JP2008104855A - マニピュレータシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】作業部の個体情報を取得することができ、しかも該作業部を簡便に洗浄及び滅菌する。
【解決手段】マニピュレータ１０は、モータ４０、４１、４２が備えられたアクチュエータブロック３０と、該アクチュエータブロック３０に対して着脱自在で、連結シャフト４８の先端にモータ４０、４１、４２に連動して回動する先端動作部１２を備える作業部１６とを有する。作業部１６は、固体識別用の個体信号を保持する二次元のバーコード１０４を備える。アクチュエータブロック３０は、バーコード１０４に対して非接触で、該バーコード１０４の個体信号を認識しコントローラ５１４へ供給する赤外線のカメラＩ１０６を備える。コントローラ５１４は、供給された個体信号に基づいて作業部１６の制御をする。
【選択図】図３

Description

本発明は、マニピュレータと該マニピュレータを制御するマニピュレータシステムに関し、特に、アクチュエータを有するアクチュエータ部と、該アクチュエータ部に対して着脱自在で、アクチュエータに連携して動作する動作部を備える作業部とからなるマニピュレータを有するマニピュレータシステムに関する。
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、術後の回復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。
マニピュレータシステムは、例えば特許文献１に記載されているように、マニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体を制御する制御装置とから構成される。マニピュレータ本体は、人手によって操作される操作部と、操作部に対して交換自在に着脱される作業部とから構成される。
作業部は長い連結シャフトと、該連結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。）とを有し、ワイヤによって先端の作業部を駆動するモータが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。制御装置は、操作部に設けられたモータを駆動して、プーリを介してワイヤを循環駆動する。
作業部側は洗浄、滅菌を容易にする必要性からセンサなどの電子機器を含まず、先端動作部及び後端のプーリの位置又は原点を直接的には検出できない構成であり、モータの回転量に基づいて先端動作部の姿勢を算出する構成がとられている。
ところで、腹腔鏡下手術では、手技に応じて多様な作業部が用いられ、例えばグリッパ、はさみ、電気メス、超音波メス、医療用ドリルなどが挙げられる。これらの作業部は操作部に対して着脱自在に構成され、装着時には作業部基端側のプーリが操作部に設けられたモータの回転軸に係合するように構成されている。
このように、１つの操作部に対して複数の異なる作業部を接続することを前提としているシステムの場合、すべての作業部が唯一共通して着脱のできる姿勢となるモータ位相を設定する必要がある（例えば、特許文献１参照）。これを原点（又は初期位置）としている。
マニピュレータシステムについての先行技術としては、下記の特許文献１〜特許文献３が挙げられる。
特許文献１では、着脱時におけるモータ励磁切り換えや電気的な構成については考慮する必要のない構成が提案されている。
特許文献２では、複数の先端ツール（作業部）の電気的着脱について記載されている。
特許文献３は、医療用マニピュレータの着脱について、先端のマニピュレータにＩＤを取得するためのメモリを有していて制御装置がその情報を取得して制御することが記載されている。メモリはＲＯＭ又はフラッシュメモリ等であり、電気的接点を介してＩＤが伝達される。
特開２００４−１０５４５１公報 特開２００４−２０８９２２公報 米国特許第６３３１１８１号明細書
従来外科手術が行われる際には、外科医が患者の内部を直接見ながら手術が出来るように大きな切開が施された。大きな切開は、患者の回復遅らせたりするものであった。近年、多くの外科医は内視鏡下での低侵襲の外科手術を行い、切開を著しく小さくすることが出来ている。
ロボット外科器具は低侵襲外科手術をさらに発展させてきている。それらの外科器具は高度に専門的になっている。それらの外科器具は外科医の最小化された動きに追随しなければならない。外科医は臓器に対して切断、剥離そして縫合等の多くの異なったことを行う。異なったそれぞれの外科器具はそれぞれの機能を要求される。それぞれの機能のために異なった医療器具が作られる。しかし、単にコントロールユニットに接続された外科器具を機能ごとに代える方が経済的である。外科器具のコントロールを正確に行うためには、取り付けられるそれぞれの外科器具を認識しなければならない。
つまり、アクチュエータ部に対して種々の作業部が装着可能である場合、制御部では作業部の種類に応じた制御を行う必要があり、作業部の個体情報が必要となる。
また、上記のとおり先端動作部の姿勢は、例えば原点位置を基準として算出されることから、手術の途中で作業部を交換する場合には、次の作業に備えて該作業部は正確に原点に一致した軸位置としてから取り外すことが望ましい。原点位置に一致していない状態で取り外されたときには、所定の警報を発してその作業部を再装着するように促すとよいが、このとき別の作業部を装着されることがないように作業部を識別することが必要になる。
前記の特許文献３ではＲＯＭからツールの個体情報を読取ることができ、該個体情報に応じて作業部の種類に応じた制御が可能となる。しかしながら、前記の通り、作業部は一連の手術が終了した後に洗浄及び滅菌を行う必要から電子機器を含まないことが望まれ、特に電気的接点がないことが望ましい。
また、取得した個体情報に基づいて作業部ごとの使用の経緯が分かると作業部の管理が容易となり好適である。しかしながら、接続される制御部は複数台用意されている場合もあり、所定の制御部に作業部の使用履歴を保存しておくと、該作業部を他の制御部に接続しても使用の経緯が分からず、不便である。
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、作業部の個体情報を取得することができ、しかも該作業部を簡便に洗浄及び滅菌することのできるマニピュレータシステム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システムは、マニピュレータ及び該マニピュレータを制御する制御部とを備えるマニピュレータシステムにおいて、前記マニピュレータは、アクチュエータが備えられたアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部に対して着脱自在で、シャフトの先端に前記アクチュエータに連動して前記シャフト軸と非平行な軸を基準として回動する先端動作部を備える作業部とを有し、前記作業部は、固体識別用の個体信号を保持するＩＤ保持部を備え、前記アクチュエータ部は、前記ＩＤ保持部に対して非接触で、該ＩＤ保持部の前記個体信号を認識し前記制御部へ供給するＩＤ認識部を備え、前記制御部は、供給された前記個体信号に基づいて前記作業部の制御をすることを特徴とする。
このように、非接触のＩＤ保持部及びＩＤ認識部を用いることにより、作業部の個体情報を取得することができるとともに、電気的接点がなく、作業部を簡便に洗浄及び滅菌することができる。また、電気的接点がないことから、該接点の不良による通信エラーがない。一般に、非接触手段は電気的接点よりも高寿命である。
本発明では、ロボットコントロールが正しく信頼性が高く外科器具をコントロール出来るようにロボット外科装置にマウントされる外科器具の認識を行う装置と方法が提供される。具体的には、装置は外科器具と外科器具コントロールメカニズムを含むがこれに限定されない。外科器具は外科器具を認識するトランスミッターと外科器具を含むがこれに限定されない。外科器具コントロール機構は送られるＩＤ情報を受けとるレシーバを持つ。ただし、これには限定されない。
他の具体例は、外科装置は外科器具と外科器具コントロールメカニズムを持つ。しかしこれに限定されない。外科器具は外科器具と外科器具を特定する認識部を含む。しかしこれには限定されない。外科器具コントロールメカニズムは認識部を読み取る読み取り装置を含む。ただし、これに限定されない。
別の具体例は低侵襲手術に使用される外科器具を自動的に認識する方法を提供する。その方法は、個別情報をレシーバで受け取り、その情報に基づいて外科器具をコントロールする方法を含む。ただし、これに限定はされない。外科器具が装置にマウントされた状態で認識が行われる。
別の具体例は低侵襲手術に使用される外科器具を自動的に認識する方法を提供する。その方法は、個別情報をレシーバで読み取り、その情報に基づいて外科器具をコントロールする方法を含む。ただし、これに限定はされない。外科器具が装置に取り付けられた状態で認識が行われる。
