及的に抑制することができる。

前記動力伝達部材は、少なくとも可撓性を有する第１部位と該第１部位より剛性の高い第２部位とを有し、前記第２部位が前記孔部に挿通されていると、孔部と動力伝達部材との間に形成される隙間を可及的に抑制することができるため、シール部材によるシール性を一層向上させることができる。

この場合、前記動力伝達部材が駆動された際、前記孔部には常に前記第２部位が摺接することが好ましい。

また、前記第２部位は、前記第１部位の一部を囲繞する補強チューブ、又は、前記第１部位に連結された棒体であってもよい。

さらに、前記シール部材には、前記洗浄チューブが挿通される洗浄用孔部が形成され、前記洗浄チューブの前記先端動作部側の端部は、前記シール部材より前記先端動作部側に配置されていると、シャフトや先端動作部の洗浄を一層容易に行うことが可能となる。

この場合、前記洗浄チューブの前記駆動機構部側の端部には、着脱可能な蓋体が設けられていてもよい。また、前記洗浄チューブの前記シール部材より前記駆動機構部側には、前記先端動作部側から前記駆動機構部側への方向の前記洗浄液の流通を遮断する逆止弁が設けられていてもよい。これにより、マニピュレータの使用時にシャフト内を内圧を所定圧に保持することができるため、洗浄チューブの先端開口部からの血液等の液体の逆流を有効に防止することができる。

さらに、前記シール部材には、外面から前記孔部へと連なるスリットが形成されていると、例えば、前記動力伝達部材を予めループ状にした状態で前記スリットから前記孔部へと挿入することができ、当該マニピュレータの組立性を向上させることができる。

また、本発明に係るマニピュレータは、中空のシャフトと、前記中空のシャフト内を挿通する動力伝達部材と、前記シャフトの一端側に設けられ、前記動力伝達部材に駆動力を付与する駆動機構部と、前記シャフトの他端側に設けられ、前記動力伝達部材により動作される先端動作部と、前記動力伝達部材が挿通される孔部が形成されると共に、前記シャフトの先端開口から流入する液体が前記シャフト内を通って前記先端動作部側から前記駆動機構部側へと流通することを防止するシール部材と、を有し、前記孔部には、前記動力伝達部材の外周面に固着される弾性部材が設けられ、前記シール部材は、前記シャフト内を前記先端動作部側の第１空間と前記駆動機構部側の第２空間とに仕切るように設けられ、前記シャフトの前記先端開口は閉塞されずに開放しているとともに、前記第１空間は、前記先端開口を介して外部と連通し、前記シャフト内には、前記駆動機構部側から前記先端動作部側に向けて延在する洗浄チューブが配置され、前記洗浄チューブは、前記シール部材に接続されるとともに、該先端動作部の内部を洗浄可能な洗浄液が流通され、前記第２空間に前記洗浄液を供給することなく、前記第１空間に前記洗浄液を供給する、ことを特徴とする。

このような構成によれば、前記動力伝達部材が移動した際、その外周面に固着された弾性部材が伸び縮みしながら血液等の液体の流通を遮断する。このため、動力伝達部材の移動に伴う摺動部をなくすことができ、その移動に必要な力を低減することができる。

本発明によれば、液体が中空のシャフト内を通って先端動作部側から駆動機構部側へと流通することを防止するシール部材を備えたことにより、先端動作部から浸入した液体がシャフト内や駆動機構部内に液体が浸入することを防止することができる。このため、マニピュレータの使用後の洗浄作業が容易となり、メンテナンス性を向上させることができる。

本実施の形態に係るマニピュレータの斜視図である。 作業部と操作指令部とを分離したマニピュレータの一部断面側面図である。 先端動作部の斜視図である。 シール部材及びその周辺部の斜視図である。 図４中の矢視Ｖ−Ｖ線に沿う断面図である。 シール部材の正面図である。 複合入力部の表面部を示す図である。 シール部材の固定構造の変形例を示す断面図である。 ワイヤ及び補強チューブの変形例を示す断面図である。 図１０Ａは、図４に示すシール部材の変形例に係るシール部材の正面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａ中のＸＢ−ＸＢ線に沿う断面図であり、図１０Ｃは、図１０Ａに示すシール部材の背面図である。 図４に示すシール部材の別の変形例に係るシール部材を示す正面図である。 図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。 図１３Ａは、図１１に示すシール部材がワイヤの移動によって引っ張られた状態を示す断面図であり、図１３Ｂは、図１３Ａの場合と異なる方向にワイヤが移動された状態を示す断面図である。 図４に示すシール部材にスリットを形成した変形例を示す正面図である。 マニピュレータをロボットアームの先端に接続した医療用ロボットシステムの斜視図である。

以下、本発明に係るマニピュレータについて実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係るマニピュレータ１０は、先端動作部１２に生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うための医療用であり、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。

マニピュレータ１０は、人手によって把持及び操作される操作指令部１４と、該操作指令部１４に対して着脱自在な作業部１６とを有する。

以下の説明では、図１における幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向及び、連結シャフト４８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１０が基準姿勢（中立姿勢）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１０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。

