JP2006289534A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 回転２自由度と把持の自由度を持ち、操作性が良く、力フィードバックを得ることができ、保守運用面で簡便なマニピュレータを提供すること。
【解決手段】 操作部１と作業部２間にリンク機構３が設けられる。リンク機構３は４本の駆動棒３ａ〜３ｄと駆動棒の両端に設けられた同一構造の第１、第２の連結部材４１，４２から構成されている。リンク機構３により第１、第２の操作部材１ａ，１ｂの操作に対応して第１、第２の作業部材２ａ，２ｂが動く。例えば第１、第２の操作部材１ａ，１ｂを開閉すると、第１、第２の作業部材２ａ，２ｂが開閉する（把持）。また、第１、第２の操作部材１ａ，１ｂのヨウ角を変えると、これに応じて作業部材２ａ，２ｂのヨウ角も変わる。同様に、第１、第２の操作部材１ａ，１ｂのピッチ角を変えると、これに応じて作業部材２ａ，２ｂのピッチ角も変わる。
【選択図】 図２

Description

本発明は低侵襲手術等で使用される鉗子に適用するのに好適な多自由度マニピュレータに関する。

近年低侵襲手術が注目され、盛んに導入されている。これは、これまでは開腹手術のような体を大きく切る従来の手術に対して、できるだけ小さな切開で行われる手術であり、主に内視鏡によって患部を見ながら細長い棒状の鉗子やメスを挿入して治療が行われる。 低侵襲手術はおもに小さい孔から細長い棒状の鉗子やメスを挿入し、内視鏡によって患部を見ながら治療が行われものであるから、正常な部位の損傷が低減され患者利益が大きい一方で、孔の拘束を受けるため治療具の操作が難しいという問題がある。この問題を解決するために、鉗子先端を動かすことができる鉗子の研究開発が行われている。
鉗子先端に自由度を有すものとして、これまでにアクチュエータ無しで回転１自由度を有する特許文献１記載の鉗子や、ＤＣモータを利用したマスタスレーブ鉗子で回転２自由度と把持を有する特許文献２に記載のものが提案されている。
しかし、任意の姿勢をとるためには鉗子先端に２自由度以上必要であるため特許文献１に記載の鉗子では十分な操作性が得られない。
また特許文献２に記載のものでは、その大きさとコストから導入運用が難しいという問題と、十分な力のフィードバックが得られないという問題がある。このため、手術室内でのスペース問題が生じるために採用することが難しいとともに、十分な力伝達がないため力をかけ過ぎてしまう危険性がある。

２自由度を有し特許文献２に記載のものと比べて小さいものとして、特許文献３に記載の一体型マスタスレーブ鉗子、特許文献４に記載の鉗子がある。
特許文献３記載の一体型マスタスレーブ鉗子は鉗子先端の回転２自由度と把持のみをＤＣモータで駆動することで小型化を図っているが、電源や支持機構といった外部装置を要するという欠点とＤＣモータで駆動する自由度に関しては力のフィードバックが無いという欠点を持つ。
また、特許文献４に記載の鉗子は鉗子先端の回転２自由度の回転軸が交差していないため操作性が低いという欠点と、構造上屈曲時にリンクが外に膨らむため、内視鏡の視野外で、臓器等を巻きこんでしまう危険性がある。また、相手先端に２自由度を付加する機構のみに注目した場合、上記のもののほかに特許文献５に記載のものや、特許文献６に記載のものがあるが、ワイヤを利用しているため静止摩擦の影響が大きく、動力を伝達する部材の剛性も低い。
米国特許第５７０２４０８号明細書 国際公開第ＷＯ９７／４３９４３号パンフレット 特開２００４−１０５４５１号公報 特開２００４−８９４８２号公報 特許公開２００４−１８７７９８号公報 米国特許出願公開第２００４／０１６２５４７号明細書

以上のように従来から種々の鉗子が提案されているが、特許文献１に記載のものでは、十分な操作性が得られず、また、特許文献２に記載のものでは、大きさとコストから導入運用が難しく、また、十分な力のフィードバックが得られないという問題がある。
さらに、特許文献３記載のものは、電源や支持機構といった外部装置を要するとともに力のフィードバックが無いという欠点を持ち、また特許文献４に記載の鉗子は操作性が低く、屈曲時にリンクが外に膨らむといった欠点がある。
一方、特許文献５に記載のものや、特許文献６に記載のものは、静止摩擦の影響が大きく、動力を伝達する部材の剛性も低い。
低侵襲手術は術者に高い技術を要求するものであることから、高い操作性を持つ鉗子が望まれており、鉗子先端に回転２自由度と把持の自由度を持ち、操作性が良く、かつ保守運用面で簡便な鉗子が強く望まれる。しかし、従来においては、このような要望に応えるものは提案されていなかった。
本発明は上述した事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は回転２自由度と把持の自由度を持ち、操作性が良く、十分な力フィードバックを得ることができ、さらに保守運用面で簡便な、鉗子などに適用するに好適なマニピュレータを提供することである。