本発明に係るマニピュレータシステムによれば、非接触のＩＤ保持部及びＩＤ認識部を用いることにより、作業部の個体情報を取得することができるとともに、電気的接点がないことから、作業部を簡便に洗浄及び滅菌することができる。
以下、本発明に係る実施形態として医療用のマニピュレータシステム５００について添付の図１〜図２０を参照しながら説明する。マニピュレータシステム５００（図１参照）は、腹腔鏡下手術等に用いられるものである。
図１に示すように、マニピュレータシステム５００は、マニピュレータ１０と、コントローラ５１４とを有する。
マニピュレータ１０とコントローラ５１４との接続部には着脱可能なようにコネクタ５２０が設けられている。
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ものである。マニピュレータ１０は、基本構成として操作部１４と作業部１６とからなる。コントローラ５１４は、マニピュレータ１０の電気的な制御をするものであり、グリップハンドル２６の下端部から延在するケーブル６１に対してコネクタ５２０を介して接続されている。
コントローラ５１４は、マニピュレータ１０を独立的に３台同時に制御することができる。コントローラ５１４のうち、第１、第２及び第３のマニピュレータ１０を制御する部分を総括的に第１ポート５１５ａ、第２ポート５１５ｂ及び第３ポート５１５ｃとも呼ぶ。図１及び図２に示すホストコンピュータ６０２については後述する。
図２に示すように、マニピュレータシステム５００は、選択的に種々の構成を採りうる。すなわち、操作部１４は、バリエーションとして操作部１４ａ〜１４ｄが用意され、作業部１６は、バリエーションとして作業部１６ａ〜１６ｄが用意されている。
コントローラ５１４には、操作部１４ａに代えて操作部１４ｂ、１４ｃ及び１４ｄを装着することができる。また、各操作部１４ａ〜１４ｄに対し、作業部１６ａに代えて作業部１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄを装着することができる。すなわち、術者は手技の種類や慣れ等に応じて操作部１４ａ〜１４ｄ及び作業部１６ａ〜１６ｄを選択的に組み合わせて構成することができる。このうち、作業部１６ｂは先端動作部１２がはさみとなっている。作業部１６ｃは先端動作部１２がブレード型電気メスとなっている。作業部１６ｄは先端動作部１２がフック型電気メスとなっている。各作業部１６ａ〜１６ｄは、接続部１５内のプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃ（図１参照）は共通の構成となっている。
前記のとおり、コントローラ５１４は、３台のマニピュレータ１０を同時に制御可能であることから、操作部１４ａ〜１４ｄのうちいずれか３つを第１ポート５１５ａ、第２ポート５１５ｂ及び第３ポート５１５ｃに接続が可能である。
次に、操作部１４及び作業部１６からなるマニピュレータ１０について説明する。
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及び図３に示すように、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部１４と、該操作部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、操作部１４のアクチュエータブロック（アクチュエータ部）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。ここで、アクチュエータブロック３０は作業部１６が装着される箇所を意味するものであり、モータ４０、４１、４２を格納する場所に限定されず、ブリッジ２８との接続面３０ａを含む。
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。
操作部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。
図１に示すように、操作部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、入力手段としてのトリガーレバー３２と、複合入力部３４と、スイッチ３６とを有する。
ブリッジ２８の上面（又は側面）における視認しやすい箇所にはＬＥＤ（インジケータ）２９が設けられている。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、か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いる。
グリップハンドル２６の下端には、コントローラ５１４に接続されるケーブル６１が設けられている。グリップハンドル２６とケーブル６１とは一体的に接続されている。グリップハンドル２６とケーブル６１とはコネクタにより接続されていてもよい。
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り、例えば軸回転に動作する第１入力手段によってロール方向指示を行い、横方向に動作する第２入力手段によってヨー方向指示を行うことができる。トリガーレバー３２は、先端動作部１２のグリッパ５９（図１参照）の開閉指令を与える入力手段である。スイッチ３６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。
図３及び図４に示すように、複合入力部３４、トリガーレバー３２には、それぞれ動作量を検出する入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃが設けられており、検出した動作信号（例えばアナログ信号）をコントローラ５１４に供給する。
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。
スイッチ３６はグリップハンドル２６に対して進退する操作機構であって、トリガーレバー３２とスイッチ３６とはグリップハンドル２６におけるＺ１方向の面で、グリップハンドル２６の長尺方向（Ｙ方向）に並んで配置されている。スイッチ３６はトリガーレバー３２の直下（Ｙ２方向）に設けられている。スイッチ３６とトリガーレバー３２との間には薄い板材１３０が設けられている。
スイッチ３６はオルタネート式であって、一度手前（Ｚ２方向）に引き込むことによってオン状態にロックされ、操作子３６ａは手前側の位置に保持される。再度スイッチ３６を手前側に引き込むことによってオン状態は解除されてオフ状態となり、図示しない弾性体によって先端側（Ｚ１方向）の位置に復帰する。このような操作により、スイッチ３６は、オン状態又はオフ状態のいずれかに保持され、スイッチ３６を押し続ける必要がない。従って、オン状態とオフ状態との切り換え時だけスイッチ３６の操作をすればよく、それ以外のときはトリガーレバー３２の操作をすることができ、スイッチ３６とトリガーレバー３２とを併存させるのに好適である。
また、スイッチ３６はオン状態とオフ状態では操作子３６ａの突き出し量が異なる構成であることから、操作子３６ａを目視し又は触れることによって状態を確認することができる。
スイッチ３６は、モードの変更をさせるものである。モードの状態はＬＥＤ２９及びコントローラ５１４の所定のランプの点灯状態によっても示される。具体的には、ＬＥＤ２９及び所定のランプは、動作モードのときには緑色点灯、停止モードのときには消灯となる。また、自動原点復帰動作時及びリセット動作時には緑の点滅となり、アラーム発生時には赤の点滅となる。
これらのモード及び動作はスイッチ３６の操作によって変更される。つまり、コントローラ５１４は、スイッチ３６の状態を読み込み、オン状態であるときに動作モードとし、オン状態からオフ状態に切り換わったときに自動原点復帰動作としてモータ４０、４１、４２を所定の原点に戻し、原点に戻った後に停止モードとする。
動作モードとは、操作部１４の操作指令を有効にしてモータ４０、４１、４２を駆動するモードである。停止モードは、操作部１４の操作指令の有無に関わらずモータ４０、４１、４２を停止させるモードである。また、リセット動作とは、所定の操作がなされたときにモータ４０、４１、４２を自動的に所定の原点に戻す動作である。自動原点復帰動作及びリセット動作は、操作指令の有無に関わらずモータ４０、４１、４２を動作させることから、自動モードとして分類される。
これらのモード及び動作はコントローラ５１４によって区別されて制御され、ＬＥＤ２９及び所定のランプの点灯状態が切り換えられる。