作業部１６は、作業を行う先端動作部１２と、操作指令部１４のアクチュエータブロック３０に対して接続される接続部１５と、これらの先端動作部１２と接続部１５とを連接する長尺で中空の連結シャフト（シャフト）４８とを有する。作業部１６は、アクチュエータブロック３０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。

先端動作部１２及び連結シャフト４８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。

筐体部を構成する操作指令部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ブリッジ２８と、該ブリッジ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。

操作指令部１４のグリップハンドル２６は、ブリッジ２８の端部からＹ２方向に向かって延在しており、人手によって把持されるのに適した長さであり、該グリップハンドル２６の近傍には先端動作部１２の動作等に供される入力手段が設けられている。すなわち、このような入力手段として、グリップハンドル２６に近接したＺ１方向にトリガーレバー３２及びスイッチ３６が設けられ、Ｙ１方向に複合入力部３４及び作動スイッチ３５が設けられている。

作動スイッチ３５のＺ１方向でブリッジ２８の上面における視認しやすい箇所にはＬＥＤ２９が設けられている。グリップハンドル２６の下端部には調圧機構として機能する複数の通気孔４１が設けられている。グリップハンドル２６の下端には、コントローラ４５に接続されるケーブル６２が設けられている。グリップハンドル２６とケーブル６２とはコネクタにより接続されていてもよい。

次に、接続部１５及びアクチュエータブロック３０の構成及び作用について説明する。

図１及び図２に示すように、接続部１５は、樹脂のカバー３７に覆われており、従動回転するプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃを回転自在に保持している。プーリ５０ａ、プーリ５０ｂ及びプーリ５０ｃには、それぞれワイヤ５４ａ、ワイヤ５４ｂ及びワイヤ５４ｃが巻き掛けられており、連結シャフト４８の中空部分を通って先端動作部１２まで延在している。

図３に示すように、連結シャフト４８内を挿通されたワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃは、例えば、グリッパ６０を備えた先端動作部１２の歯車５５等にそれぞれ巻き掛けられている。先端動作部１２は、ロール方向（軸回転方向）、ヨー方向（左右方向）及びグリッパ開閉からなる３自由度の機構を備える。

図２及び図４に示すように、ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、それぞれ同種・同径のものを用いることができる。ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃは、可撓性を有し湾曲可能な線材からなり、連結シャフト４８内を通過する部分であって可撓性を要しない直線部分は補強チューブ（ハイポチューブ）５７ａ、５７ｂ及び５７ｃにより囲繞され補強されている。補強チューブ５７ａ〜５７ｃは、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを構成する線材よりも剛性が高く、通常の使用状態では湾曲しない硬い管路であり、その内部にワイヤ５４ａ〜５４ｃが挿通された状態で先後端が当該ワイヤ５４ａ〜５４ｃに対してかしめられ、圧着固定されている。補強チューブ５７ａ〜５７ｃは、例えばステンレス鋼のように生体適合性を有するものとして選択された金属等から構成される。

このように、ワイヤ５４ａ〜５４ｃがその往復移動範囲Ｌ（図５参照）において駆動された場合であっても、プーリ５０ａや歯車５５等に巻き掛けられることがなく可撓性が必要とされない直線部分、例えば、連結シャフト４８内やプーリ５０ａ等から所定距離離間した部分については、剛性の高い補強チューブ５７ａ〜５７ｃを装着している。これにより、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの駆動時や経年劣化による伸長を可及的に低減することができ、プーリ５０ａ（モータ４０ａ）等の動作に対して一層高い反応性と高い精度でワイヤ５４ａ〜５４ｃを駆動させ、先端動作部１２を正確に動作させることができる。換言すれば、動力伝達部材であるワイヤ５４ａ〜５４ｃは、少なくとも可撓性を有する第１部位（ワイヤ５４ａ〜５４ｃの線材部位）と、該第１部位より剛性の高い第２部位（補強チューブ５７ａ〜５７ｃの補強部位）とを有することにより、プーリ５０ａ等への巻き掛け性と、駆動時等の伸長等の低減による反応性の高い高精度な駆動との両立を可能としている。

アクチュエータブロック３０には、先端動作部１２が有する３自由度の機構に対応してモータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃが接続部１５の延在方向に沿って並列して設けられている。モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃは、プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに係合する。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おり、モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃは、トリガーレバー３２や複合入力部３４の操作に基づき、コントローラ４５の作用下に回転をする。これにより、モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃで発生した駆動力がプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに伝達され、ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃが往復移動されることで先端動作部１２へと伝達されることで当該先端動作部１２が動作される。従って、アクチュエータブロック３０及び接続部１５、すなわち、モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃやプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃは、動力伝達部材であるワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃに駆動力を付与し、先端動作部１２を動作させる駆動機構部として機能する。

図２、図４及び図５に示すように、連結シャフト４８内には、延べ６本のワイヤ（ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃの往復分）と並び、例えば水や酵素洗浄剤等の洗浄液を流通させるための洗浄チューブ５８と、当該連結シャフト４８内を先端動作部１２側と接続部１５側（駆動機構部側）とに仕切る円板状のシール部材６４とが設けられている。

図４及び図６に示すように、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ及び洗浄チューブ５８は、それぞれシール部材６４に設けられた孔部６６ａ、６７ａ、６６ｂ、６７ｂ、６６ｃ、６７ｃ及び６８を挿通している。

