JP2009107095A - マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高い自由度が得られ、操作者が先端動作部に加わる外力等をより確実に感知する。
【解決手段】マニピュレータは、トリガレバー３２を含む操作部１４と、エンドエフェクタ１０４、及びエンドエフェクタ１０４の向きを変えるヨー軸及びロール軸を含む先端動作部１２と、操作部１４と先端動作部１２を連結する連結シャフト４８とを有する。操作部１４のアクチュエータブロック３０にはヨー軸及びロール軸を駆動するモータ４０及び４１と、トリガレバー３２の操作を機械的に伝達して、エンドエフェクタ１０４を駆動するグリッパ操作量補正部４２が設けられている。コントローラ４５は、ヨー軸及びロール軸の姿勢角度によるエンドエフェクタ１０４の干渉量を演算する。グリッパ操作量補正部４２は、コントローラ４５の作用下に、プッシュロッドを進退させ、干渉量を補償するようにトリガレバー３２による操作量を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンドエフェクタ軸、及び該エンドエフェクタ軸の向きを変える１以上の姿勢軸を含む先端動作部を有するマニピュレータと、該マニピュレータを制御するコントローラを含むマニピュレータシステムに関し、特に、エンドエフェクタ軸及び姿勢軸を動作させる機構部を備え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軟性鏡、マニピュレータ（又は鉗子）等を挿入し、術者が軟性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。

一方、腹腔鏡下手術で用いるマニピュレータには、患者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

軟性鏡下・腹腔鏡下手術に用いられている従来の一般的な鉗子では、先端動作部に加わる外力や把持する把持力等は、直接的ではないが、鉗子本体を介して手元に反作用として伝わることから、操作者はこれらの力をある程度は感じ取ることができ、適度によい操作性が得られる。しかしながら、従来の鉗子は自由度が少なく（例えば１自由度である。）、組織を把持する方向や切断する方向、縫合針の刺入方向が限られていて不便であるとともに、操作に熟練性が要求される。

より高い自由度を得るためには、例えば、マスタ・スレーブ方式の遠隔操作型手術ロボットを適用することが考えられる。該ロボットは、高い自由度を有するとともに、患部に対して任意の方向からのアプローチが可能で、操作性に優れるという利点があるものの、先端動作部に加わる外力や把持力等はマスタ側には伝わらない。

マスタ・スレーブ方式のロボットにおいて、マスタ側で力感覚を得るためには、高感度な力覚センサシステムや高速なサンプリングタイムを有する計算機システムによる高度なバイラテラル制御が必須となり、高価で複雑なシステムとなる。また、バイラテラル制御は実用に値する十分な性能が得られていないのが現状である。

それに対して、本出願人によってすでに提案されている多自由度鉗子、すなわち、先端動作部に関節を備え、操作部の指令に基づいてモータ制御により各関節を駆動する多自由度鉗子は、操作部（操作ハンドル）と作業部（先端関節部）が一体化されているため、従来の鉗子と同様に先端動作部に作用する外力や把持力等が、直接ではないが、多自由度鉗子本体を介して操作部側に伝わる。したがって、操作者はこれらの力をある程度は感じ取ることができる。しかしながら、このような多自由度鉗子においてもさらに力を感じ取ることのできる多自由度鉗子の要望があり、特に把持力について力を感じ取ることのできる多自由度鉗子が望まれている。

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、高い自由度が得られ、しかも、操作者が先端動作部に加わる外力等をより確実且つ簡便に感知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コントローラを含むマニピュレータシステムにおいて、人手によって操作する入力部を含む操作部と、エンドエフェクタ軸、及び該エンドエフェクタ軸の向きを変える１以上の姿勢軸を含む先端動作部と、前記操作部と前記先端動作部を連結する連結部と、前記姿勢軸を駆動する姿勢軸アクチュエータと、前記入力部の人手による操作を機械的に伝達して、前記エンドエフェクタ軸を駆動する操作伝達部と、前記操作伝達部の途中に設けられ、前記入力部の人手による操作の操作量を補正する操作量補正部とを有することを特徴とする。