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４０、モータ４１及びモータ４２が連結シャフト４８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、４１及び４２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、４１及び４２は、操作部１４の操作に基づき、コントローラ５１４の作用下に回転をする。
モータ４０、４１及び４２には、回転角度を検出することのできる角度センサ４３、４４及び４５が設けられており、検出した角度信号はコントローラ５１４に供給される。角度センサ４３、４４及び４５としては、例えばロータリエンコーダが用いられる。
作業部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１５と、該接続部１５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１５には、モータ４０、４１及び４２の駆動軸に接続されるプーリ５０ａ、プーリ５０ｂ及びプーリ５０ｃが回転自在に設けられている。プーリ５０ａ〜５０ｃにはそれぞれカップリングが設けられている。
プーリ５０ａ、プーリ５０ｂ及びプーリ５０ｃには、ワイヤ５２、ワイヤ５３及びワイヤ５４が巻き掛けられており、連結シャフト４８の中空部分４８ａ（図７参照）を通って先端動作部１２まで延在している。ワイヤ５２、ワイヤ５３及びワイヤ５４はそれぞれ同種、同径のものを用いることができる。
作業部１６の接続部１５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、作業部１６は他の形式のものに交換可能であって、手技に応じて連結シャフト４８の長さの異なるもの、又は先端動作部１２の機構が異なるものを装着することができる。
接続部１５は、プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃの中心穴に対して、モータ４０、４１及び４２の回転軸４０ａ、４１ａ及び４２ａが嵌合するように構成されている。プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃのＹ２方向下端にはそれぞれ十字状の結合凸部が設けられ、回転軸４０ａ、４１ａ及び４２ａには十字状の結合凹部が設けられている。結合凸部と結合凹部は互いに係合可能に形成されており、モータ４０、４１及び４２の回転がプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに対して確実に伝達される。また、結合凸部と結合凹部とは原点位置以外で係合しないよう構成されている。また、これらの係合部は十字形状に限られない。
アクチュエータブロック３０におけるブリッジ２８との接続面３０ａには、カメラ（ＩＤ認識部、撮像手段）１０６と、２つの白色ＬＥＤ（投光手段）１０５とが設けられている。接続面３０ａは、作業部１６の接続部１５におけるカバー３７の端面に当接する面であり、ＸＹ平面を構成する。カメラ１０６は、後述するバーコード１０４（図５参照）を撮像するカメラであり、例えばＣＣＤ形式又はＣＭＯＳ形式である。白色ＬＥＤ１０５は、光軸がバーコード１０４を照明する向きに設定されており、カメラ１０６はバーコード１０４を一層確実に認識することができる。白色ＬＥＤ１０５は、カメラ１０６を挟んで左右対称位置に設けられており、バーコード１０４をバランスよく照明することができる。白色ＬＥＤ１０５は、カメラ１０６を挟んで上下に設けられていてもよく、等間隔に３以上設けられていてもよい。白色ＬＥＤ１０５が十分な光量を有する場合には１つでもよい。
接続部１５が載置されるアクチュエータブロック３０の上面３０ｂにおいて、Ｚ２方向の端部近傍には、接続部１５の有無を検出する作業部検出手段１０７が設けられている。作業部検出手段１０７は、対向する位置に設けられた投光器１０７ａと受光器１０７ｂとからなり、該投光器１０７ａと該受光器１０７ｂとの間に接続部１５の後端部の被検出片１０９が挿入されて遮光することにより該接続部１５が装着されたことを検出できる。投光器１０７ａと受光器１０７ｂは、Ｘ方向に対向する向きで且つ近接した位置に設けられている。投光器１０７ａは例えばＬＥＤであり、受光器１０７ｂは例えばフォトダイオードである。
図５に示すように、接続部１５におけるプーリ格納体３００の上面でＺ２方向端部近傍には二次元状のバーコード（ＩＤ保持部）１０４が設けられている。バーコード１０４は、例えば略正方形のマトリックス形状であり、桝目に従って白及び黒が印刷されている。バーコード１０４は、ＸＹ平面を構成する板１０４ａに貼り付けられており、カバー３７の後端部から適度な距離Ｐだけ前方（Ｚ１方向）にずれた位置に設けられている。
バーコード１０４には、作業部１６の個体情報、仕様、タイムスタンプ（製造日等）やシリアルナンバー、使用回数上限等の情報が含まれている。バーコード１０４の保持する個体情報は、作業部毎に識別が可能なように異なる値が付与されている。
バーコード１０４は１枚に限らず、複数枚からなる構成であってもよい。バーコード１０４が２枚からなる場合、一枚は個体情報、製造日、シリアルナンバー等の個体特有の情報を示し、もう一枚は仕様、使用回数上限等の型式毎に共通的な情報を示すようにしてもよい。
バーコード１０４は二次元データに限らず、一次元形状であってもよい。バーコード１０４における枡目の色は白及び黒に限らず、赤外線吸収色及び赤外線反射色であってもよく、又は３色以上の色の区別により情報を示すようにしてもよい。
バーコード１０４に含まれる情報は、コントローラ５１４で読み込み動作状態表示部５３０（図１参照）に表示させ、又は所定の判断を行って注意又は警告を発させるとよい。
プーリ格納体３００の後端面における下端には、小さい被検出片１０９が後方に向かって突出している。接続部１５がアクチュエータブロック３０に装着されると、被検出片１０９が投光器１０７ａと受光器１０７ｂとの間に挿入されて受光器１０７ｂに対する投光器１０７ａの光を遮光するとともに、バーコード１０４とカメラ１０６とはカメラ１０６の焦点距離Ｐだけ離れて対向する。
このとき、カバー３７は、バーコード１０４及びカメラ１０６が略閉空間内となるようにこれらの箇所を覆う。これにより、バーコード１０４及びカメラ１０６の汚れを防止することができるとともに、外乱光を遮蔽して安定した撮像が可能となる。また、閉空間となっても、白色ＬＥＤ１０５によりバーコード１０４が照明されることから、安定した撮像が可能である。バーコード１０４及びカメラ１０６を覆うカバー３７は、アクチュエータブロック３０に設けられていてもよい。バーコード１０４とカメラ１０６との相対的な位置及び向きが固定的であることから、カメラ１０６側では、バーコード１０４の位置及び向きを特定する必要がなく、これらを特定するためのコードが不要か又は少量で足り、その分、バーコード１０４における記録可能な情報量が多くなる。
作業部検出手段１０７によれば、コントローラ５１４において作業部１６がアクチュエータブロック３０に装着されているか否かを認識することができる。コントローラ５１４は作業部１６がアクチュエータブロック３０に装着されたとき（ここで、作業部１６がアクチュエータ部３０に装着されたときとは、厳密な意味ではなく、例えば、作業部１６がアクチュエータ部３０に装着された瞬間から、実質的な作業が開始されるまでの期間を含む意味である。）にカメラ１０６及び白色ＬＥＤ１０５を制御してバーコード１０４から個体信号を取得する。このように、コントローラ５１４では、少なくとも作業部１６がアクチュエータブロック３０に装着されたときに個体信号を取得すれば足り、それ以外のときにはカメラ１０６及び白色ＬＥＤ１０５の動作を停止しておくことができ、処理負荷が低減するとともに省電力化を図ることができる。
カメラ１０６による撮像は、可視光に限らず、例えば赤外光を用いてもよい。赤外光を用いることにより、暗い場所でもバーコード１０４を明りょうに撮像することができる。赤外光を用いる場合には所定の赤外線ＬＥＤでバーコード１０４を照射してもよい。
作業部検出手段１０７は、投光器１０７ａ及び受光器１０７ｂからなる構成に限らず、例えば被検出片１０９により操作されるリミットスイッチであってもよい。また、コントローラ５１４では、作業部１６の個体情報を取得し、該個体情報に応じて作業部１６の種類に応じた制御が可能となる。
ところで、バーコード１０４は直接的な通電の必要がなく接続部１５及び作業部１６には電気的接点が存在せず、しかもバッテリ等の蓄電体もない。したがって、操作部１４から取り外した作業部１６は洗浄、滅菌等を容易に行うことができる。つまり、モータやスイッチ、センサなどの電気機器をすべて操作部１４側に配し、連結シャフト４８及び先端動作部１２からなる機械構成部品のみからなるものを作業部１６側に配することで洗浄性を向上させている。作業部１６と操作部１４では汚れ具合、汚れ種類、洗浄方法が異なり、異なるメンテナンスが行われるため、離脱して洗浄することが好適である。