洗浄チューブ５８は、接続部１５の基端側となる背面５９（図２参照）でＺ２側に開口した洗浄液の入口７０からシール部材６４の先端動作部１２側に開口した出口７２まで延びたチューブであり、例えば、ゴム、シリコーン又はＰＴＦＥ（４フッ化エチレン樹脂）等のフッ素系樹脂等から構成される。本実施形態の場合、洗浄チューブ５８は、接続部１５内では各プーリ５０ａ等を回避して適度に屈曲されて配設され、連結シャフト４８内では各ワイヤ５４ａ〜５４ｃの略中央部を直線状に通過している。

図２に示すように、洗浄チューブ５８の入口７０は、通常（非洗浄時）、蓋体６９により閉塞され、接続部１５がアクチュエータブロック３０に装着された状態で、該アクチュエータブロック３０内に設けられた図示しない逃げ部に配置される。洗浄チューブ５８の使用時（洗浄時）には、蓋体６９が取り外され、入口７０から洗浄液が注入されることにより、該洗浄液はＺ１方向に流通され出口７２から連結シャフト４８内に噴射される。そこで、出口７２からの洗浄液の噴射性を向上させるため、該出口７２の形状を扁平に形成したり、出口７２部分を塞ぎ、その近傍の洗浄チューブ５８外周面に無数の小孔を設けたりすることもできる。前記のように扁平にした場合には、出口７２の開口面積を低減し、血液等の逆流を低減する逆止弁としての作用を得ることもできる。

なお、洗浄チューブ５８は必ずしもシール部材６４の先端動作部１２側に突き出ている必要はなく、例えば、洗浄チューブ５８の先端をシール部材６４の接続部１５側に孔部６８に連続するように固定し、該孔部６８の先端動作部１２側の開口を出口７２として用いることもできる。

図４及び図５に示すように、出口７２のＺ方向での配設位置は、シール部材６４よりＺ１側の連結シャフト４８内及び先端動作部１２内を洗浄可能な位置とされ、シール部材６４からＺ１方向に所定距離離間した位置とされる。

シール部材６４は、連結シャフト４８内周面に外周面が密着配置され、当該連結シャフト４８内を先端動作部１２側と接続部１５側（駆動機構部側）とに仕切ることにより液体の流通を遮断する遮断壁である。シール部材６４は、連結シャフト４８内周壁に密着できる外径からなり、その板厚（Ｚ方向厚さ）は、連結シャフト４８内に安定して配置可能なものであればよい。なお、シール部材６４は、連結シャフト４８内よりＺ１側の先端動作部１２内等に配置することもできる。このようなシール部材６４は、例えば、ゴム、シリコーン又はＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂等から構成され、連結シャフト４８の内径に対応する円板状に構成されている。

図４及び図６に示すように、シール部材６４には、ワイヤ５４ａが挿通する孔部６６ａ、６７ａと、ワイヤ５４ｂが挿通する孔部６６ｂ、６７ｂと、ワイヤ５４ｃが挿通する孔部６６ｃ、６７ｃと、洗浄チューブ５８が挿通する孔部６８とがＺ方向に貫通形成されている。もちろん、先端動作部１２の自由度を２自由度や４自由度等に変更し、ワイヤの本数を変更した場合には、シール部材６４の孔部の数も変更可能である。

この場合、孔部６６ａ及び６７ａ、６６ｂ及び６７ｂ、６６ｃ及び６７ｃの間隔Ｗ（図６参照）を、プーリ５０ａ〜５０ｃの外径に対応するように設定しておくと、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの孔部６６ａ等の内壁面や縁部への当接やこれによる摩擦抵抗の発生を抑制し、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを一層円滑に移動させることが可能となり、プーリ５０ａ等へのワイヤ５４ａ等の巻き掛けに係るＹ方向位置と孔部６６ａ等のＹ方向位置との関係についても同様である。

ワイヤ５４ａ〜５４ｃはＺ方向に往復移動され、孔部６６ａ〜６６ｃ及び６７ａ〜６７ｃで摺動される。このため、各孔部６６ａ〜６６ｃ及び６７ａ〜６７ｃの内周面には摩擦抵抗を低減する潤滑処理７１（図６中の二点鎖線参照）、例えば、ＰＴＦＥ等のパイプやコーティング等を設け、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの一層円滑に駆動させることも可能である。

図５に示すように、本実施形態の場合、シール部材６４は、連結シャフト４８の所定位置に設けられた環状凸部８２のＺ１側から挿入され、そのＺ１側に環状部材８４が圧入されることで狭持され固定されている。環状部材８４は連結シャフト４８の内周面に接着（溶着等を含む）してもよく、環状凸部８２も環状部材として構成し接着して固定するように構成することもできる。

なお、図８に示すように、シール部材６４は、連結シャフト４８の外周面側から挿入される小径のねじ８６によって固定されてもよく、ねじ８６の代わりに小径のピン等を用いることもできる。シール部材６４は、連結シャフト４８の内周面に単に接着（溶着等を含む）するようにしてもよく、要は、シール部材６４がワイヤ５４ａ等の駆動によってＺ方向にずれないように固定されていればよい。