本発明においては、先端に回転２自由度と把持を持ったマニピュレータを以下のように構成することで、上記課題を解決する。
（１）作業を行なう作業部と、操作を行なう操作部とを備え、操作部での操作を上記作業部に伝えるとともに、作業部に作用する力を力覚として上記操作部に伝えるマニピュレータにおいて、上記作業部と操作部間に、少なくとも４本の駆動棒を設け、上記駆動棒の両端を、同一構造の連結部材を介して上記作業部および操作部に連結する。
上記各駆動棒の長手方向の軸は平行であって、かつ少なくとも全駆動棒の長手方向の軸が同一平面上にないように配置されており、上記操作部および作業部側の連結部材は、操作部の操作に応じて各駆動棒を、平行に保ったまま軸方向に移動させ、作業部を操作部の操作に対応させて駆動する。
（２）上記（１）において、操作部を第１および第２の操作部材から構成し、第１および第２の操作部材を、操作部側の連結部材の中心軸を軸として該連結部材に回動可能に連結する。また、上記作業部を第１、第２の作業部材から構成し、第１、第２の作業部材を、作業部側の連結部材の中心軸を軸として該連結部材に回動可能に連結する。
また、上記駆動棒の内、少なくとも第１および第３の駆動部材を連結部材の上記中心軸に対して一方の側にそれぞれ独立して回動可能に連結し、上記駆動棒の内、少なくとも第２および第４の駆動部材を連結部材の上記中心軸に対して他方の側にそれぞれ独立して回動可能に連結する。
さらに、上記第１の操作部材を、４本の駆動棒の内の第１及び第２の駆動棒を介して第１の作業部材に連結し、上記第２の操作部材を上記４本の駆動棒の内の第３及び第４の駆動棒を介して第２の作業部材に連結する。
前記駆動棒の軸方向をＸ軸方向、該Ｘ軸に直交する方向をそれぞれＹ軸方向およびＺ軸方向としたとき、上記構成のマニピュレータは、以下のように動く。 (i) 上記操作部の第１、第２の操作部材を共に上記Ｙ軸回りに回動させたとき、上記連結部材を介して上記少なくとも４本の駆動棒の内の第１及び第２の駆動棒が共に第１の方向に、また上記駆動棒の内の第３、第４の駆動棒が上記第１の方向とは反対方向に移動して、作業部の第１、第２の作業部材は共にＹ軸回りに回動する。
(ii)上記操作部の第１、第２の操作部材を共に上記Ｚ軸回りに回動させたとき、上記少なくとも４本の駆動棒の内の第１及び第３の駆動棒が共に第１の方向に、また上記駆動棒の内の第２、第４の駆動棒が上記第１の方向とは反対方向に移動して、作業部の第１、第２の作業部材は共に上記Ｚ軸回りに回動する。
(iii) 上記操作部の第１の操作部材を上記Ｚ軸回りに回動させたとき、上記第１および第２の駆動棒の一方が第１の方向に、他方が反対方向に移動し、作業部の第１の作業部材は上記Ｚ軸回りに回動する。
また、上記操作部の第２の操作部材を、上記Ｚ軸回りに回動させたとき、上記第３および第４の駆動棒の一方が第１の方向に、他方が第１の方向とは反対方向に移動し、作業部の第２の作業部材は上記Ｚ軸回りに回動する。
（３）上記（１）（２）において、上記連結部材は以下のように構成することができる。 上記操作部側および作業部側に設けられた連結部材は、該連結部材の中心軸の回りに回転可能な第１、第２の可動部材を備え、上記駆動棒の内の少なくとも２本の第１および第２の駆動棒は、それぞれ上記第１の可動部材の中心軸の両側に、該可動部材に対して上記中心軸に平行な軸の回り、および中心軸および駆動棒の長手方向の軸に直交する軸の回りに回転可能に取り付けられる。
また、上記駆動棒の内の少なくとも他の２本の第３および第４の駆動棒は、それぞれ上記第２の可動部材の中心軸の両側に、該可動部材に対して上記中心軸に平行な軸の回り、および中心軸および駆動棒の長手方向の軸に直交する軸の回りに回転可能に取り付けられる。
さらに、作業部側に設けられた連結部材の第１および第２の可動部材は、それぞれ作業部に設けられた第１、第２の作業部材に連結され、操作部側の連結部材に設けられた第１および第２の可動部材は、それぞれ操作部に設けられた第１、第２の操作部材が連結される。
（４）上記（１）〜（３）において、駆動棒の作業部と操作部間に、操作部側および作業部側に設けられた連結部材と同一構造の連結部材を設ける。
（５）上記（４）連結部材の内に少なくとも一つを筐体に取り付けられた固定部材に取りつける。該連結部材の中心軸はこの固定部材に該中心軸回りに回動可能に取り付けられ、上記固定部材は、筐体に対して前記Ｙ軸回りに回動可能に取り付けられる。
（６）上記（１）〜（５）において、作業部に設けられた第１、第２の作業部材の先端に、リンク機構を取り付け、リンク機構の先端を物体などを把持する第３、第４の作業部材とする。
上記リンク機構は、上記作業部の第１の作業部材の回転軸に平行な第１の回転軸を中心として回動する第３作業部材と、上記作業部の第２の作業部材の回転軸に平行な第２の回転軸を中心として回動する第４作業部材と、一方端が上記第３の作業部材の一方端に回転可能に取り付けられ、他方端が第１の作業部材に回転可能に取り付けれられた第１のアームと、一方端が上記第４作業部材の一方端に回転可能に取り付けられ、他方端が第２の作業部材に回転可能に取りつれられた第２のアームとから構成される。そして、上記第１作業部材の回転軸と、上記第１の回転軸と、第１のアームの両端の回転軸とを直線で結んだ形状、および上記第２作業部材の回転軸と、上記第２の回転軸と、第２のアームの両端の回転軸とを直線で結んだ形状を、それぞれ四辺形状とする。

本発明においては以下の効果を得ることができる。
（１）マスタスレーブ・マニピュレータの操作性と、アクチュエータを用いないマニピュレータの保守運用面での簡便性と力のフィードバックを併せ持ったマニピュレータを実現することができる。
特に、回転２自由度と把持の合計３自由度を有し、従来鉗子の持つ４自由度と合わせて６自由度＋把持の７自由度となり、任意の位置と姿勢をとることができる。
また、駆動棒から構成されるリンク機構を用いており、ロボット鉗子等に多く採用されているワイヤ構造に比べて剛性が高い。
このため本発明のマニピュレータを鉗子に適用することにより、コストや手技の難しさから低侵襲手術に移行できなかった症例に適用することが可能となり、低侵襲手術の幅を広げることができると考えられる。
（２）マニピュレータ先端の回転２自由度の軸が１点で交差するリンクのみで構成された機構であるため操作性が高い。また、屈曲時のリンクのふくらみによって何かを巻きこんでしまう危険性が無く、例えば内視鏡手術で使用される鉗子に適用しても、臓器を巻き込んでしまうといった危険がない。
（３）駆動棒の途中に連結部材を設けることにより、操作部と鉗子先端の間の剛性を向上させることができ、駆動棒の長さが長くなっても対応することができる。
（４）作業部材の先端に前記リンク機構を取り付け、リンク機構の先端で物体などを把持する構成とすることにより、リンク機構の先端の速度を減速することができ、加わる力を増大させることができる。このため、例えば鉗子先端において針などを把持させる際、把持力を大きくすることができ、操作性を向上させることができる。
また、上記リンク機構を設けることにより、回転関節と把持の軸をずらすことができるので、操作性を向上させることもできる。さらに、力を増大させることができるので、摩擦の影響を低減することもできる。