接続部１５を操作部１４から取り外す場合には、アクチュエータブロック３０の両側面に設けられたレバー２０６を押してそれぞれ外方に開くように傾動させ、該レバー２０６の楔部２０６ａを、接続部１５の両側面に設けられた係合片２００から解放する。これにより接続部１５を操作部１４から上方（Ｙ１方向）に引き抜き、取り外しが可能となる。アクチュエータブロック３０の上面には３本のアライメントピン２１２が設けられており、接続部１５に設けられた嵌合孔２０２に嵌合することにより該接続部１５を安定して保持可能である。接続部１５を操作部１４に取り付ける場合には、３本のアライメントピン２１２がそれぞれ嵌合孔２０２に嵌合するように合わせて、接続部１５を下方（Ｙ２方向）に押し下げる。これにより、レバー２０６は一旦外方に拡がり、その後原位置に戻ることにより係合片２００に係合して、接続が完了する。
図７及び図８に示すように、先端動作部１２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自由度の機構（傾動機構、ピボット軸）と、第２回転軸Ｏｒを中心にしてロール方向に回動する第２自由度の機構（ロール回転機構）と、第３回転軸Ｏｇを中心として先端のグリッパ５９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。
第１自由度の機構である第１回転軸Ｏｙは、連結シャフト４８の基端側から先端側に延在する軸線Ｃと非平行に回動可能に設定するとよい。第２自由度の機構である第２回転軸Ｏｒは先端動作部１２における先端部（つまりグリッパ５９）の延在方向の軸線を中心として回動可能な機構とし、先端部をロール回転可能に設定するとよい。
先端動作部１２は、ワイヤ５２、ワイヤ５３及びワイヤ５４によって駆動され、各ワイヤ５２、５３及び５４は、それぞれ対応する筒体６０ｃ、６０ｂ、６０ａに巻き掛けられている。
先端動作部１２では、ワイヤ５２及び５４の作用下に歯車５１及び５５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５４の作用下に歯車５１が回転し、フェイスギア５７及び歯車５８を介してグリッパ５９を開閉させることができる。さらに、ワイヤ５２、５３、５４の作用下に主軸部材６２を介して先端部をヨー方向に回転させることができる。
次に、コントローラ５１４について図９及び図１０を参照しながら説明する。
図９に示すように、コントローラ５１４の正面には、動作状態表示部５３０、電源情報表示部５３２、アラーム部５３４、アクティベートリセット部５３６、第１ポート５１５ａ、第２ポート５１５ｂ、及び第３ポート５１５ｃが設けられている。
動作状態表示部５３０は、術者や手術に携わる助手などが操作状態の確認が容易となるようにマニピュレータ１０の動作状態や所定の対応指示を表示する液晶表示画面を有する。
第１ポート５１５ａ、第２ポート５１５ｂ及び第３ポート５１５ｃは、それぞれのレセプタクルコネクタ５７２にマニピュレータ１０が接続可能なポートであり、個別の情報表示部やリセットスイッチ５７０が設けられている。
次に、コントローラ５１４の内部構成について図１０を参照しながら説明する。なお、図１０においては、煩雑とならないように第１ポート５１５ａに係る部分を示し、第２ポート５１５ｂ及び第３ポート５１５ｃに係る部分は省略する。第２ポート５１５ｂ及び第３ポート５１５ｃに係る構成は、第１ポート５１５ａに係る部分と一部が共通（例えば演算部１１０等）であり、一部が独立（例えばドライバ１１６等）に構成されている。図１０においては、コントローラ５１４の表面（図９参照）の構成については省略している。
図１０に示すように、コントローラ５１４は演算部１１０と、電源部１１２と、保護装置１１４と、ドライバ１１６とを有する。電源部１１２は、外部電源１１９から得られる電力を調整して各部に供給するとともに、バッテリ１１２ａに充電を行い、外部電源１１９から電力が供給されない場合においても自動的にバッテリ１１２ａからの電力供給へと切り替える機能を有しており、いわゆる無停電電源として作用する。バッテリ１１２ａは内部の変圧整流器に対して、通常並列に接続される。
保護装置１１４は、演算部１１０の演算周期情報、ドライバ情報、所定の停止指令などの各情報に基づいて、マニピュレータ１０への電力を遮断する。保護装置１１４の作用下にドライバ１１６の電力を遮断することにより、マニピュレータ１０の動作を直ちに停止させることができる。
演算部１１０は、角度センサ４３、４４、４５、入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、及びスイッチ３６に接続されており、これらの各部から得られる信号に基づいてマニピュレータ１０の動作を決定して、所定の指令信号をドライバ１１６に供給するとともに、動作状態表示部５３０に所定の状態量を表示させる。演算部１１０はＬＥＤ２９にも接続されており、該ＬＥＤ２９の点灯状態の制御をする。
演算部１１０は、カメラ１０６及び白色ＬＥＤ１０５に接続されており、撮像及び投光の制御をする。
さらに、演算部１１０は、コントローラ５１４の表面（図９参照）の、動作状態表示部５３０、電源情報表示部５３２、アラーム部５３４、アクティベートリセット部５３６、第１ポート５１５ａ、第２ポート５１５ｂ、及び第３ポート５１５ｃの各スイッチ及びランプに接続されており、制御をする。演算部１１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成されており、プログラムを読み込み実行することにより所定のソフトウェア処理を実行する。
ドライバ１１６は、モータ４０、４１及び４２に接続されており、演算部１１０から得られる指令に基づいて該モータ４０、４１及び４２を駆動する。ところで、これらのモータ４０、４１及び４２の駆動系は、先ず、入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃに基づいて先端動作部に対する動作角度指令値を求め、該動作角度指令値と角度センサ４３、４４、４５から得られる角度信号との偏差を求め、該偏差に基づいて所定の補償処理をして指令信号をドライバ１１６に供給している。したがって、これらの各モータ４０、４１及び４２の駆動系は閉ループを形成している。
演算部１１０は、ＩＤ認識部１２０と、取外判断部１２１と、原点認識部１２２と、警告部１２４と、通信部１２６とを有する。ＩＤ認識部１２０は、カメラ１０６を介してバーコード１０４に含まれるの個体情報を認識する。取外判断部１２１はＩＤ認識部１２０で認識された個体情報に基づいて、作業部１６が操作部１４のアクチュエータブロック３０に着脱された場合の同一性を判断する。
トリガーレバー３２及び複合入力部３４（図１参照）には、人手による操作量を検出する入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ（ポテンショメータ等）に所定の電圧が印加され、該電圧の所定範囲が操作範囲として設定される。これにより、トリガーレバー３２及び複合入力部３４を、操作量の入力手段と操作部１４の取外認識手段に兼用することができる。
原点認識部１２２は、角度センサ４３、４４及び４５の信号に基づいて先端動作部１２が規定の原点又は非原点であることを認識する。警告部１２４は、原点認識部１２２から得られる信号に基づいて先端動作部１２が非原点であると判断される場合で、作業部検出手段１０７から得られる信号に基づいて作業部１６が操作部１４から取り外されたと判断されるときに取外警告を発する。
また、警告部１２４は、取外警告を発しているとき、ＩＤ認識部１２０から得られる個体情報を監視し、作業部１６が再接続されたことを認識し、得られた個体情報が取り外し前に認識した個体情報と等しいときに取り外し警告を解除し、得られた個体情報が取り外し前に認識した個体情報と異なるときに誤接続警告を発する。
取外警告及び誤接続警告は、音響・音声手段又は動作状態表示部５３０でのメッセージ表示により行うことができる。取外警告と誤接続警告とは容易に区別可能であることが好ましく、音響、音声手段で行う場合には例えば吹鳴インターバルや周波数の異なるブザー音とするとよい。
通信部１２６は、外部のＬＡＮ（Local Area Network）６００に接続されており、所定の情報の送受信が可能である。
作業部検出手段１０７により作業部１６が取り外されていると判断される場合、又は、原点認識部１２２により先端動作部１２が原点にあると判断される場合には、演算部１１０は、保護装置１１４の作用下にドライバ１１６に対する電力供給を停止させる。