図２に示すように、アクチュエータブロック３０は、作業部１６の接続部１５を保持する２つの独立した係合部２１０と、該接続部１５の位置決め機能及び保持機構を有する３本のアライメントピン２１２とを有する。

アライメントピン２１２は、接続部１５側に設けられた嵌合孔２０６に対向する位置で、例えば３本設けられ、それぞれＹ１方向に延在している。このように、アライメントピン２１２は３本設けられていることから、接続部１５は３点で支持され、簡便且つ確実に位置決めを行うことができる。

従って、接続部１５をアクチュエータブロック３０に接続する際には、３つの嵌合孔２０６にアライメントピン２１２が挿入されるようにしてＹ２方向に移動させる。これにより、係合部２１０が先端のテーパ形状によってやや外方向に押されて変位して、接続部１５側の係合片２０７に対して摺動した後、係合し、接続部１５をアクチュエータブロック３０に装着することができる。なお、接続部１５を取り外す際には、係合片２０７を開方向に操作して接続部１５をＹ１方向に持ち上げればよい。

次に、マニピュレータ１０の先端動作部１２を動作させる入力手段である操作指令部１４について説明する。

作動スイッチ３５は、マニピュレータ１０の動作状態の有効又は無効を設定するための入力手段である。ＬＥＤ２９は、マニピュレータ１０の制御状態を示すインジケータであり、操作者が容易に認識可能な大きさであり、且つ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。ＬＥＤ２９は、ブリッジ２８の上面における略中央部で、視認性のよい位置に設けられており、作動スイッチ３５と並んで配置されていることから、例えば、作動スイッチ３５によるＯＮ操作に同期して点灯等をするため、操作者は作動スイッチ３５の操作をしながらその入力状態をＬＥＤ２９により確実に認識することができる。

複合入力部３４は、先端動作部１２に対してロール方向（軸回転方向）及びヨー方向（左右方向）の回転指令を与える複合的な入力手段である。

図７に示すように、複合入力部３４は、正面視で円形で、グリップハンドル２６の上端部とブリッジ２８との接続部の平面部３９に設けられており、図４から明らかなように、親指による操作が容易な位置に配置されている。平面部３９は、複合入力部３４の径よりもやや大きい径の略円環形であり、複合入力部３４の操作をしないときには親指を当てておき、複合入力部３４に触れることなくグリップハンドル２６を確実に保持することができる。平面部３９及び複合入力部３４の表面部は、その法線がＺ２方向とＹ１方向の略中間の方向を指向しており、親指の腹部Ｔを自然に当てることができる。

複合入力部３４は、シャトルリング２００と、該シャトルリング２００の内周側に設けられ、外部へと突出したパッド２０２とを有する（図２参照）。

シャトルリング２００は、左右対称位置に設けられた指当て部であるノブ２０１ａ、２０１ｂを有し、先端動作部１２に対してロール方向の回転指令を与える入力手段であり、シャトルリング２００の操作量が大きいほど、先端動作部１２の回転速度が速まるように設定されている。また、シャトルリング２００の非操作時には、先端動作部１２はロール方向に関して停止している。

シャトルリング２００の動作範囲は、基準位置（中立位置、原点位置）を基準として、例えば±１０°に設定されている。シャトルリング２００の動作範囲は、操作性を考慮して（例えば、微妙な操作が可能なように）ある程度の移動距離を確保するとともに、無理なく操作可能なように腹部Ｔの動作範囲に収めることが好ましい。

一方、パッド２０２は、先端動作部１２に対してヨー方向の傾動指令を与える入力手段であり、パッド２０２の操作量が大きいほど、先端動作部１２の傾動速度が速まるように設定されている。また、パッド２０２の非操作時には、先端動作部１２はヨー方向に関して停止している。パッド２０２は、正面視で上面及び下面が平行で左右両端が円弧形状の突起である。左右の円弧形状はシャトルリング２００の内面に対応した径に設定されている。

パッド２０２は、左右端面を指で操作することにより、左右押し込み方向に容易に傾動可能である。また、パッド２０２は、非操作時には、図示しない弾性部材の弾性力により基準位置に自動的に復帰可能である。

このようなシャトルリング２００及びパッド２０２による入力操作は、操作指令部１４の筐体内部に設けられた図示しない感圧センサ等によって検出され、これにより、図示しない基板等の制御手段を介してモータ４０ａやプーリ５０ａ等を駆動し、ワイヤ５４ａ等が駆動されることにより先端動作部１２を動作させることができる。

次に、トリガーレバー３２の構成及び作用について説明する。

図１に示すように、トリガーレバー３２は、ブリッジ２８のやや下方でＺ１方向にやや突出したレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。

トリガーレバー３２は、グリップハンドル２６に対してアーム９８により接続されており、該グリップハンドル２６に対して進退するように構成されている。アーム９８はグリップハンドル２６内で図示しないセンサに接続されており、トリガーレバー３２の進退量が該センサによって計測されてコントローラ４５に供給される。トリガーレバー３２は、先端動作部１２のグリッパ６０の開閉指令を与える入力手段である。

すなわち、トリガーレバー３２は、指を当て、グリップハンドル２６の方向（つまり、Ｚ２方向）に向かって引き込む操作と、グリップハンドル２６からＺ１方向に押し出す操作とが可能に構成され、これにより、グリッパ６０へと開閉指令を与えることができる。