以下本発明の実施の形態について説明する。以下では、本発明を、手術用の多自由度鉗子に適用する場合について説明するが、本発明は操作部と作業部を有し、操作部の操作に応じて作業部を動かし各種作業を行なう種々の用途のマニピュレータにも同様に適用することができる。
図１は本発明の実施例の鉗子の概略構成および鉗子における自由度を説明する図であり、同図により本実施例の鉗子の自由度について説明する。
同図（ａ）において、１は操作部、２は作業部である。操作部１は第１、第２の操作部材１ａ，１ｂから構成され、作業部２は第１、第２の作業部材２ａ，２ｂで構成される。 上記操作端１と作業端２は、後述するリンク機構３で連結され、第１、第２の操作部材１ａ，１ｂを例えば手で操作することにより、作業部２の第１、第２の作業部材２ａ，２ｂを操作部１の操作に応じて動かすことができる。

ここで、同図に示すように上記操作端１と作業端２の間に設けられたリンク機構３の軸方向をＸ軸、Ｘ軸に直交する方向をそれぞれＹ軸、Ｚ軸とすると、操作部１を同図の矢印Ａに示すようにＹ軸周りに回動させると、操作部１の動きは上記リンク機構３を介して作業部２に伝達され、作業部２も同様に同図の矢印Ａの方向に回動する。
また、操作部１を同図の矢印Ｂに示すようにＺ軸周りに回動させると、操作部１の動きは上記リンク機構３を介して作業部２に伝達され、作業部２も同様に同図の矢印Ｂの方向に回動する。
さらに、操作部１の第１、第２の操作部材１ａ，１ｂを開閉させると、操作部１の動きは上記リンク機構３を介して作業部２に伝達され、作業部２の第１、第２の作業部材２ａ，２ｂも開閉する。なお、通常、鉗子においては上記作業部２は物をつかむための把持部として構成されていることが多いので、以下では上記第１、第２の作業部材２ａ，２ｂの開閉を把持、作業部２を把持部とも呼ぶ。
以下、上記Ｙ軸周りの回動を図１（ｂ）に示すようにピッチ（Ｐｉｔｃｈ）といい、Ｚ軸回りの回動をヨウ（Ｙａｗ）とよび、また、Ｘ軸周りの回転をＲｏｌｌ（ロール）と呼ぶ。

以上のように、本実施例の鉗子は回転２自由度＋把持の自由度を持つ。一方、先端が把持のみの従来の鉗子を低侵襲手術に用いる場合、その動きは孔に拘束されるので、図１（ｃ）に示すように軸方向の移動、回転（上記ロールに対応）、２方向の先端移動の４自由度である。
すなわち、本実施例の鉗子は通常鉗子が有する上記４自由度に加え、上記のように２自由度（ピッチとヨウ）＋把持の自由度をもつので、合計で６自由度＋把持となる。
このため、本実施例の鉗子を用いることで、鉗子の先端に任意の位置と姿勢をとらせることができる。
一般に低侵襲手術では複雑な作業を行うことが困難で特に縫合作業が難しい。しかし、鉗子先端に自由度があれば従来鉗子には難しい角度からの作業が可能であるとともに縫合作業も容易なものとなる。また、従来鉗子の持つ４自由度は術者の腕の動きにほぼ相当し、鉗子先端の２自由度は術者の手首にほぼ相当することからも鉗子先端に自由度を付加することの効果を理解することができる。
また、本実施例の鉗子はリンク機構３を介して先端（作業端）の自由度を直接操作するため、従来鉗子と同等の力が術者に伝わる。さらに、電気回路やアクチュエータがなく、構成が簡単であるため、コスト面でも有利であり、導入運用面でも、電気的な部分が無いため他の治療具や診断具に影響が無く、電源などの新たな外部装置を必要としない。

図２は本発明の実施例の鉗子の全体構成を示す図である。
同図において、１は第１の操作部材１ａと第２の操作部材１ｂから構成される操作部、２は第１の作業部材２ａと第２の作業部材２ｂから構成される作業部（把持部）である。 上記操作部１と作業部２間には、前記したようにリンク機構３が設けられ、リンク機構は、４本の駆動棒３ａ〜３ｄと駆動棒の両端に設けられた同一構造の第１、第２の連結部材４１，４２から構成される。操作部１と作業部２はそれぞれ連結部材４２，４１を介して上記駆動棒３ａ〜３ｄと連結されている。
上記リンク機構３により、操作部１の第１、第２の操作部材１ａ，１ｂの操作に対応して作業部２の第１、第２の作業部材２ａ，２ｂが動く。
本実施例の鉗子の自由度は前記したようにヨウ、ピッチ、および把持であり、鉗子全体を動かすことで得られる４自由度と合わせて合計７自由度（６自由度＋把持）を持つ。 すなわち、第１、第２の操作部材１ａ，１ｂを開閉すると、第１の作業部材２ａ、第２の作業部材２ｂが開閉する（把持）。また、第１、第２の操作部材１ａ，１ｂのヨウ角を変えると、これに応じて作業部材２ａ，２ｂのヨウ角も変わる。同様に、第１、第２の操作部材１ａ，１ｂのピッチ角を変えると、これに応じて作業部材２ａ，２ｂのピッチ角も変わる。