図１１に示すように、コントローラ５１４は複数台（例えば３台）設けられており、それぞれＬＡＮ６００によって接続されている。ＬＡＮ６００には使用履歴管理手段としてのホストコンピュータ６０２が接続されている。ホストコンピュータ６０２は、内部の記録手段に、図１２に示す使用履歴テーブル６０４を記録しており、各コントローラ５１４に対して要求された個体番号に応じた使用履歴データを送受信し、集中的に管理する。ホストコンピュータ６０２は、コントローラ５１４から独立的な構成に限らず、いずれか１つのコントローラ５１４が使用履歴テーブル６０４を保持してホストコンピュータ６０２の処理を行ってもよい。
また、ＬＡＮ６００は、有線、無線、電源ラインを用いたもの等であってもよく、その他の通信手段で代替してもよいことはもちろんである。ＬＡＮ６００は、かならずしもローカルな形態に限らず、例えば複数の医療施設で共同のネットワークを用いても良いし、ホストコンピュータ６０２をマニピュレータの製造メーカが用意し、一般のネットワークを介してコントローラ５１４と通信し、該製造メーカが履歴管理を代行してもよい。
図１２に示すように、使用履歴テーブル６０４は、個体情報欄、仕様欄、使用時間欄、仕様回数欄、滅菌処理日欄、エラー履歴欄、製造日欄及び備考欄を有する。また、これ以外にも位相修正値（又は原点修正値）等の固有情報を記録してもよい。個体情報欄は、作業部１６の個体情報を示す。仕様欄は、作業部１６の仕様を示し、具体的には先端動作部１２の種類や、連結シャフト４８の長さ等を示す。使用回数欄は、対応する作業部１６が使用された回数を示す。滅菌処理欄は、対応する作業部１６が最後に滅菌処理された日を示す。エラー履歴欄は、対応する作業部１６において過去に発生したエラーの履歴の情報を示す。製造日欄は対応する作業部１６の製造日を示す。備考欄はその他の情報を示す欄であり、任意の情報の書き込みが可能である。
滅菌処理欄及び備考欄の情報は、ホストコンピュータ６０２においてキーボード及びマウス等の入力手段により入力される。
図１３に示すように、ホストコンピュータ６０２におけるモニタ６０２ａには、接続情報テーブル６０６が表示される。接続情報テーブル６０６は、ホストコンピュータ６０２に接続されている３台のコントローラ５１４の各接続ポート１〜３についての情報が表示される。接続されているポートについては、使用履歴テーブル６０４を参照して接続情報テーブル６０６の対応する箇所に使用履歴データを表示する。接続されていない箇所については「未接続」と表示する。
各コントローラ５１４は、作業部検出手段１０７から得られる信号に基づいて、作業部１６がアクチュエータブロック３０に装着されたときにカメラ１０６及び白色ＬＥＤ１０５を制御してバーコード１０４の個体信号を取得し、該個体信号に対応した使用履歴データをホストコンピュータ６０２から取得する。また、作業部１６がアクチュエータブロック３０から取り外された後に使用履歴データを更新してホストコンピュータ６０２に供給し、該ホストコンピュータ６０２は取得した使用履歴データを個体信号に応じて使用履歴テーブル６０４に記録する。
なお、使用履歴管理手段が設けられる場所としてはホストコンピュータ６０２に限らず、図１１の仮想線で示すように、使用履歴管理手段と同等の機能を有する管理部６０８が、複数のコントローラ５１４のうちいずれか１つ、若しくは全部に備えられていてもよい。
管理部６０８がコントローラ５１４のいずれか１つに設けられている場合には、該管理部６０８はホストコンピュータ６０２と同じように、他のコントローラ５１４と通信を行って情報の授受を行い、使用履歴テーブル６０４を集中管理する。
管理部６０８が全てのコントローラ５１４に設けられている場合には、いずれか１つの管理部６０８を有効にする選択スイッチの操作を行い、他の管理部６０８は無効にしておくとよい。
また、管理部６０８が全てのコントローラ５１４に設けられている場合には、使用履歴テーブル６０４に相当する情報を分散管理してもよい。例えば、所定の作業部１６があるコントローラ５１４に接続されたときに、該コントローラ５１４では、他の全てのコントローラ５１４と通信を行い、接続された作業部１６の個体情報に係る最新の使用履歴データを取得し、自らの管理部６０８で接続されている作業部１６の情報の更新及び管理を行えばよい。情報を提供した側のコントローラ５１４では、該情報を削除し、又は送信済みであることを示すフラグを付加して管理するとよい。
作業部１６の使用履歴データは、作業部１６が最後に接続された（又は現在接続されている）コントローラ５１４で更新及び管理してもよく、最初に接続されたコントローラ５１４で更新及び管理をしてもよく、又は全てのコントローラ５１４で冗長的に更新及び管理をしてもよい。
使用履歴テーブル６０４及び接続情報テーブル６０６の情報を表示する場合にはモニタ６０２ａをコントローラ５１４に接続し、又は表示機としてホストコンピュータ６０２をＬＡＮ６００に接続すればよい。
次に、このように構成されるマニピュレータシステム５００における個体情報の情報処理手順について説明する。以下の処理は、特段の断りのない場合には、コントローラ５１４において行われる。
図１４のステップＳ１において、コントローラ５１４は、作業部検出手段１０７から信号を取得し、操作部１４のアクチュエータブロック３０に作業部１６が接続されたか否かを確認する。作業部１６が接続されたときにはステップＳ２へ移り、未接続であるときには待機する。
ステップＳ２において、カメラ１０６及び白色ＬＥＤ１０５を制御してバーコード１０４の情報を読み取る。この情報としては、個体情報、仕様、及び製造日等が挙げられる。これらの情報を取得した後、カメラ１０６及び白色ＬＥＤ１０５を停止させる。
ステップＳ３において、ホストコンピュータ６０２と通信を行い、個体情報及び作業部１６が接続されたポートの情報を送信してデータ送信要求を行う。ホストコンピュータ６０２は、取得した個体情報に基づいて使用履歴テーブル６０４を検索し、対応する仕様履歴データをコントローラ５１４に供給する。ホストコンピュータ６０２は、接続情報テーブル６０６における対応する欄に個体情報に応じた使用履歴データを表示する。
使用履歴テーブル６０４内に対応する個体情報がない場合、つまり新規の作業部１６が接続された場合には、その旨をコントローラ５１４に通知するとともに、使用履歴テーブル６０４内に該個体情報用の欄を新たに設ける。
ステップＳ４において、ホストコンピュータ６０２から得られた情報に基づいて、使用時間のデータを変数Ｈｒに代入し、使用回数のデータを変数Ｎｏに代入し、エラー履歴データを変数Ｅｒに代入する。ホストコンピュータ６０２に対応する個体情報の使用履歴データが存在しない旨の通知を受けた場合には、変数Ｈｒ、変数Ｎｏ及び変数Ｅｒにそれぞれ０を代入する。変数Ｅｒは、例えばエラーの種類数のビットを含む二進数データである。
ステップＳ５において、所定のタイマーをスタートさせ、接続された作業部１６の動作時間ΔＨｒをカウントする。動作時間ΔＨｒのカウントは、作業部１６が動作モードであるときだけカウントアップするようにしてもよい。
ステップＳ６において、所定のエラー検出処理を行い、エラーが発生した場合にはステップＳ７へ移り、エラーがない場合にはステップＳ８へ移る。
ステップＳ７において、発生したエラーに対する適切な対応の処理を行うとともに、変数Ｅｒにおける該エラーに対応するビットを「１」に設定する。これ以後、該ビットを参照することにより、そのエラーが発生したという履歴を認識可能となる。この後、ステップＳ８へ移る。
ステップＳ８において、作業部検出手段１０７から信号を取得し、操作部１４のアクチュエータブロック３０から作業部１６が取り外されたか否かを確認する。作業部１６が取り外されたときにはステップＳ９へ移り、装着されているときにはステップＳ６へ戻る。
ステップＳ９において、タイマーを停止させてその時点の動作時間ΔＨｒを取得するとともに、変数Ｈｒを、Ｈｒ←Ｈｒ＋ΔＨｒと更新する。また、変数Ｎｏを、Ｎｏ←Ｎｏ＋１とインクリメントする。
ステップＳ１０において、ホストコンピュータ６０２と通信を行い、取り外された作業部１６の個体情報、そのポートの情報、変数Ｎｏ、変数Ｈｒ及び変数Ｅｒを送信してデータ書き込み要求を行う。ホストコンピュータ６０２は、取得した個体情報に基づいて使用履歴テーブル６０４を検索し、対応する仕様履歴データの書き込みを行う。これにより、これ以後、３台のいずれのコントローラ５１４からデータ送信要求を受けた場合であっても、対応する作業部１６の個体情報の正確な使用履歴データを供給することができる。この後、ステップＳ１へ戻る。
ホストコンピュータ６０２は、接続情報テーブル６０６における対応する欄の情報を非表示にして、「未使用」と表示する。
上述したように、本実施の形態に係るマニピュレータシステム５００では、非接触のバーコード１０４及びカメラ１０６を用いることにより、作業部１６の個体情報を取得することができるとともに、電力が不要であり、電気的接点もなく、作業部１６を簡便に洗浄及び滅菌することができる。また、電気的接点がないことから、該接点の不良による通信エラーがない。一般に、非接触手段は電気的接点よりも高寿命である。