なお、トリガーレバー３２のＹ２方向に設けられたスイッチ３６は、オルタネート式であって、該スイッチ３６を操作することによりトリガーレバー３２により所定の開閉状態とされたグリッパ６０の状態、例えば、閉じ状態を保持しておくことができる。

基本的には、以上のように構成される本実施形態に係るマニピュレータ１０の作用について説明する。

図３に示すように、先端動作部１２は、ロール軸、ヨー軸及びグリッパ軸の３自由度の機構を備え、複数の関節を有し、先端動作部１２には各部に隙間Ａが形成されている。もちろん、１自由度の機構であっても関節は設けられる。従って、マニピュレータ１０による手術中、体腔２２内において患者の体液や血液等の液体が隙間Ａを介して連結シャフト４８内へと浸入するため、連結シャフト４８の奥部（Ｚ２方向）や接続部１５内（カバー３７内）等の駆動機構部側に血液等が浸入した場合には、術後の洗浄や滅菌等が一層煩雑なものとなる。

そこで、本実施形態に係るマニピュレータ１０では、連結シャフト４８内を先端動作部１２側と駆動機構部側である接続部１５側とに仕切るシール部材６４を設けている。これにより、先端動作部１２の隙間Ａから浸入した血液等の液体は、連結シャフト４８の内周面に沿って先端動作部１２側から接続部１５側へと流入するが、シール部材６４より接続部１５側へと流通することが防止される。このため、手術中に連結シャフト４８の奥部や接続部１５内等に血液等が浸入することを防止することができ、術後の洗浄等が容易となり、メンテナンス性を向上させることができる。さらに、シール部材６４を設けたことにより、上記のような液密性に加えて、空気等の気体の流通を遮断する気密性も確保することができる。従って、シール部材６４よりも先端動作部１２側の連結シャフト４８内では、内部の空気がほとんど抜けず、該空気が連結シャフト４８内を略密封するように機能する。このため、密封状態となった空気により、血液等の液体が前記隙間Ａから連結シャフト４８内へと浸入すること事態を可及的に抑制することができる。すなわち、マニピュレータ１０では、シール部材６４を設けることにより、連結シャフト４８内及び接続部１５への血液等の浸入を有効に防止することができ、該接続部１５内に配置されたプーリ５０ａ等の洗浄が不要又は容易となる。接続部１５内の洗浄のために、接続部１５に洗浄液注入孔や排出孔等を備えておいてもよい。

図５に示すように、洗浄チューブ５８の先端側の出口７２をシール部材６４の先端動作部１２側に設けていることにより、マニピュレータ１０の洗浄時、蓋体６９を取り外して入口７０から洗浄チューブ５８内へと洗浄液を流すことで、連結シャフト４８内部や先端動作部１２内部を一層容易に洗浄することができる。なお、マニピュレータ１０の洗浄方法としては、洗浄チューブ５８を用いて先端動作部１２側を洗浄する以外にも、例えば、先端動作部１２側や洗浄チューブ５８の入口７０側に図示しないチューブとシリンジを接続し、該シリンジのポンプ作用によって洗浄することもできる。

この場合、隙間Ａから流入してシール部材６４に接触した後、再び隙間Ａを介して患者の体腔２２内へと戻る血液等の流れを考慮して、シール部材６４は、上記したゴム、シリコーン又はフッ素系樹脂等のように生体に対して影響の小さい材質とすることが好ましい。同様な理由から、洗浄チューブ５８についてもシール部材６４と同様な材質にすることが好ましい。

また、図５に示すように、マニピュレータ１０では、ワイヤ５４ａ〜５４ｃがその往復移動範囲Ｌにおいて駆動された際、シール部材６４の各孔部６６ａ〜６６ｃ及び６７ａ〜６７ｃに対し、必ず補強チューブ５７ａ〜５７ｃで摺接するような位置に設定されている。

通常、ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、強度等を考慮して複数の線材をよった巻線で構成されているため、この巻線部分が孔部６６ａ等に対応している場合にはワイヤ５４ａ等と孔部６６ａ等との間に隙間を生じ、該隙間を介して血液等がシール部材６４を通過してしまう可能性がある。そこで、本実施形態の場合には、常に補強チューブ５７ａ等が孔部６６ａ等に対応するように設定したことにより、シール部材６４での血液等の遮断を一層効果的に行うことができる。さらに、シール部材６４による気密性を一層向上させることができるため、連結シャフト４８内部の空気により、該連結シャフト４８内への血液等の浸入を一層確実に防止することができる。なお、補強チューブ５７ａ等以外の部分が孔部６６ａ等に対応するように設定しても、ある程度の血液等や空気の遮断効果は得ることができるため、マニピュレータ１０の使用条件等によっては有効に用いることができる。

図９に示すように、補強チューブ５７ａ〜５７ｃの代わりに金属製の棒材等からなる棒体６３ａ、６３ｂ及び６３ｃを用い、その両端にワイヤ５４ａ〜５４ｃと同質のワイヤ６１ａ、６１ｂ及び６１ｃを連結した構成とすることもできる。この場合にも、第１部位としてのワイヤ６１ａ等よりも剛性の高い第２部位としての棒体６３ａ等が、シール部材６４の各孔部６６ａ〜６６ｃ及び６７ａ〜６７ｃに対して摺接する位置に設定しておくことにより、シール部材６４でのシール性を高めることができる。