このような操作伝達部によれば、エンドエフェクタ軸を人手により直接的に操作が可能であり、操作者は先端動作部に加わる外力等をより確実且つ簡便に感知することができる。また、エンドエフェクタ軸は姿勢軸によって向きを変えることができ、高い自由度が得られる。姿勢軸の影響は操作量補正部により補正することができる。

本発明に係るマニピュレータシステムによれば、高い自由度が得られ、しかも、操作者は先端動作部に加わる外力等をより確実且つ簡便に感知することができる。

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１〜図１２を参照しながら説明する。

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、該マニピュレータ１０を制御するコントローラ４５とを有する。

コントローラ４５は、マニピュレータ１０の電気的な制御をする部分であり、グリップハンドル２６の下端部から延在するケーブル６２に対してコネクタを介して接続されている。コントローラ４５は、マニピュレータ１０を独立的に複数台同時に制御することができる。もちろん、１台のマニピュレータ１０を制御するコントローラを用いてもよい。

次に、操作部１４及び作業部１６を含むマニピュレータ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２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に固定された作業部１６とを有する。操作部１４と作業部１６とは一体構成であるが、条件に応じて分離可能な構成にしてもよい。

以下の説明では、図１及び図２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、先端側から見て右方を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、該先端動作部１２と操作部１４とを連接する長尺で中空の連結シャフト４８とを有する。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とトリガレバー（入力部）３２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、複合入力部３４を有する。

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６２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、例えば横方向に動作する第１入力手段３４ａによってヨー方向指示を行い、軸回転に動作する第２入力手段３４ｂによってロール方向指示を行うことができる。トリガレバー３２は、先端動作部１２のエンドエフェクタ１０４（図１参照）の開閉指令を与える入力手段である。エンドエフェクタ１０４としては種々の形式があるが、マニピュレータ１０では開閉可能なグリッパを設けている。

複合入力部３４には操作量を検出する入力センサが設けられており、検出した動作信号（例えばアナログ信号）をコントローラ４５に供給する。

トリガレバー３２は、ブリッジ２８のややＹ２方向側に設けられたレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。トリガレバー３２は、アクチュエータブロック３０に対して第１リンク６４及び第２リンク６６（図５参照）によって接続されており、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。第１リンク６４はブリッジ２８の一部に対して軸支されて揺動可能であり、下端にトリガレバー３２が設けられている。第２リンク６６は、アクチュエータブロック３０からＺ２方向に突出し、第１リンク６４の長孔６４ａに係合し、トリガレバー３２の操作によって長孔６４ａの長尺方向に進退可能である。

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（姿勢軸アクチュエータ）４０及び４１及びグリッパ操作量補正部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。モータ４０及び４１は、先端動作部１２のロール方向及びヨー方向の動作に対応し、グリッパ操作量補正部４２はエンドエフェクタ１０４の開閉動作に対応する。モータ４０、４１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。モータ４０、４１は、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。

モータ４０、４１には、回転角度を検出することのできる角度センサが設けられており、検出した角度信号はコントローラ４５に供給される。角度センサとしては、例えばロータリエンコーダが用いられる。

アクチュエータブロック３０には、モータ４０、４１の駆動軸に接続されているプーリ５０ａ及び５０ｂと、グリッパ駆動機構の一部であるプーリ５０ｃ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５４及びワイヤ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４参照）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。

操作部１４における複合入力部３４、トリガレバー３２の位置、形態や操作方法などは、本構成に限定されない。例えば、複合入力部３４の代わりに、操作ローラやボタン、ジョイスティックなどを設けてもよく、操作しやすい位置や方法を適宜選択して設計すればよい。