バーコード１０４は各種の情報を画像情報として示し、非接触の通信を簡便に実現できる。
複数台のコントローラ５１４は、ＬＡＮ６００を介してホストコンピュータ６０２に接続されており、使用履歴テーブル６０４に対するアクセスが可能であることから、作業部１６をいずれのコントローラ５１４に接続しても使用の経緯が分かることになり、好適である。
バーコード１０４は接続部１５における後方に設けられており、バーコード１０４とカメラ１０６との距離を短くすることができ、個体情報が確実に供給される。
また、先端動作部１２の姿勢は、例えば原点位置を基準として算出されることから、手術の途中で作業部を交換する場合には、次の作業に備えて先端動作部１２及び作業部１６の各プーリ５０ａ〜５０ｃは正確に原点に一致した軸位置としてから取り外すことが望ましい。原点位置に一致していない状態で取り外されたときには、所定の警報を発してその作業部を再装着するように促すとよいが、このとき別の作業部１６を装着されることがないように作業部１６を識別することが必要になる。このときに、バーコード１０４から得られる個体情報に基づいて作業部１６を識別が可能になり、所定の警報を発生させることができる。
次に、マニピュレータ１０の変形例に係るマニピュレータ１０ａについて図１５を参照しながら説明する。マニピュレータ１０ａにおいてマニピュレータ１０と同じ箇所には同符号を付して、その詳細な説明を省略する。マニピュレータ１０ａはバーコード１０４及びカメラ１０６に代えてＲＦＩＤ６１０及び送受信器６１２を設け、白色ＬＥＤ１０５を省略した形態である。
図１５に示すように、マニピュレータ１０ａの接続部１５における後端部近傍にはＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification（ＩＤ保持部））６１０が設けられている。ＲＦＩＤとは微小なＩＣチップに製品の個別情報を格納し、無線を利用して情報の読み取りや更新などを行う無線認証システムのことであり、無線タグ、ＩＣタグ又はミューチップとも呼ばれる。ＲＦＩＤ６１０には、前記のバーコード１０４に含まれる情報、つまり作業部１６の個体情報、仕様、タイムスタンプ（製造日等）やシリアルナンバー、使用回数上限等の情報が含まれている。また、ＲＦＩＤ６１０は書き込みが可能であり、使用回数、使用時間、エラー履歴、滅菌処理日、位相修正値（又は原点修正値）等の固有情報が記録されている。
アクチュエータブロック３０において、接続部１５が接続された状態におけるＲＦＩＤ６１０に対向する位置には送受信器（ＩＤ認識部、データ送信部）６１２が設けられており、電波を用いてＲＦＩＤ６１０に対して送信及び受信を行う。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は、ＲＦＩＤ６１０と送受信器６１２との相対的な位置及び向きは固定されていることから、それぞれの電波の指向性を狭くするとともに、指向性のメインローブを相手の方向に指向させて、その方向の電波を強くすると省電力で送受信が確実に行われる。また、メインローブ以外の方向には電波が弱くなり、無用に広い範囲に電波が達することがなく、混信の恐れがない。図１５においては、ＲＦＩＤ６１０及び送受信器６１２が発信及び受信する電波の強度及び感度の最も強い軸を仮想線６１４で示す。ＲＦＩＤ６１０と送受信器６１２の双方の電波の指向性の最も強い方向が完全に一致していることが望ましいが、実際上は、例えばメインローブにおけるビーム幅で電力パターンが−３ｄＢの範囲が相互に相手方を向くように設定するとよい。
ＲＦＩＤ６１０と送受信器６１２とは非常に接近しており、エネルギーの小さい短距離型を用いると、小電力化が図られるとともに混信の恐れがない。
このように、相対的な位置及び向きが固定されており、且つ近距離の通信をするためには、例えば１３．５６ＭＨｚ帯、２．４５ＧＨｚ帯又は５ＧＨｚ帯のＲＦＩＤを用いると好適である。
詳細な説明を省略するが、マニピュレータ１０ａを制御するコントローラ５１４は、ＲＦＩＤ６１０及び送受信器６１２に対応した制御をする。また、ＲＦＩＤはデータの書き込みが可能であることから、使用回数、使用時間、エラー履歴及び滅菌処理日等のデータを書き込んでもよい。ＲＦＩＤにおける個体情報、シリアルナンバー、仕様等のデータについては、不用意に書き換えられることがないように所定の書換禁止手段を設けてもよい。
マニピュレータ１０ａを制御するコントローラ５１４では、図１６に示すような制御を行う。図１６におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０３は、前記のステップＳ１〜Ｓ３（図１４参照）に相当し、ステップＳ１０５〜Ｓ１１１は、ステップＳ４〜Ｓ１０に相当する。ステップＳ１０２では前記のステップＳ２と異なり、バーコード１０４に代えてＲＦＩＤ６１０から所定の情報を読み取る。
ステップＳ１０４は、ステップＳ１０３とステップＳ１０５の間に行われる処理であって、ＲＦＩＤ６１０に必要な情報を書き込む。この情報は、ホストコンピュータ６０２における使用履歴テーブル６０４（図１２参照）の対応する個体情報の使用履歴データの全てとする。
このような変形例に係るマニピュレータ１０ａを備えるシステムでは、非接触のＲＦＩＤ６１０及び送受信器６１２を用いることにより、作業部１６の個体情報を取得することができるとともに、電気的接点が存在せず、しかもバッテリ等の蓄電体もない。従って作業部１６を簡便に洗浄及び滅菌することができる。また、ＲＦＩＤ６１０及び送受信器６１２は、電波を用いて各信号を送受信し、非接触の通信を簡便に実現できる。ＲＦＩＤ６１０は小型簡便構成であり、通信を簡便に行うことができる。ＲＦＩＤ６１０は、使用履歴データを受信して記録することにより、作業部１６ごとの使用履歴の管理が容易となる。
送受信器６１２はアンテナである。送受信器６１２に接続される電気回路は操作部１４又はコントローラ５１４のいずれに設けてもよい。
作業部１６と操作部１４との間の情報の伝達には、バーコード１０４（つまり画像情報）やＲＦＩＤ６１０（つまり電波）以外にも、磁気、光（例えば赤外線通信）を用いると非接触で個体情報を伝達することができ、作業部１６の清掃、洗浄が容易となる。
マニピュレータ１０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操作機構に好適に適用可能であることはもちろんである。
次に、第２の実施形態に係る医療用のマニピュレータシステム１１００について説明する。先ず、マニピュレータシステム１１００の各構成要素と前記マニピュレータシステム５００における対応する構成要素とを示す。
つまり、マニピュレータシステム１１００における次の主な構成要素、
マニピュレータ１１０２（ａ）、コントロールユニット１１０４（ｂ）、外科器具１１０６（ｃ）、外科器具コントロールユニット１１１２（ｄ）、動作部コントローラ１１０７（ｅ）、動作部１１２２（ｆ）、シャフト１１１６（ｇ）、ハンドル１１１０（ｈ）、ボタン１１１４（ｉ）、送信機１２１０（ｊ）、モータ１２１２（ｋ）、交信回路１２１６（ｌ）、ドライブアセンブリ１２０４（ｍ）、個体識別子１３００（ｎ）、個体信号読取器１３０２（ｏ）は、順に前記のマニピュレータシステム５００における次の構成要素、
マニピュレータ１０（ａ）、コントローラ５４１（ｂ）、作業部１６（ｃ）、アクチュエータブロック３０（ｄ）、接続部１５（ｅ）、先端動作部１２（ｆ）、連結シャフト４８（ｇ）、グリップハンドル２６（ｈ）、トリガーレバー３２（ｉ）、ＲＦＩＤ６１０（ｊ）、モータ４１〜４２（ｋ）、送受信器６１２（ｌ）、プーリ５０ａ〜５０ｃ（ｍ）、バーコード１０４（ｎ）、カメラ１０６（ｏ）に対応する。なお、括弧付きの符号は対比が容易となるように参考に付したものである。
図１８には第２の実施形態に係るマニピュレータシステム１１００が示される。マニピュレータシステム１１００は医療用のマニピュレータ１１０２とコントロールユニット１１０４を含む。マニピュレータ１１０２は外科器具（作業部）１１０６と外科器具コントロール機構１１０８を含む。外科器具１１０６は動作部コントローラ１１０７、動作部１１２２とシャフト１１１６を含む。シャフト１１１６は第一端１１１８とその反対側の第二端１１２０を持つ。動作部１１２２はシャフト１１１６の第一端１１１８にマウントされ、現在そして将来に亘り当業者に知られる様々な動作を行う。動作部コントローラ１１０７はシャフト１１１６の第二端１１２０にマウントされ、現在そして将来に亘り当業者に知られる様々な動作を行う。本明細書中で使用されるマウントという表現は、一緒にする（ｊｏｉｎ）、係合する（ｅｎｇａｇｅ）、一体化する（ｕｎｉｔｅ）、接続する（ｃｏｎｎｅｃｔ）、関係付ける（ａｓｓｏｃｉａｔｅ）、挿入する（ｉｎｓｅｒｔ）、吊るす（ｈａｎｇ）、保持する（ｈｏｌｄ）、固定する（ａｆｆｉｘ）、添付する（ａｔｔａｃｈ）、締める（ｆａｓｔｅｎ）、束ねる（ｂｉｎｄ）、貼る（ｐａｓｔｅ）、留める（ｓｅｃｕｒｅ）、締める（ｂｏｌｔ）、ねじる（ｓｃｒｅｗ）、留める（ｒｉｖｅｔ）、はんだ付けする（ｓｏｌｄｅｒ）、溶接する（ｗｅｌｄ）、そして他の類似の用語を含む。