さらには、上記したワイヤと補強チューブとの組み合わせや、ワイヤと棒体との組み合わせ以外にも、例えば、ワイヤに代えて金属棒からなるロッド（図示せず）を用いる構成としてもよい。該ロッドの表面を滑らかにしておけば、補強チューブや棒体をシール部材との摺接部に別途設けなくても、該シール部材との間で液密性及び気密性を保持することができる。ロッドを用いた構成は、例えば、トリガーレバー３２等の操作部によってロッドを前後移動させる構造や、直動モータ（図示せず）等によってロッドを前後移動させる構造等に一層好適である。ロッドを用いた場合にも、プーリや歯車にあたる部分ではワイヤを用いることはいうまでもない。

洗浄チューブ５８の先端の出口７２は、連結シャフト４８内で開口しているが、手術時には入口７０側が蓋体６９によって閉塞されているため、当該洗浄チューブ５８の内圧は所定圧に保持されることになる。これにより、手術時、血液等が洗浄チューブ５８の出口７２から浸入することを有効に防止することができる。さらに、体腔内のガス（二酸化炭素等）が洗浄チューブ５８を介して漏れることを防止し、体腔内圧を維持することもできる。

図２に示すように、このような蓋体６９を用いる以外にも、入口７０の近傍の洗浄チューブ５８に、出口７２側から入口７０側（Ｚ１側からＺ２側）への流体の流通を遮断する逆止弁８０（図２中の破線参照）を設けておくことでも、上記した蓋体６９を用いた場合と略同様に、出口７２からの血液及びガス等の逆流防止効果が得られ、蓋体６９の着脱操作が不要となることから、その取扱容易性も向上させることができる。

もちろん、洗浄チューブ５８はマニピュレータ１０の仕様等によっては省略可能であり、例えば、先端動作部１２側から連結シャフト４８内を洗浄するような場合には当該洗浄チューブ５８を省略し、構成の簡素化を図ることができる。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、図４に示すシール部材６４の変形例に係るシール部材６４ａを示している。

シール部材６４ａは、小径部８８と大径部９０とを有する段付き円柱形状であり、大径部９０の外周面が連結シャフト４８の内周面に密着配置されることで、連結シャフト４８内を仕切ることができる。該シール部材６４ａには、シール部材６４と略同様に、ワイヤが挿通される孔部９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄ、９２ｅ、９２ｆがＺ方向に貫通形成されている。各孔部９２ａ〜９２ｆは段付き形状で形成されており、小径部８８の端面（Ｚ１側端面）から形成された小径孔９４ａ、９４ｂ、９４ｃ、９４ｄ、９４ｅ、９４ｆと、大径部９０の端面（Ｚ２側端面）から形成され、各小径孔９４ａ〜９４ｆに連続する大径孔９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄ、９６ｅ、９６ｆとを有する。

小径孔９４ａ〜９４ｆは、補強チューブ５７ａ（図５参照）や棒体６３ａ（図９参照）に対応可能な内径、すなわち、これらが摺接可能且つ液密性及び気密性を確保できる内径とされる。大径孔９６ａ〜９６ｆは、小径孔９４ａ〜９４ｆよりも大径に構成されている。これにより、ワイヤ５４ａ〜５４ｃが往復移動され、プーリ５０ａ〜５０ｃへの巻き掛け位置がＸ方向やＹ方向に変位した場合であっても、小径孔９４ａ〜９４ｆに摺動するワイヤ５４ａ〜５４ｃが、大径孔９６ａ〜９６ｆのＺ２側開口縁部に当接することを防止することができる。

ここで、例えば、２本のワイヤ５４ａ、５４ｂとモータ４０ａ、４０ｂ及びプーリ５０ａ、５０ｂとを使用して、先端動作部１２の２動作（ロール方向及びヨー方向）を電気的に動作させると共に、トリガーレバー３２（図示しない揺動レバー等でもよい）の操作で図示しないロッド（例えば、金属棒）を前後移動させることでグリッパ６０を機械的に開閉動作させる構造等からなる、いわゆるハイブリットタイプのマニピュレータにシール部材６４ａを適用する場合について説明する。この場合、例えば、上下一対の孔部９２ａ、９２ｂにマニュアル駆動部である前記ロッドを挿通させ、残りの電動駆動部であるワイヤ５４ａ、５４ｂ（補強チューブ５７ａ、５７ｂ）を孔部９２ｃ〜９２ｆに挿通させるとよい。なお、前記ロッドの少なくとも前記孔部９２ａ、９２ｂに摺接する部位には潤滑性の被覆を施しておくとよく、上記した棒体６３ａ〜６３ｃの場合についても同様に構成可能である。当然、孔部９２ａ〜９２ｆ（小径孔９４ａ〜９４ｆ）の内周面に潤滑処理７１（図６参照）を施してもよい。

このようなシール部材６４ａについても、図６に示すシール部材６４と同様に、例えば、軸中心に孔部６８を設け、洗浄チューブ５８に対応可能に構成することも当然可能である。

図１１は、別の変形例に係るシール部材６４ｂを示す正面図であり、図１２は、図１１に示すＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。