トリガレバー３２の人手による操作は機械的に伝達されてエンドエフェクタ１０４の開閉が行われる。トリガレバー３２とエンドエフェクタ１０４との間で、人手による操作を機械的に伝達する手段である第１リンク６４、第２リンク６６、グリッパ操作量補正部４２、プーリ５０ｃ及びワイヤ５６等は操作伝達部を形成している。ここで機械的とはワイヤ、チェーン、タイミングベルト、リンク、ロッド、ギア等を介して駆動する方式であり、主に、動力伝達方向に非弾性な個体の機械部品を介して駆動する方式である。ワイヤやチェーン等は、張力により不可避的な多少の伸びが発生する場合があるが、これらは非弾性な個体の機械部品とする。

図３及び図４に示すように、先端動作部１２は、ワイヤ受動部１００と、複合機構部１０２と、エンドエフェクタ１０４とを有する。なお、図１においては、エンドエフェクタ１０４が両開き型として示したが、図３及び図４では片開き型を例にして説明する。エンドエフェクタ１０４は片開き型、両開き型又はその他の型であってもよいことはもちろんである。

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。

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Ｏｒ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（つまりエンドエフェクタ１０４）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。

第１自由度の機構（つまりヨー方向）は、例えば±９０°又はそれ以上の稼動範囲を有する。第２自由度の機構（つまりロール方向）は、例えば±１８０°又はそれ以上の稼動範囲を有する。第３自由度の機構（つまりエンドエフェクタ１０４）は、例えば４０°又はそれ以上開くことができる。

エンドエフェクタ１０４は、手術において実際の作業を行う部分であり、第１回転軸Ｏｙ及び第２回転軸Ｏｒは、作業を行い易いようにエンドエフェクタ１０４の姿勢を変えるためのものである。一般に、エンドエフェクタ１０４を開閉させる第３自由度に係る機構部はグリッパ（又はグリッパ軸）とも呼ばれ、ヨー方向に回動する第１自由度に係る機構部はヨー軸とも呼ばれ、ロール方向に回動する第２自由度に係る機構部はロール軸とも呼ばれる。

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のそれぞれの往復動作を回転動作に変換して複合機構部１０２に伝達する部分である。ワイヤ受動部１００は、軸孔６０ａ、６０ａに挿入される軸１１０と、軸孔６０ｂ、６０ｂに挿入される軸（直交軸）１１２と、軸１１０に対して回転自在に軸支される歯車体１１４とを有する。軸１１０及び１１２は、軸孔６０ａ、６０ｂに対して、例えば圧入若しくは溶接により固定される。軸１１２は第１回転軸Ｏｙの軸上に配置される。

歯車体１１４は、筒体１１６と、該筒体１１６のＹ１方向部に同心状に設けられた歯車１１８とを有する。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１１８のＹ１方向面には、軸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、歯車１１８のＹ１方向面がＹ１方向の舌片部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。

複合機構部１０２は、エンドエフェクタ１０４の開閉動作機構と、該エンドエフェクタ１０４の姿勢を変化させる複合的な機構部である。

複合機構部１０２は、Ｙ１方向からＹ２方向に向かって順に、軸１１２に対して回転自在に軸支される歯車体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歯車１３４とを有する。歯車１３４は歯車１１８と同じ厚さで、該歯車１１８と噛合するように設定されている。歯車１１８、歯車１３４、歯車１３８は同じ歯数である。歯車１３４の歯数を歯車１１８よりも多くすると、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。歯車１３４の上面には、軸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、歯車１３４のＹ１方向面がＹ１方向の舌片部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Ｘ方向に反転に配置されている。歯車体１３０は、筒体１３６と、該筒体１３６のＹ２方向部に同心状に設けられた歯車１３８とを有する。筒体１３６は筒体１３２と略同径、同形状である。歯車１３８は、歯車１３４よりも歯数をやや少なくすることができる。

主軸部材１２８は、軸１１２が挿通する筒体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Ｘ方向の２つの保護板１７１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が挿通可能な孔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。

保護板１７１はＺ２方向が略９０°の円弧形状であり、Ｚ１方向に向かって拡開しており、平面視で略山形となっている。

主軸部材１２８は、ワイヤ５２の往復動作に伴って第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、軸１１２を軸として積層配置されており、一対の舌片部５８の間にほぼ隙間なく設けられている。