図２の５は後述する固定部材であり、固定部材５は上記連結部材４１，４２と同一構造の連結部材４３と、固定枠５１を有し、上記駆動棒３ａ〜３ｄのＸ方向の移動を許容しながら、筐体（駆動棒の周囲を覆う外枠６）に対して、各駆動棒３ａ〜３ｄが駆動棒３ａ〜３ｄの軸に直交する方向に移動しないように固定することができる。
鉗子のＸ軸方向の長さが長くなると、力が加わったとき駆動棒３ａ〜３ｄが撓むなどして、操作部１の操作力が作業部２に力が正しく伝わらず、また作業部２に作用する力が力覚として正しく操作部１に伝わらない可能性がある。
上記のように、駆動棒３ａ〜３ｄの途中に上記連結部材４３を有する固定部材５を設けることにより、鉗子のＸ軸方向を長くしても駆動棒３ａ〜３ｄの撓みなどの影響を小さくすることができる。
なお、上記固定枠５１を設けずに、駆動棒３ａ〜３ｄの途中に連結部材４３を設けてもよい。この場合には上記と同様、駆動棒３ａ〜３ｄの撓みなどの影響を小さくすることができるが、固定枠５１により駆動棒３ａ〜３ｄが外枠６に対して、移動しないようにすることはできない。

図３は、上記作業部側に設けられた連結部材４２の構成例を示す図であり、同図（ａ）は作業部２をＺ軸方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
同図（ａ）（ｂ）において、２ａ，２ｂは第１、第２の作業部材（同図では作業部材２ａ，２ｂの一部が示されている）である。
３ａ，３ｂは駆動棒であり、駆動棒３ｃ，３ｄは同図（ａ）では駆動棒３ａ，３ｂの下側に隠れ見えていない。
上記第１の作業部材２ａは、中心軸４ａに取り付けられた第１の可動部材４ｂに連結され、第２の作業部材２ｂは、中心軸４ａに対して回動可能な軸部材４ｒに取り付けられた第２の可動部材４ｃに連結されている。
第１の可動部材４ａの中心軸４ａの両側には、それぞれ上記中心軸４ａと軸方向が平行な第１の回転軸４ｄと、第２の回転軸４ｅが回動可能に取り付けられている。
第１の回転軸４ｄには、第１の固定部材４ｍが取り付けられ、さらに軸方向が上記中心軸４ａと直交する第１の駆動棒支持軸４ｈが取り付けられている。そして駆動棒３ａは上記第１の駆動棒支持軸４ｈに回動可能に取り付けられている。
また、第２の回転軸４ｅには、第２の固定部材４ｎが取り付けられ、さらに軸方向が上記中心軸４ａと直交する第２の駆動棒支持軸４ｉが取り付けられている。そして駆動棒３ｂは上記第２の駆動棒支持軸４ｉに回動可能に取り付けられている。

同様に、第２の可動部材４ｃの中心軸４ａの両側には、それぞれ上記中心軸４ａと軸方向が平行な第３の回転軸４ｆと、第４の回転軸４ｇが回動可能に取り付けられている。
第３の回転軸４ｆには、第３の固定部材４ｐが取り付けられ、さらに軸方向が上記中心軸４ａと直交する第３の駆動棒支持軸４ｊが取り付けられている。そして駆動棒３ｃは上記第３の駆動棒支持軸４ｊに回動可能に取り付けられている。
また、第４の回転軸４ｇには、第４の固定部材４ｑが取り付けられ、さらに軸方向が上記中心軸４ａと直交する第４の駆動棒支持軸４ｋが取り付けられている。そして駆動棒３ｄは上記第４の駆動棒支持軸４ｋに回動可能に取り付けられている。

連結部材４２は、上記構成を有し、駆動棒３ａが図３（ｂ）の紙面奥から手前方向に動き駆動棒３ｂが紙面手前から奥方向に移動すると、第１の可動部材４ｂが中心軸４ａの回りを回転し、第１の作業部材２ａが図３（ａ）の左方向に回転する。同様に、駆動棒３ｄが図３（ｂ）の紙面奥から手前方向に動き駆動棒３ｃが紙面手前から奥方向に移動すると、第２の可動部材４ｃが中心軸４ａの回りを回転し、第２の作業部材２ｂが図３（ａ）の右方向に回転する。すなわち、第１、第２の作業部材２ａ，２ｂが開き、駆動棒３ａ〜３ｄが上記と逆の方向に動くと第１、第２の作業部材２ａ，２ｂが閉じる。
また、駆動棒３ａ，３ｂが共に図３（ｂ）の紙面手前から奥方向に動き、駆動棒３ｃ，３ｄが共に紙面奥から手前方向に移動すると、図３（ｂ）において中心軸４ａは、その上側が紙面奥側、下側が紙面手前側になるように傾く。これに応じて第１、第２の作業部材が傾き、図３（ａ）においてその先端側が紙面奥側に動く。駆動棒３ａ〜３ｄが上記と逆の方向に動くと、図３（ａ）において第１、第２の作業部材２ａ，２ｂの先端側が紙面手前側に動く。
さらに、駆動棒３ａ，３ｃが共に図３（ｂ）の紙面手前から奥方向に動き、駆動棒３ｂ，３ｄが共に紙面奥から手前方向に移動すると、第１、第２の可動部材４ｂ，４ｃは中心軸４ａを中心に回転し、第１、第２の作業部材２ａ，２ｂが共に図３（ａ）の右方向に回転する。駆動棒３ａ〜３ｄが上記と逆の方向に動くと、図３（ａ）において第１、第２の作業部材２ａ，２ｂは共に左方向に回転する。