図１１及び図１２に示すように、シール部材６４ｂは、前記シール部材６４（図６参照）の各孔部６６ａ〜６６ｃ、６７ａ〜６７ｃをそれぞれ拡径した孔部１００ａ〜１００ｆを有し、各孔部１００ａ〜１００ｆの内周側にそれぞれゴム等の弾性体からなる仕切り部材（弾性部材、弾性膜）１０２ａ〜１０２ｆが固着されている。各仕切り部材１０２ａ〜１０２ｆの中心には、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ（補強チューブ５７ａ〜５７ｃ）が挿入され固着される孔部がそれぞれ形成されている。すなわち、隔壁である仕切り部材１０２ａ〜１０２ｆがワイヤ毎に設けられている。

従って、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、シール部材６４ｂでは、例えば、孔部１００ｂに挿通されたワイヤ５４が往復移動されると、仕切り部材１０２ｂが弾性的に引張され、これにより、該シール部材６４ｂの前後で液密性及び気密性を確保することができる。

このようなシール部材６４ｂを用いた場合には、ワイヤ５４ａ等の移動に伴う摺動部をなくすことができるため、ワイヤ５４ａ等を動作させるために必要な力を低減することができ、モータ４０ａ等の小型化やマニピュレータ１０全体としての小型化が可能となる。仕切り部材１０２ａ〜１０２ｆの弾性力に抗してワイヤ５４ａ等を動作させるために必要な力は、ワイヤ移動量と仕切り部材１０２ａ〜１０２ｆのゴム等の物性に依存して決定される。また、仕切り部材１０２ａ〜１０２ｆに用いられるゴムは、血液接触等を考慮して、シリコーンやフッ素系のものを選択することが好ましい。

図１４に示すように、前記シール部材６４（図６参照）において、外周側面から各孔部６６ａ〜６６ｃ、６７ａ〜６７ｃへと連なる切込みとしてスリット１０４ａ〜１０４ｆを形成してもよい。勿論、図１０Ａに示すシール部材６４ａにスリット１０４ａ〜１０４ｆを同様に形成することもできる。このようなスリット１０４ａ〜１０４ｆを形成しておくと、マニピュレータ１０の組立時、例えば、ワイヤ５４ａ〜５４ｃをプーリ５０ａ〜５０ｃと歯車５５等との間に巻き掛ける際、先にワイヤ５４ａ〜５４ｃをループ状に形成し、それからスリット１０４ａ〜１０４ｆを挿通させて各孔部６６ａ〜６６ｃ、６７ａ〜６７ｃへと挿入することができる。このため、各孔部６６ａ〜６６ｃ、６７ａ〜６７ｃへとワイヤ５４ａ〜５４ｃをそれぞれ挿通させてから各ワイヤをループ状に形成する場合に比べて組立性を向上させることができる。例えば、ワイヤ５４ａの場合、スリット１０４ａ、１０４ｂへと図１４中の矢印Ｂ方向に挿通させることにより、容易に孔部６６ａ、６７ａへと挿入することができる。

スリット１０４ａ〜１０４ｆを形成した場合であっても、各スリットは連結シャフト４８内にシール部材６４等が嵌挿された際に密着し、シール部材としての密閉性を損なうことはない。勿論、ワイヤを通した後、各スリットを接着剤等で接着することも可能である。

上記実施形態は、例えば図１５に示すような医療用ロボットシステム３００に適用してもよい。

医療用ロボットシステム３００は、多関節型のロボットアーム３０２と、コンソール３０４とを有し、作業部３０６はロボットアーム３０２の先端に接続されている。ロボットアーム３０２の先端には前記のマニピュレータ１０と同様な機構を有するマニピュレータ３０８が設けられている。ロボットアーム３０２は、作業部３０６を移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。コンソール３０４は、テーブル型、制御盤型等の構成を採りうる。

ロボットアーム３０２は、独立的な６以上の関節（回転軸やスライド軸等）を有すると、作業部３０６の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のマニピュレータ３０８は、ロボットアーム３０２の先端部３１０と一体化している。マニピュレータ３０８は、前記のアクチュエータブロック３０（図１参照）の代わりに、基端側が前記先端部３１０に連結されると共に、内部にモータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃ（図１５では図示せず）を収納したアクチュエータブロック３１２を有する。

ロボットアーム３０２は、コンソール３０４の作用下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール３０４に設けられたジョイスティック３１４に倣った操作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。コンソール３０４は、前記のコントローラ４５（図１参照）の機能を含んでいる。作業部３０６には、前記の先端動作部１２が設けられている。

コンソール３０４には、操作指令部としての２つのジョイスティック３１４と、モニタ３１６が設けられている。図示を省略するが、２つのジョイスティック３１４により、２台のロボットアーム３０２を個別に操作が可能である。２つのジョイスティック３１４は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ３１６には、内視鏡による画像等の情報が表示される。

ジョイスティック３１４は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてロボットアーム３０２を動かすことができる。ジョイスティック３１４はマスターアームであってもよい。ロボットアーム３０２とコンソール３０４との間の通信手段は、有線、無線、ネットワーク又はこれらの組合わせでよい。