筒体１１６、１３６及び１４０のＺ２方向の側の面には、ワイヤ固定機構１２０が設けられており、ワイヤ５６、５２及び５４を固定している。

複合機構部１０２は、さらに駆動ベース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、径方向に露呈している（図４参照）。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Ｘ方向両端から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、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に噛合する歯車１７４と、該歯車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、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、複合機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４の各部品を保護するためのものであって、歯車リング１５２、歯車１７４等を覆う。カバー１６０は、Ｚ２方向の筒１８０と、該筒１８０のＸ方向両側方からＺ１方向に向かって突出している一対の片１８２とを有する。片１８２は、筒１８０の周壁の一部が緩やかな円錐状にＺ１方向に延在している形状である。カバー１６０のＹ２方向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は正面視で連結シャフト４８と同径又は小径に設定されている。

カバー１６０は、複合機構部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。

このようなカバー１６０によれば、作業部としての複合機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４に異物（生体組織、薬剤、糸等）が入り込むことが防止される。

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、Ｘ方向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Ｚ２方向端部にそれぞれ設けられた孔２００ｂと、サイドウォール２００のＺ１方向のＹ２方向端部からＺ１に突出した第１グリッパ２０２と、サイドウォール２００のＺ２方向のＹ２方向端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、Ｚ２方向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Ｚ２方向端部に対する干渉を防止する孔が設けられている。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の左右のＺ２方向端部からさらに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Ｘ方向に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Ｘ方向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。

なお、先端動作部１２におけるヨー軸とピッチ軸の違いは、初期姿勢や操作部との相対的な姿勢であるため、ヨー軸をピッチ軸に置き換えることもできる。したがって、先端動作部１２はヨー軸とピッチ軸を有する構成でもよい。

先端動作部１２の各軸は、干渉機構となっており、アクチュエータブロック３０のプーリ５０ａ〜５０ｃの回転角度と姿勢軸の回転角度は、個々に独立していない。姿勢制御アクチュエータのヨー軸用の回転角度をθ₁（つまり、プーリ５０ａの回転角度）、ロール軸用の回転角度をθ₂（つまり、プーリ５０ｂの回転角度）、エンドエフェクタ１０４の駆動側の回転角度をθ₃（つまりプーリ５０ｃの回転角度）、姿勢軸ヨー軸の回転角度をθ_y、ロール軸の回転角度をθ_r、エンドエフェクタ１０４の開閉角度θ_gとする。開閉角度θ_gに対応した歯車体１２６の回転角度をθ_g’とする。同様にトルクに関しては、回転角度の「θ」を「τ」に変えて表す、簡単のため各減速比を１とすると、アクチュエータないし駆動部側の回転角と姿勢軸の回転角の関係、トルクの関係（機構干渉行列）は、式（１）、式（２）のように表すことができる。

例えば、姿勢軸θ_yを動作させる場合は、姿勢制御アクチュエータヨー軸用を角度θ₁駆動するだけでなく、θ₂＝θ₁、θ₃＝−θ₁駆動する必要がある。また、姿勢軸θ_rを動作させる場合は、姿勢制御アクチュエータロール軸用を角度θ₂駆動するだけでなく、θ₃＝−θ₁駆動する必要がある。

次に、グリッパ操作量補正部４２について図５を参照しながら説明する。

グリッパ操作量補正部４２は、ベース板３００と、一対のレール３０２と、スライド板３０４と、補正モータ３０６と、プッシュロッド３０８とを有する。

ベース板３００は、アクチュエータブロック３０に固定されている。一対のレール３０２は、ベース板３００に設けられＺ方向に平行に設けられている。スライド板３０４は、レール３０２によってガイドされてＺ方向に移動可能である。スライド板３０４は弱いばね３１０によりＺ１方向に付勢されており、トリガレバー３２による操作がないときにはＺ１方向に偏位している。設計条件によってはばね３１０を省略または逆方向すなわちＺ２方向に付勢させるように配置してもよい。