外科器具コントロール機構１１０８は、現在から将来に亘って当業者に知られる機械的、電気機械的、電気的な機構である。外科器具コントロール機構１１０８はハンドル１１１０と外科器具コントロールユニット（アクチュエータ部）１１１２を含む。外科医は現在そして将来において知られる低侵襲外科手術を動作部１１２２を使って行うためハンドル１１１０を操作する。ハンドル１１１０は回転、抑え付け、トグル等、動作部１１２２に所望の動作を行わせるための機構を含む。例えば、ハンドル１１１０は動作部１１２２を開けたり閉じたりするボタン１１１４を持つ。外科器具コントロール機構１１０８はハーネス１１１５を通して電気的にコントロールユニット１１０４と接続されている。
コントロールユニット１１０４は、電気的信号をハーネス１１１５を通して、外科器具コントロール機構１１０８から受けたりあるいは送ったりする。これにより動作部コントローラ１１０７を通して動作部の動きをコントロールする。例えば、コントロールソフトウエアがボタン１１１４の動作が示す電気信号を受け、これを動作部１１２２を動かすための適切な信号へ変換する。電気信号はアナログでもデジタルでもよい。動作部１１２２をコントロールする外科器具コントロール機構１１０８へ送られるコントロール指令を決定するために、ハンドル１１１０にマウントされているトランスデューサから受けた角度測定値をコントロールユニット１１０４はさらに変換する。
図１９において、動作部コントローラ１１０７は、複数のドライブアセンブリ１２０４、複数のワイヤ１２０６、複数のコネクタ１２０８そして送信機（ＩＤ保持部）１２１０を含む。送信機１２１０はＲＦＩＤを含む。一般的にシャフト１１１６はその中に複数のワイヤ１２０６が延びる細長い管を含む。複数のワイヤ１２０６は、動作部１１２２と動作部コントローラ１１０７とを操作可能につなぐ。動作部１１２２は切断、剥離、縫合、把持等の目的のため様々なタイプの器具を持つ。
図１８において、外科器具コントロール機構１１０８は、外科器具コントロールユニット１１１２内に複数のモータ１２１２、複数の電気ケーブル１２１４、交信回路（ＩＤ認識部）１２１６、コントロールケーブル１２１８をマウントする。交信回路１２１６は受信機を持つ。外科器具１１０６が外科器具コントロール機構１１０８にマウントされたとき、送信機１２１０は固体認識信号を交信回路１２１６へ送る。個体認識信号は動作部１１２２の型を特定し、そしてマニピュレータシステム１１００は所望の動作を行う。交信回路１２１６は固体認識信号を受け取り、ハーネス１１１５内のコントロールケーブル１２１８を通してその固体認識信号をコントロールユニット１１０４へ送る。
コントロールユニット１１０４は固体認識信号を交信回路１２１６から受け取る。コントロールユニット１１０４は認識された外科器具の種類に従ってその動きを理解し、ハーネス１１１５の中にある複数の電気ケーブル１２１４を通して複数のモータ１２１２へ制御信号を送る。外科器具１１０６は外科器具コントロール機構１１０８から離脱可能であり、複数の異なった種類の外科器具が簡単に迅速に取り付け換えられる。外科器具コントロール機構１１０８と外科器具１１０６を物理的に接続する複数のコネクタ１２０８を介して複数のモータ１２１２は取り外し可能に複数のドライブアセンブリ１２０４に結合している。
複数のドライブアセンブリ１２０４はコントロールユニット１１０４から動作部１１２２の機械的動作へ信号を伝える機械的構成部分を含む。例えば、複数のモータ１２１２は複数のドライブアセンブリ１２０４を回転させる回転トルクを発生する。複数のドライブアセンブリ１２０４の回転は動作部１１２２の動きを起こす複数のワイヤ１２０６の動きとなる。動作部１１２２は複数の異なった、例えば切断、解体、縫合等の器具を持つので、複数のワイヤ１２０６は動作部１１２２の異なった動きに対応する。よって、コントロールユニット１１０４は、動作部の種類を認識し、それに基づき適当なコントロール信号を発生する。
図１９で示されるように、動作部コントローラ１１０７は複数のドライブアセンブリ１２０４、複数のワイヤ１２０６、複数のコネクタ１２０８そして個体識別子（ＩＤ保持部）１３００を含む。個体識別子１３００は外科器具１１０６の外側表面にマウントされる。例えば、個体識別子１３００は外科器具コントロール機構１１０８に隣接する動作部コントローラ１１０７の外側表面にマウントされる。個体識別子１３００は現在または将来において当業者に知られるバーコード等を含む。外科器具コントロール機構１１０８は外科器具コントロールユニット１１１２にマウントされている複数のモータ１２１２、複数の電気ケーブル１２１４、個体信号読取器（ＩＤ認識部）１３０２そしてコントロールケーブル１２１８を含む。個体信号読取器１３０２は、赤外線を使って個体識別子１３００の個体信号を読み取るバーコードリーダを含む。外科器具１１０６が外科器具コントロール機構１１０８にマウントされたとき、個体信号読取器１３０２は、個体識別子１３００の個体信号を読み取り、ハーネス１１１５内のコントロールケーブル１２１８を通してコントロールユニット１１０４へ個体識別子１３００の個体信号を伝える。コントロールユニット１１０４は、個体信号を個体信号読取器１３０２から受け取る。コントロールユニット（制御部）１１０４は動作部の種類を認識し、その動きを理解し、図１９で説明したようにハーネス１１１５の中の複数の電気ケーブル１２１４を通して複数のモータ１２１２へコントロール信号を送る。
このような、マニピュレータシステム１１００によれば、動作部コントローラ１１０７と外科器具コントロール機構１１０８との間で個体情報を非接触で伝達することができ、動作部コントローラ１１０７は電気的接点のない構成となり、洗浄及び滅菌を容易に行うことができる。
作業部１６は、人手で操作をする操作部１４に接続されるものとして説明したが、例えば図２０に示すような手術用ロボットシステム７００に適用してもよい。
手術用ロボットシステム７００は、ロボットアーム７０２と、コンソール７０４とを有し、作業部１６はロボットアーム７０２の先端に接続されている。ロボットアーム７０２の先端には前記のアクチュエータブロック３０と同じ機構を設けることにより、作業部１６を接続及び駆動可能である。この場合のマニピュレータ１０は、ロボットアーム７０２と作業部１６とからなる。ロボットアーム７０２は、作業部１６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７０４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７０２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１６の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のアクチュエータブロック３０は、ロボットアーム７０２の先端部７０８と一体化している。
アクチュエータブロック３０には、カメラ１０６（又は送受信器６１２）、白色ＬＥＤ１０５及び作業部検出手段１０７が設けられ、作業部１６の接続部１５には、バーコード１０４（又はＲＦＩＤ６１０）及び被検出片１０９が設けられている。
ロボットアーム７０２は、コンソール７０４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７０４に設けられたジョイスティック（ロボット操作部）７０６に倣った動作、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７０４は、前記のコントローラ５１４の機能を含んでいる。
コンソール７０４には、前記操作部１４のうちアクチュエータブロック３０を除いた機構の操作部としての２つのジョイスティック７０６と、モニタ７１０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７０６により、２台のロボットアーム７０２を個別に操作が可能である。２つのジョイスティック７０６は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ７１０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７０６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７０２を動かすことができる。ジョイスティック７０６はマスターアームであってもよい。ロボットアーム７０２とコンソール７０４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。