図４は、操作部側に設けられた連結部材４１の構成例を示す図であり、同図（ａ）は作業部２をＺ軸方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
操作部側に設けられる連結部材の構造は、中心軸４ａが長い点を除き、上記図３に示して連結部材と同一構成であり、同一のものには同一の符号が付されている。
図４（ａ）において１ａ，１ｂは第１、第２の操作部材（同図では操作部材１ａ，１ｂの一部が示されている）であり、この図では第２の操作部材１ｂは第１の操作部材１ａの下側に隠れている。
図４（ａ）（ｂ）において、第１の操作部材１ａを右側に回動させると、第１の可動部材４ｂが中心軸４ａの回りを回転し、駆動棒３ａが図４（ｂ）の紙面奥から手前方向に動き、駆動棒３ｂが紙面手前から奥方向に移動する。これにより、前記したように作業端２側の第１の作業部材２ａは左側に回動する。
同様に、第２の操作部材１ｂを左側を回動させると、駆動棒３ｄが図３（ｂ）の紙面奥から手前方向に動き、駆動棒３ｃが紙面手前から奥方向に移動する。これにより、前記したように作業端２側の第２の作業部材２ｂは右側に回動する。
また、第１の操作部材１ａ、第２の作業部材１ｂを共に、図４（ｂ）において上側に回動させると中心軸４ａが傾き、駆動棒３ａ，３ｂが共に紙面手前から奥方向に移動し、駆動棒３ｃ，３ｄが共に紙面奥か手前方向に移動する。これにより、前記したように作業端２側の第１、第２の作業部材２ｂ先端は図３（ｂ）の下側に傾く。
さらに、第１の操作部材１ａ、第２の作業部材１ｂを共に図４（ａ）において左側に回動させると、第１、第２の可動部材４ｂ，４ｃが中心軸の回りを回転し、図４（ｂ）において駆動棒３ａ，３ｃが共に紙面手前から奥方向に移動し、駆動棒３ｂ，３ｄが共に紙面奥から手前方向に移動する。これにより、前記したように作業端２側の第１、第２の作業部材２ｂ先端は共に右方向に回動する。

図５〜図７は本実施例の鉗子の動作を説明する概念図であり、操作部１を操作したときの把持の様子と、ピッチ角とヨウ角の変化を示す。
図５は操作端１の操作部材１ａ，１ｂをそれぞれ回動させたときの、作業端２の作業部材２ａ，２ｂの動きを説明する概念図である。
同図（ａ）（ｂ）は、操作部材１ａと上側の駆動棒３ａ，３ｂと作業部材２ａの動きを説明する図であり、同図に示すように、操作部材１ａを回動させると、駆動棒３ａ，３ｂは同図の矢印に示すように移動し、作業部材２ａが同図に示すように回動する。
同図（ｃ）は、操作部材１ｂと下側の駆動棒３ｃ，３ｄと作業部材２ｂの動きを説明する図であり、同図に示すように、操作部材１ｂを回動させると、駆動棒３ｃ，３ｄは同図の矢印に示すように移動し、作業部材２ｂが同図に示すように回動する。
すなわち、操作部材１ａ，１ｂの開閉に応じて駆動棒３ａ〜３ｄが同図に示すように移動し、これに応動して作業部材２ａ，２ｂが開閉する。
これにより、操作部材１ａ，１ｂを操作することにより、作業部材２ａ，２ｂで物体を把持することができる。
また、作業部２に働く力は、上記駆動棒３ａ〜３ｄを介して操作部材２ａ，２ｂに伝わり、作業者は作業部２に働く力を力覚として感じることができる。

図６は操作部１のピッチ角を変えたときの作業部２の動きを説明する概念図である。
操作部材１ａ，１ｂを共に同図に示すように回動させピッチ角を変化させると、駆動棒３ｂ，３ｄは同図の矢印に示すように移動し、作業部材２ａ，２ｂが同図に示すように回動して、ピッチ角が変化する。なお、同図では駆動棒３ａ，３ｃは駆動棒３ｂ，３ｄに隠れて見えないが、駆動棒３ａは駆動棒３ｂと、駆動棒３ｃは駆動棒３ｄと同一方向に動く。
図７は操作部１のヨウ角を変えたときの作業部２の動きを示す概念図である。
操作部材１ａ，１ｂを共に同図に示すように回動させヨウ角を変化させると、駆動棒３ａ，３ｂは同図の矢印に示すように移動し、作業部材２ａ，２ｂが同図に示すように回動して、ピッチ角が変化する。なお、同図では駆動棒３ｃ，３ｄは駆動棒３ａ，３ｂに隠れて見えないが、駆動棒３ａは駆動棒３ｃと、駆動棒３ｃは駆動棒３ｄと同一方向に動く。

ところで、低侵襲手術に用いる鉗子は通常３００ｍｍ程度のシャフトの先に把持部を持つ細長い棒状の形状をしている。
鉗子の長さが長くなると、前記したように力が加わったとき駆動棒３ａ〜３ｄが撓むなどして、操作部１の操作力が作業部２に力が正しく伝わらず、また作業部２に作用する力が力覚として正しく操作部１に伝わらない可能性がある。
このような場合には、前記したように駆動棒の途中に連結部材４３を設ける。これにより、剛性をあまり損なうことなく鉗子の軸方向の長さを伸ばすことができる。また、連結部材４３を固定枠５１に取り付ければ、連結部材４３、すなわち駆動棒３ａ〜３ｄを外枠６に対して移動しないようにすることができる。

図８は上記連結部材４３と固定枠５１から構成される固定部材の構成例を示す図であり、同図（ａ）は固定枠５１と連結部材４３をＺ軸方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
同図（ｂ）において、固定枠５１は、軸５ａを介して外枠６に取り付けられ、固定枠５１は軸５ａの回りに回転可能である。軸５ａの軸方向は前記図１のＹ軸に平行である。
また、連結部材４３の中心軸４ａは固定枠５１の上側および下側の枠に取り付けられている。このため連結部材４３は固定枠５１に対して、上記中心軸４ａの回りに回転可能である。
連結部材４３の構造は前記図３、図４に示したものと基本的には同じであるが、連結部材４３においては、前記した操作部材１ａ，１ｂ、作業部材２ａ，２ｂなく、駆動棒３ａ〜３ｄが連結部材４３の第１〜第４駆動棒支持軸４ｈ〜４ｋに回動可能に取り付けられ、駆動棒３ａ〜３ｄは、図８（ａ）に示すように連結部材４３の前後に延伸している。