補正モータ３０６は、スライド板３０４に固定されており、回転軸はＺ方向を指向している。プッシュロッド３０８は、略中央部がスプライン筒３１２によって支持されてＺ方向に進退可能に設けられており、Ｚ１方向端部にはラック３１４が設けられ、Ｚ２方向端部にはねじ部３１６が設けられている。基本状態において、プッシュロッド３０８はスプライン筒３１２を基準にして長さＬになっている。スプライン筒３１２はスライド板３０４に固定されている。補正モータ３０６の回転軸とねじ部３１６との間にはベルト・プーリ機構３１８が設けられており、補正モータ３０６の回転が該ベルト・プーリ機構３１８を介してねじ部３１６に螺合しているナット体３２０に伝達される。ラック３１４は、プーリ５０ｃに設けられたピニオン３２２に噛合している。

このような構成のグリッパ操作量補正部４２を備えるマニピュレータ１０では、トリガレバー３２を操作しないときには、スライド板３０４はばね３１０の作用によって矢印Ｚ１方向に偏位しており、エンドエフェクタ１０４は開いている。

図６に示すように、人手によりトリガレバー３２を十分に引くと、ばね３１０が圧縮されてスライド板３０４がＺ２方向に偏位し、ラック３１４がピニオン３２２及びプーリ５０ｃを回転させることによりワイヤ５６が移動してエンドエフェクタ１０４を閉じさせることができる。このとき、補正モータ３０６をサーボロック状態とすることで、人手によるトリガレバー３２の操作量および操作力を、機械的にエンドエフェクタ軸へ伝達することができる。グリッパ操作量補正部４２には、トリガレバー３２の操作量及び操作力を伝達するための機械的なロック機構が設けられていてもよい。

図７に示すように、人手によりトリガレバー３２をある程度引いたときに、エンドエフェクタ１０４が被把持物（手術器具や生体組織等）Ｗを把持すると、エンドエフェクタ１０４、歯車体１１４及びワイヤ５６はそれ以上はあまり動かなくなる。つまり、受動ワイヤ２５２等の弾性変形分及び対象物Ｗの弾性変形分に相当する量しか動かなくなる。これにより、スライド板３０４、第２リンク６６及びトリガレバー３２もそれ以上Ｚ２方向に動かなくなり、操作者はエンドエフェクタ１０４が被把持物Ｗを把持したことを指先で知覚することができる。

また、被把持物Ｗが手術器具等の硬いものであるときには、トリガレバー３２はＺ２方向にはほとんど動かなくなり、硬いものを把持したことを知覚できるとともに、被把持物Ｗを強い力で確実に把持することができる。電磁力を介さずに人手による力を機械的且つ直接的にエンドエフェクタ１０４に伝達できるからである。仮にトリガレバー３２をモータに置き換えて、グリッパ操作量補正部４２におけるロック機構を介して、人手による力と同等の把持力を該モータによってエンドエフェクタ１０４に対して発生させようとすると、相当に大きく重いモータが必要であり、アクチュエータブロック３０に納めることが困難であるとともに、マニピュレータ１０が重量増となる。所定のロック機構によりスライド板３０４を固定して補正モータ３０６により把持力を発生させる場合にも同様である。

被把持物Ｗが生体組織等の柔らかいものであるときには、トリガレバー３２は被把持物Ｗの弾性に応じてＺ２方向にやや変位可能であり、柔らかいものを把持したことを知覚できるとともに、柔らかさの程度が分かり、しかも被把持物Ｗを把持する力を調整することができる。

さらに、マニピュレータ１０では、エンドエフェクタ１０４の閉じ方向の力だけでなく、開方向の力もトリガレバー３２に伝達される。つまり、エンドエフェクタ１０４を開く場合で開き方向に生体組織や手術器具等に当接した場合には、トリガレバー３２がＺ１方向には動かなくなる。これにより、操作者はエンドエフェクタ１０４が何かに当接したことを感知する。