このような医療用ロボットシステム３００においても、上記のシール部材６４〜６４ｂを備えることにより、洗浄や滅菌等のメンテナンス性を向上させることができる。

本発明に係るマニピュレータは、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。

１０、３０８…マニピュレータ １２…先端動作部
１４…操作指令部 １５…接続部
１６、３０６…作業部 ３０、３１２…アクチュエータブロック
４０ａ〜４０ｃ…モータ ４８…連結シャフト
５０ａ〜５０ｃ…プーリ ５４ａ〜５４ｃ、６１ａ〜６１ｃ…ワイヤ
５７ａ〜５７ｃ…補強チューブ ５８…洗浄チューブ
６０…グリッパ ６３ａ〜６３ｃ…棒体
６４、６４ａ〜６４ｃ…シール部材
６６ａ〜６６ｃ、６７ａ〜６７ｃ、６８、９２ａ〜９２ｆ、１００ａ〜１００ｆ…孔部
６９…蓋体 ７０…入口
７２…出口 ８０…逆止弁
１０２ａ〜１０２ｆ…仕切り部材 １０４ａ〜１０４ｆ…スリット
３００…医療用ロボットシステム

Claims (9)

1. 中空のシャフトと、
   前記中空のシャフト内を挿通する動力伝達部材と、
   前記シャフトの一端側に設けられ、前記動力伝達部材に駆動力を付与する駆動機構部と、
   前記シャフトの他端側に設けられ、前記動力伝達部材により動作される先端動作部と、
   前記動力伝達部材が摺動可能に挿通される孔部が形成されると共に、前記シャフトの先端開口から流入する液体が前記シャフト内を通って前記先端動作部側から前記駆動機構部側へと流通することを防止するシール部材と、
   を有し、
   前記シール部材は、前記シャフト内を前記先端動作部側の第１空間と前記駆動機構部側の第２空間とに仕切るように設けられ、
   前記シャフトの前記先端開口は閉塞されずに開放しているとともに、前記第１空間は、前記先端開口を介して外部と連通し、
   前記シャフト内には、前記駆動機構部側から前記先端動作部側に向けて延在する洗浄チューブが配置され、
   前記洗浄チューブは、前記シール部材に接続されるとともに、該先端動作部の内部を洗浄可能な洗浄液が流通され、前記第２空間に前記洗浄液を供給することなく、前記第１空間に前記洗浄液を供給する、
   ことを特徴とするマニピュレータ。
2. 請求項１記載のマニピュレータにおいて、
   前記動力伝達部材は、少なくとも可撓性を有する第１部位と該第１部位より剛性の高い第２部位とを有し、
   前記第２部位が前記孔部に挿通されていることを特徴とするマニピュレータ。
3. 請求項２記載のマニピュレータにおいて、
   前記第２部位は、前記第１部位の一部を囲繞する補強チューブ、又は、前記第１部位に連結された棒体であることを特徴とするマニピュレータ。
4. 請求項２又は３記載のマニピュレータにおいて、
   前記動力伝達部材が駆動された際、前記孔部には常に前記第２部位が摺接することを特徴とするマニピュレータ。
5. 請求項１〜４記載のマニピュレータにおいて、
   前記シール部材には、前記洗浄チューブが挿通される洗浄用孔部が形成され、
   前記洗浄チューブの前記先端動作部側の端部は、前記シール部材より前記先端動作部側に配置されていることを特徴とするマニピュレータ。
6. 請求項５記載のマニピュレータにおいて、
   前記洗浄チューブの前記駆動機構部側の端部には、着脱可能な蓋体が設けられることを特徴とするマニピュレータ。
7. 請求項５記載のマニピュレータにおいて、
   前記洗浄チューブの前記シール部材より前記駆動機構部側には、前記先端動作部側から前記駆動機構部側への方向の前記洗浄液の流通を遮断する逆止弁が設けられていることを特徴とするマニピュレータ。
8. 請求項１記載のマニピュレータにおいて、
   前記シール部材には、外面から前記孔部へと連なるスリットが形成されていることを特徴とするマニピュレータ。
9. 中空のシャフトと、
   前記中空のシャフト内を挿通する動力伝達部材と、
   前記シャフトの一端側に設けられ、前記動力伝達部材に駆動力を付与する駆動機構部と、
   前記シャフトの他端側に設けられ、前記動力伝達部材により動作される先端動作部と、
   前記動力伝達部材が挿通される孔部が形成されると共に、前記シャフトの先端開口から流入する液体が前記シャフト内を通って前記先端動作部側から前記駆動機構部側へと流通することを防止するシール部材と、
   を有し、
   前記孔部には、前記動力伝達部材の外周面に固着される弾性部材が設けられ、
   前記シール部材は、前記シャフト内を前記先端動作部側の第１空間と前記駆動機構部側の第２空間とに仕切るように設けられ、
   前記シャフトの前記先端開口は閉塞されずに開放しているとともに、前記第１空間は、前記先端開口を介して外部と連通し、
   前記シャフト内には、前記駆動機構部側から前記先端動作部側に向けて延在する洗浄チューブが配置され、
   前記洗浄チューブは、前記シール部材に接続されるとともに、該先端動作部の内部を洗浄可能な洗浄液が流通され、前記第２空間に前記洗浄液を供給することなく、前記第１空間に前記洗浄液を供給する、
   ことを特徴とするマニピュレータ。

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