連結部材４３の動作は前記図３、図４で説明したものと同様であり、駆動棒３ａが図８（ｂ）の紙面奥から手前方向に動き駆動棒３ｂが紙面手前から奥方向に移動すると、第１の可動部材４ｂが中心軸４ａの回りを回転する。同様に、駆動棒３ｄが図８（ｂ）の紙面奥から手前方向に動き駆動棒３ｃが紙面手前から奥方向に移動すると、第２の可動部材４ｃが中心軸４ａの回りを回転する。駆動棒３ａ〜３ｄが上記と逆の方向に動くと第１、第２の可動部材４ｂ，４ｃは逆方向に回転する。
また、駆動棒３ａ，３ｂが共に図８（ｂ）の紙面手前から奥方向に動き、駆動棒３ｃ，３ｄが共に紙面奥から手前方向に移動すると、図８（ｂ）において中心軸４ａは、その上側が紙面奥側、下側が紙面手前側になるように傾き、固定枠５１も同様に傾く。駆動棒３ａ〜３ｄが上記と逆の方向に動くと、中心軸４ａは、その上側が紙面手前側、下側が紙面奥側になるように傾き、固定枠５１も同様に傾く。
さらに、駆動棒３ａ，３ｃが共に図８（ｂ）の紙面手前から奥方向に動き、駆動棒３ｂ，３ｄが共に紙面奥から手前方向に移動すると、第１、第２の可動部材４ｂ，４ｃは中心軸４ａを中心に回転する。駆動棒３ａ〜３ｄが上記と逆の方向に動くと、第１、第２の可動部材４ｂ，４ｃは逆方向に回転する。
なお、前記したように上記固定枠５１を設けず、連結部材４３のみを設けてもよく、この場合は、連結部材４３の中心軸４ａが固定枠５１に取り付けられていないという点を除き、上記と同じである。

ところで、例えば内視鏡手術においては、鉗子の把持力が問題となることが多い。
鉗子の作業部における把持力を増大させる必要がある場合には、前記第１、第２の作業部材の先端にリンク機構を取り付けることで、把持力の増大を実現することができる。
図９（ａ）は上記リンク機構の概念構成を示す図である。作業部２の第１、第２の作業部材２ａ，２ｂの先端にアーム２ｃが取り付けられ、該アーム２ｃには、くの字状の第３、第４の作業部材２ｄ，２ｅが取り付けられている。
第１、第２の作業部材２ａ，２ｂは回転軸２ｆの回りに回動し、アーム２ｃは第１、第２の作業部材２ａ，２ｂに対し回転可能の連結される。また、第３、第４の作業部材２ｄ，２ｅは上記回転軸２ｆと軸方向が平行な回転軸２ｇの回りに回動可能の取り付けられ、第３、第４の作業部材２ｄ，２ｅの一方端に上記アーム２ｃが回転可能に連結されている。なお、第３、第４の作業部材２ｄ，２ｅの他方端（先端部）は物体を把持する部分である。

上記リンク機構の第１、第３の作業部材からなる機構を図示すると図９（ｂ）に示すようになる。なお、第１、第２の作業部材２ａ，２ｂ、上下のアーム２ｃ、第３、第４の作業部材２ｄ，２ｅの長さはそれぞれ等しい。
第１の作業部材２ａ（２ｂ）の長さをａ、アーム２ｃの長さをｂ、第３の作業部材２ｄ（２ｅ）の回転軸２ｇからアーム２ｃの連結部までの長さをｃとし、作業部材２ａの回転軸２ｆと第３の作業部材２ｄの回転軸２ｇとの距離をｈとし、回転軸２ｆと回転軸２ｇを結ぶ線と第１の作業部材２ａの成す角度をθ、回転軸２ｆと回転軸２ｇを結ぶ線と第３の作業部材２ｄ（２ｅ）の回転軸２ｇと先端部を結ぶ線が成す角度をφとすると、以下の関係が成り立つ。
ｄ² ＝ａ² ＋ｈ² −２ａｈcos θ
π／２−φ＝φ₁ ＋φ₂
ａ² ＝ｄ² ＋ｈ² −２ｄｈcos φ₁
ｂ² ＝ｄ² ＋ｃ² −２ｄｃcos φ₂
図１０は、上記φと、第１、第２の作業部２ａ，２ｂに対する第３、第４の作業部材２ｄ，２ｅの減速比の関係を示す図である。図９（ｂ）に示すようにｂ，ｈの長さをｂ＜ｈとし、これらで形成される四辺形の形状が台形状にすることにより、図１０に示すように、φが小さくなるに従って第３、第４の作業部材２ｄ，２ｅの速度を減速することができ、第３、第４の作業部材２ｄ，２ｅに加わる力を増大させることができる。
また、上記減速比は、上記四辺形の形状に依存するので、この四辺形の形状を適宜選定することにより、操作部における操作力と作業部先端に作用する力の比を変えることができる。
このため、例えば鉗子先端において針などを把持させる際、把持力を大きくすることができ、操作性を向上させることができる。また、上記リンク機構を設けることにより、回転関節（回転軸２ｆ）と把持の軸（回転軸２ｇ）をずらすことができるので、操作性を向上させることもできる。さらに、力を増大させることができるので、摩擦の影響を低減することもできる。

以上のように本実施例の鉗子は、４本の駆動棒３ａ〜３ｄによって操作部１への入力を作業部２（鉗子先端）まで伝達しており、本実施例の鉗子は以下の特徴を持つ。
（１）３自由度すべてを４本の駆動棒からなるリンク機構のみで実現している。一般にパラレルリンク構造のマニピュレータは先端の位置と姿勢のみを考慮したもので、その先端にグリッパやドリルなどの手先効果器を取りつけたものが多く、把持の自由度をリンクではなくワイヤとバネによって実現しているものが多い。そのため、手で直接操作する場合、バネの弾性やワイヤの摩擦を操作者が感じてしまうため好ましい機構とはいえない。また、ワイヤの摩擦によって材料が磨耗してしまうという欠点もある。
これに対し、本実施例の鉗子は、４本の駆動棒３ａ〜３ｄを用いたリンク機構を用いているので、上記のように問題は生じない。
（２）回転２自由度と鉗子のシャフト軸が１点で交差している。このため、鉗子先端は、シャフト軸周りの回転とピッチが連携して鉗子先端でロール軸周りの回転ができる。このため操作性がよく、複雑な操作も可能である。
（３）鉗子先端の関節角度を変化させた際に、その他の部分が突出するなど、先端以外の部分が変形することがない。このため、例えば低侵襲手術に適用する場合、内視鏡の視野外でその形状が変化することが無く、臓器などを巻き込んでしまうという危険は生じない。