マニピュレータ１０では、ワイヤや歯車等が摩耗又は劣化した場合においても、摩擦等が増加してトリガレバー３２に伝達され、これらの状態変化や駆動系の異常状態等を操作者が感知することができ、メンテナンス等の時期をより適切に判断することができる。

マニピュレータ１０では、エンドエフェクタ１０４の動作については、基本的にトリガレバー３２を介して人手によって行われることから省エネルギーである。

図８に示すように、コントローラ４５は、ヨー軸姿勢算出部５００ａと、ロール軸姿勢算出部５００ｂとを有する。ヨー軸姿勢算出部５００ａは第１入力手段３４ａの操作に基づきヨー軸角度θ_yを算出し、ロール軸姿勢算出部５００ｂは第２入力手段３４ｂの操作に基づきロール軸角度θ_rを算出する。ヨー軸姿勢算出部５００ａ及びロール軸姿勢算出部５００ｂは、例えば第１入力手段３４ａ及び第２入力手段３４ｂのプラス・マイナス方向への操作を積分することによりヨー軸角度θ_y及びロール軸角度θ_rを算出する。

また、コントローラ４５は、第１モータ回動量算出部５０２ａと、第２モータ回動量算出部５０２ｂと、第３モータ回動量算出部（演算部）５０２ｃと、第１ドライバ５０６ａと、第２ドライバ５０６ｂと、第３ドライバ５０６ｃとを有する。

なお、ヨー軸、ロール軸が差動機構によって駆動されるような場合には、第１モータ回動量算出部５０２ａはヨー軸角度θ_y、ロール軸角度θ_rに基づいてモータ４０の回動量θ₁を算出する。

第１モータ回動量算出部５０２ａはヨー軸角度θ_yに基づいてモータ４０の回動量θ₁を算出する。第２モータ回動量算出部５０２ｂはヨー軸角度θ_y、ロール軸角度θ_rに基づいてモータ４１の回動量θ₂を算出する。第３モータ回動量算出部５０２ｃはヨー軸角度θ_y及びロール軸角度θ_rに基づいて、エンドエフェクタ１０４に対する干渉量αを算出する。第３ドライバ５０６ｃは、干渉量αを補償するように補正モータ３０６を駆動する。

前記の式（１）に示したように、先端動作部１２は、機構干渉を有するため、姿勢軸を駆動する場合、エンドエフェクタ１０４を機構干渉に合わせて補正駆動する必要がある。操作者の意図に関係なくトリガレバー３２の位置が変化したり、エンドエフェクタ１０４が駆動することを防止するためである。

そこで、第３モータ回動量算出部５０２ｃでは、ヨー軸、ロール軸の動作にあわせて、機構干渉の干渉量αを補正するように、補正モータ３０６によりプーリ５０ｃを適量回転させる。これにより、ヨー軸、ロール軸が動作した場合にトリガレバー３２を一定に保持していもエンドエフェクタ１０４の姿勢を維持することができ、見かけ上、非干渉の機構になる。補正量は、ヨー軸及びロール軸の角度により決定することができるため、機構干渉行列の式（１）により簡単に求めることができる。

たとえば、前頁の機構干渉行列の式（１）で、ヨー軸がθｙの時の補正値は、式（１）にθｙ＝θｙ、θｒ＝０（ロール軸角度は０）、θｇ’＝０（グリッパ角度は０）を代入すれば求まる。すなわち、θ３＝−θｙとなるように、補正モータ３０６を駆動すればよいことになる。

ロール軸がθｒの時の補正値は、式（１）にθｙ＝０（ヨー軸角度は０）、θｒ＝θｒ、θｇ’＝０（グリッパ角度は０）を代入すれば求まる。すなわち、θ３＝−θｒとなるように、補正モータ３０６を駆動すればよいことになる。