本発明に係るマニピュレータシステムは、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。
本形態に係るマニピュレータシステムの概略構成図である。 本形態に係るマニピュレータシステムの構成の組合わせに係る説明図である。 作業部と操作部とを分離したマニピュレータの側面図である。 操作部の斜視図である。 接続部の一部断面斜視図である。 操作部の一部拡大斜視図である。 先端動作部の斜視図である。 先端動作部の分解斜視図である。 コントローラの正面図である。 コントローラのブロック構成図である。 複数のコントローラとホストコンピュータとがＬＡＮにより接続された状態を示すブロック構成図である。 使用履歴テーブルの内容を示す図である。 モニタに表示される接続情報テーブルを示す図である。 マニピュレータを制御するコントローラの処理手順を示すフローチャートである。 変形例に係るマニピュレータの一部断面斜視図である。 変形例に係るマニピュレータを制御するコントローラの処理手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るロボット外科装置全体の斜視図である。 第２の実施形態に係るロボット外科装置の第１変形例を示す図である。 第２の実施形態に係るロボット外科装置の第２変形例を示す図である。 作業部をロボットアームの先端に接続した手術用ロボットシステムの概略斜視図である。
符号の説明
１０、１１０２…マニピュレータ １２…先端動作部
１４、１４ａ〜１４ｄ…操作部 １５…接続部
１６、１６ａ〜１６ｄ…作業部 ３０…アクチュエータブロック
３７…カバー ４０、４１、４２、１２１２…モータ
４８…連結シャフト １０４…バーコード（ＩＤ保持部）
１０５…ＬＥＤ（投光手段） １０６…カメラ（ＩＤ認識部）
１０７…作業部検出手段 １０７ａ…投光器
１０７ｂ…受光器 １０９…被検出片
３００…プーリ格納体 ５００、１１００…マニピュレータシステム
５１４…コントローラ ６００…ＬＡＮ
６０２…ホストコンピュータ ６０４…使用履歴テーブル
６０６…接続情報テーブル ６１０…ＲＦＩＤ（ＩＤ保持部）
６１２…送受信器（ＩＤ認識部） ７００…手術用ロボットシステム
１１０４…コントロールユニット １１０６…外科器具（作業部）
１１０７…動作部コントローラ（接続部）
１１０８…外科器具コントロール機構（操作部）
１１１２…外科器具コントロールユニット（アクチュエータ部）
１１１６…シャフト １１２２…動作部
１２１０…送信機（ＩＤ保持部） １２１６…交信回路（ＩＤ認識部）
１３００…個体識別子（ＩＤ保持部）
１３０２…個体信号読取器（ＩＤ認識部）

Claims (15)

  1. マニピュレータ及び該マニピュレータを制御する制御部とを備えるマニピュレータシステムにおいて、
    前記マニピュレータは、
    アクチュエータが備えられたアクチュエータ部と、
    前記アクチュエータ部に対して着脱自在で、シャフトの先端に前記アクチュエータに連動して前記シャフト軸と非平行な軸を基準として回動する先端動作部を備える作業部と、
    を有し、
    前記作業部は、固体識別用の個体信号を保持するＩＤ保持部を備え、
    前記アクチュエータ部は、前記ＩＤ保持部に対して非接触で、該ＩＤ保持部の前記個体信号を認識し前記制御部へ供給するＩＤ認識部を備え、
    前記制御部は、供給された前記個体信号に基づいて前記作業部の制御をすることを特徴とするマニピュレータシステム。
  2. 請求項１記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記ＩＤ保持部は、電波を用いて前記個体信号を送信する送信機であり、
    前記ＩＤ認識部は、前記保持部が送信する前記個体信号を受信する受信機であることを特徴とするマニピュレータシステム。
  3. 請求項２記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記ＩＤ保持部は、ＲＦＩＤであることを特徴とするマニピュレータシステム。
  4. 請求項３記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記ＲＦＩＤは、１３．５６ＭＨｚ帯、２．４５ＧＨｚ帯又は５ＧＨｚ帯の仕様であり、電波の指向性の最も強いメインローブのビーム幅で電力パターンが−３ｄＢの範囲が前記ＩＤ認識部を指向していることを特徴とするマニピュレータシステム。
  5. 請求項３記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記アクチュエータ部は、マニピュレータシステムに係る使用履歴データを電波で送信するデータ送信部を有し、
    前記ＲＦＩＤは、前記使用履歴データを受信して記録手段に記録することを特徴とするマニピュレータシステム。
  6. 請求項１記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記ＩＤ保持部は、前記個体信号を画像情報として保持する表示手段であり、
    前記ＩＤ認識部は、前記表示手段を撮像する撮像手段であることを特徴とするマニピュレータシステム。
  7. 請求項６記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記表示手段は、バーコードであることを特徴とするマニピュレータシステム。
  8. 請求項６記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記作業部及び（又は）前記アクチュエータ部は、前記作業部と前記アクチュエータ部とが接続されたときに前記表示手段及び前記撮像手段が略閉空間内となるように前記ＩＤ保持部及び前記撮像手段を覆うカバーを有することを特徴とするマニピュレータシステム。
  9. 請求項６記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記撮像手段は、赤外線を検出する手段であることを特徴とするマニピュレータシステム。
  10. 請求項６記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記アクチュエータ部は、前記表示手段を照明する投光手段を有することを特徴とするマニピュレータシステム。
  11. 請求項１記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記アクチュエータ部は、前記作業部の有無を検出する作業部検出手段を有し、
    前記制御部は、前記作業部検出手段から得られる信号に基づいて、前記作業部が前記アクチュエータ部に装着されたときに前記ＩＤ認識部を制御して前記ＩＤ保持部の前記個体信号を取得することを特徴とするマニピュレータシステム。
  12. 請求項１１記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記作業部検出手段は、対向する位置に設けられた投光器と受光器とからなり、該投光器と該受光器との間に前記作業部の一部が挿入されて遮光することにより該作業部が装着されたことを検出することを特徴とするマニピュレータシステム。
  13. 請求項１記載のマニピュレータシステムにおいて、
    複数の前記制御部と通信可能な使用履歴管理手段を有し、
    前記アクチュエータ部は、前記作業部の有無を検出する作業部検出手段を有し、
    前記制御部は、前記作業部検出手段から得られる信号に基づいて、前記作業部が前記アクチュエータ部に装着されたときに前記ＩＤ認識部を制御して前記ＩＤ保持部の前記個体信号を取得し、該個体信号に対応した使用履歴データを前記使用履歴管理手段から取得し、前記作業部が前記アクチュエータ部から取り外された後に前記使用履歴データを更新して前記使用履歴管理手段に供給し、該使用履歴管理手段は取得した使用履歴データを前記個体信号に応じて記録手段に記録することを特徴とするマニピュレータシステム。
  14. 請求項１３記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記使用履歴管理手段は、複数の前記制御部のうちいずれか１つ、若しくは全部に備えられていることを特徴とするマニピュレータシステム。
  15. 請求項１記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記作業部は、前記先端動作部と前記アクチュエータ部に接続される接続部とが前記シャフトにより連結され、
    前記ＩＤ保持部は前記接続部に設けられていることを特徴とするマニピュレータシステム。
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