表１に本発明の鉗子と前記特許文献２、特許文献３に記載の鉗子、従来型の鉗子（４自由度＋把持を有する鉗子）との違いを示す。

表１に示すように、本発明の鉗子は特許文献２、特許文献３に記載される鉗子と同じ自由度を有しながら力覚を伝えることができること、コストが安く、導入運用面で有利であるといったメリットがある。また従来型の鉗子と比べて、自由度が高く操作性がよい。
また表２に本発明の鉗子と特許文献２〜特許文献６の鉗子の操作面での特徴を示す。

表２に示すように、本発明の鉗子は鉗子先端の回転２自由度の回転軸が交差するため、操作性が高く、また、すべての自由度をリンクによって構成しているためワイヤを利用するものに比べて静止摩擦の影響が少ないという特徴がある。
また、鉗子先端の屈曲時にリンク等のふくらみが生じることが無いので何かを巻きこんでしまう危険性が無く、さらにワイヤに比べて剛性が高いリンク機構を採用しているため、力の応答が早い。

また、上記実施例の鉗子は、１２ｍｍの円筒を通ることができ、これは既存のトラカールを通ることができるサイズであり、実用的なサイズであるといえる。また、設計上の可動範囲はＹａｗ角の変化が±７５°、Ｐｉｔｃｈ角の変化が±６０°、把持が０°から３０°であり、４１０ｇの重りを把持して持ち上げることができた。一般に４Ｎ程度の力を発生することができれば低侵襲手術に適用することが可能であるといわれており、開発した鉗子は腹腔内の作業に必要な発生力に対して十分な剛性を持つと言える。
本実施例の鉗子の有用性を確かめるために、鉗子の操作部と鉗子先端の自由度の対応を計測するとともに、鉗子先端へ加えた力が操作部にどの程度伝わってくるかを計測した。

操作部と鉗子先端の動きの対応を確かめるために、家庭用デジタルビデオカメラを用いて操作部と鉗子先端を同時に撮影してその対応を確かめた。図１１に示すように本実施例の鉗子１０はシャフト部分でバイス１１に固定された状態で、ビデオカメラ１２，１３により撮影を行った。
そして、撮影された画像からテンプレートマッチングによってマーカを検出し、鉗子先端および操作部の姿勢をその座標から算出した。その際、鉗子１０は二次元平面上を動くと仮定し、カメラ１２，１３の幾何関係を平行射影とした。フレームレートは３０．０ｆｐｓで解像度は７２０×４８０である。また、２つの画像内で同時にＬＥＤを点灯させることで同期をとった。
図１２〜図１４にヨウ（Ｙａｗ）、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、把持のそれぞれの測定結果を示す。同図の横軸は時間（ｓ）、縦軸は角度（°）であり、操作部と鉗子先端（作業部）の動きを示している。同図に示すように、ヨウ（Ｙａｗ）、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、把持とも、操作部の動きに鉗子先端の動きがほぼ対応していることが分かる。
しかし、がたの影響によるヒステリシス特性が見られ、最大で１５°の偏差が生じている。図１２、図１３において、波の上端もしくは下端のピークにおいて操作部と鉗子先端の偏差が大きくなっても鉗子先端が反応していない。これは設計した可動範囲よりも実際の可動範囲が小さいためだと考えられる。

次に、力伝達性能を計測した。
図１５（ａ）に示すように操作部に力センサ１４を取りつけることで操作部の力を測定しながら操作し、鉗子先端を力センサ１５に接触させることで鉗子先端から操作部に伝わる力、あるいは操作部から鉗子先端に伝わる力を計測した。
この実験も鉗子１０はシャフト部分でバイス１１に固定された状態で行った。把持の力を計測する際は、図１４（ｂ）に示すように２つの四角パイプ１６ａ，１６ｂを力センサ１７に取りつけて測定を行った。
図１６〜図１８にヨウ（Ｙａｗ）、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、把持のそれぞれの測定結果を示す。同図において、横軸は時間（ｓ）、縦軸は力（Ｎ）であり、操作部と鉗子先端（作業部）に作用する力を示している。
同図により、ほぼ操作部に加わる力に鉗子先端に発生する力が追従していることが分かる。しかし、操作部に加わる力に対して鉗子先端に発生する力が遅れていることが読み取れる。操作部と鉗子先端の力の偏差は最大で１Ｎあった。特にヨウ（Ｙａｗ）の自由度が、摩擦やがたの影響を強く受けていることが読み取れる。

本発明の実施例の鉗子の概略構成と自由度を説明する図である。 本発明の実施例の鉗子の全体構成を示す図である。 作業部側に設けられた連結部材の構成例を示す図である。 操作部側に設けられた連結部材の構成例を示す図である。 本発明の実施例の鉗子の動きを説明する図（１）である。 本発明の実施例の鉗子の動きを説明する図（２）である。 本発明の実施例の鉗子の動きを説明する図（３）である。 固定部材の構成例を示す図である。 作業部材の先端に取り付けられるリンク機構を説明する図である。 リンク機構による減速比を示す図である。 操作部と鉗子先端の動きを計測する装置の構成を示す図である。 操作部と鉗子先端のヨウ（Ｙａｗ）角の測定結果を示す図である。 操作部と鉗子先端のピッチ（Ｐｉｔｃｈ）角の測定結果を示す図である。 操作部と鉗子先端の把持の測定結果を示す図である。 力伝達特性を計測する装置の構成を示す図である。 操作部と鉗子先端の力伝達特性（Ｙａｗ）の測定結果を示す図である。 操作部と鉗子先端の力伝達特性（Ｐｉｔｃｈ）の測定結果を示す図である。 操作部と鉗子先端の力伝達特性（把持）の測定結果を示す図である。

符号の説明

１ 操作部
１ａ 第１の操作部材
１ｂ 第２の操作部材
２ 作業部
２ａ 第１の作業部材
２ｂ 第２の作業部材
２ｃ アーム
２ｄ 第３の作業部材
２ｅ 第４の作業部材
３ リンク機構
３ａ〜３ｄ 駆動棒
４１〜４３ 連結部材
５ 固定部材
５１ 固定枠
６ 外枠

Claims (6)

1. 作業を行なう作業部と、操作を行なう操作部とを備え、操作部での操作を上記作業部に伝えるとともに、作業部に作用する力を力覚として上記操作部に伝えるマニピュレータであって、
   上記作業部と操作部間には、少なくとも４本の駆動棒が設けられ、
   上記駆動棒の両端は、同一構造の連結部材を介して上記作業部および操作部に連結され、上記各駆動棒の長手方向の軸は平行であって、かつ少なくとも全駆動棒の長手方向の軸が同一平面上にないように配置されており、
   上記操作部および作業部側の連結部材は、操作部の操作に応じて各駆動棒を、平行に保ったまま軸方向に移動させ、作業部を操作部の操作に対応させて駆動する
   ことを特徴とするマニピュレータ。
2. 上記操作部は、第１および第２の操作部材から構成され、第１および第２の操作部材は、操作部側の連結部材の中心軸を軸として該連結部材に回動可能に連結され、
   また、上記作業部は第１、第２の作業部材から構成され、第１、第２の作業部材は、作業部側の連結部材の中心軸を軸として該連結部材に回動可能に連結され、
   上記駆動棒の内、少なくとも第１および第３の駆動部材が連結部材の上記中心軸に対して一方の側にそれぞれ独立して回動可能に連結され、上記駆動棒の内、少なくとも第２および第４の駆動部材が連結部材の上記中心軸に対して他方の側にそれぞれ独立して回動可能に連結され、
   上記第１の操作部材は、４本の駆動棒の内の第１及び第２の駆動棒を介して第１の作業部材に連結され、また上記第２の操作部材は上記４本の駆動棒の内の第３及び第４の駆動棒を介して第２の作業部材に連結され、
   前記駆動棒の軸方向をＸ軸方向、該Ｘ軸に直交する方向をそれぞれＹ軸方向およびＺ軸方向としたとき、
   上記操作部の第１、第２の操作部材を共に上記Ｙ軸回りに回動させたとき、上記連結部材を介して上記少なくとも４本の駆動棒の内の第１及び第２の駆動棒が共に第１の方向に、また上記駆動棒の内の第３、第４の駆動棒が上記第１の方向とは反対方向に移動して、作業部の第１、第２の作業部材を共にＹ軸回りに回動させ、
   上記操作部の第１、第２の操作部材を共に上記Ｚ軸回りに回動させたとき、上記少なくとも４本の駆動棒の内の第１及び第３の駆動棒が共に第１の方向に、また上記駆動棒の内の第２、第４の駆動棒が上記第１の方向とは反対方向に移動して、作業部の第１、第２の作業部材を共に上記Ｚ軸回りに回動させ、
   さらに、上記操作部の第１の操作部材を上記Ｚ軸回りに回動させたとき、上記第１および第２の駆動棒の一方が第１の方向に、他方が反対方向に移動し、作業部の第１の作業部材を上記Ｚ軸回りに回動させ、
   上記操作部の第２の操作部材を、上記Ｚ軸回りに回動させたとき、上記第３および第４の駆動棒の一方が第１の方向に、他方が第１の方向とは反対方向に移動し、作業部の第２の作業部材を上記Ｚ軸回りに回動させる
   ことを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
3. 上記操作部側および作業部側に設けられた連結部材は、該連結部材の中心軸の回りに回転可能な第１、第２の可動部材を備え、
   上記駆動棒の内の少なくとも２本の第１および第２の駆動棒は、それぞれ上記第１の可動部材の中心軸の両側に、該可動部材に対して上記中心軸に平行な軸の回り、および中心軸および駆動棒の長手方向の軸に直交する軸の回りに回転可能に取り付けられ、
   上記駆動棒の内の少なくとも他の２本の第３および第４の駆動棒は、それぞれ上記第２の可動部材の中心軸の両側に、該可動部材に対して上記中心軸に平行な軸の回り、および中心軸および駆動棒の長手方向の軸に直交する軸の回りに回転可能に取り付けられ、
   作業部側に設けられた連結部材の第１および第２の可動部材は、それぞれ作業部に設けられた第１、第２の作業部材に連結され、
   操作部側の連結部材に設けられた第１および第２の可動部材は、それぞれ操作部に設けられた第１、第２の操作部材が連結されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のマニピュレータ。
4. 上記駆動棒の上記作業部と操作部間には、操作部側および作業部側に設けられた連結部材と同一構造の連結部材が設けられている
   ことを特徴とする請求項１，２または請求項３記載のマニピュレータ。
5. 請求項４の連結部材の内に少なくとも一つは、該連結部材の前記中心軸が、筐体に取り付けられた固定部材に該中心軸回りに回動可能に取り付けられ、上記固定部材は、筐体に対して前記Ｙ軸回りに回動可能に取り付けられている
   ことを特徴とするマニピュレータ。
6. 作業部に設けられた第１、第２の作業部材の先端に、リンク機構が取り付けられ、
   該リンク機構は、
   上記作業部の第１の作業部材の回転軸に平行な第１の回転軸を中心として回動する第３作業部材と、上記作業部の第２の作業部材の回転軸に平行な第２の回転軸を中心として回動する第４作業部材と、
   一方端が上記第３の作業部材の一方端に回転可能に取り付けられ、他方端が第１の作業部材に回転可能に取り付けれられた第１のアームと、
   一方端が上記第４作業部材の一方端に回転可能に取り付けられ、他方端が第２の作業部材に回転可能に取りつれられた第２のアームとから構成され、
   上記第１作業部材の回転軸と、上記第１の回転軸と、第１のアームの両端の回転軸とを直線で結んだ形状、および上記第２作業部材の回転軸と、上記第２の回転軸と、第２のアームの両端の回転軸とを直線で結んだ形状は、それぞれ四辺形状である
   ことを特徴とする請求項２，３，４または請求項５記載のマニピュレータ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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