同様に、ヨー軸がθｙ、ロール軸がθｒの時は、θ３＝−θｙ−θｒとなるように、補正モータ３０６を駆動すればよい。

なお、補正量とは基準値に対し、該基準値を補正する相対量であるが、説明の便宜上、ここでは絶対的な角度の補正値として示した。エンドエフェクタ軸補正アクチュエータ（補正モータ３０６）が、把持トルクとグリッパ操作量補正部４２の駆動トルクに対して十分なトルクを有していれば、操作者が把持力を発生している状態でも、ヨー軸及びロール軸を変化させることができる。

図９に示すように、ロール軸が一方に回転（例えば＋９０°回転）したとき、コントローラ４５では、エンドエフェクタ１０４の開度が変化しないように干渉量αを計算して補正モータ３０６を駆動し、プッシュロッド３０８を所定方向に変位させる（例えば、スプライン筒３１２を基準にして長さＬ＋βにする）。

図１０に示すように、ロール軸が他方に回転（例えば−９０°回転）したとき、コントローラ４５では、エンドエフェクタ１０４の開度が変化しないように干渉量αを計算して補正モータ３０６を駆動し、プッシュロッド３０８を所定方向に変位させる（例えば、スプライン筒３１２を基準にして長さＬ−βにする）。これにより、エンドエフェクタ１０４の開度及びトリガレバー３２の位置は変化しない。ヨー軸が変化した場合、及びロール軸とヨー軸が複合的に変化した場合も同様である。エンドエフェクタ１０４の開閉動作を行いながら、姿勢軸を変動させてもよいことはもちろんである。この場合も、姿勢軸の角度に応じて、機構干渉行列にしたがって補正量を行えばよい。

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、エンドエフェクタ１０４の開閉動作の際には、トリガレバー３２の操作力は、トリガレバー３２、グリッパ操作量補正部４２を介してラック３１４に伝えられ、ピニオン３２２がグリッパ軸を駆動するためのプーリ５０ｃにトルクを伝え、ワイヤ５６が駆動される。補正モータ３０６がサーボロック状態では、プッシュロッド３０８の伸縮動作位置は変わらないため、トリガレバー３２の操作力を機械的にエンドエフェクタ１０４に伝達させることができる。これにより、トリガレバー３２の開閉動作の力ないしトルクは、直接、機械的にエンドエフェクタ１０４に伝えられるともに、逆にエンドエフェクタ１０４の開閉に係るトルクはトリガレバー３２に伝えられるため操作者は被把持物Ｗからの反力（硬い組織、柔らかい組織）を感じ取ることができ、把持力の調整や、組織や縫合針などの持ち替えなどが容易となる。

また、姿勢軸動作時には、補正モータ３０６によりねじ部３１６を駆動し、プッシュロッド３０８を伸縮させることで、ヨー軸動作、ロール軸動作に対応した補正を行う。補正量（つまり干渉量α）は機構干渉行列にしたがって求められる。姿勢動作だけの際には、トリガレバー３２の位置を変えることなく、プッシュロッド３０８の伸縮動作で機構干渉によるエンドエフェクタ１０４の補正を行うことができる。

なお、マニピュレータ１０においては、エンドエフェクタ１０４で発生する把持トルク（例えば、図７で被把持物Ｗを強く把持するトルク）は、姿勢軸（この場合、式（２）よりロール軸）に対してトルク干渉を与える。姿勢軸の駆動系（ワイヤ５２及び５４）に十分な剛性があり、姿勢軸アクチュエータ（モータ４０及び４１）に十分なトルクがあれば特に問題ないが、十分な剛性がない場合は、姿勢軸角度に変動が生じる。すなわち、エンドエフェクタ１０４が強いトルクを発生すると、ロール軸等が動いてしまう。

この場合には、エンドエフェクタ１０４の発生するトルク（（２）式のτ_g’）に対応して、モータ４０及び４１の目標位置を補正すればよい。エンドエフェクタ１０４の発生するトルクは、補正モータ３０６の電流値等から推測することができる。または、トルクセンサなどを付加して該トルクを計測するようにしてもよい。

グリッパ操作量補正部４２では、ラック３１４及びピニオン３２２を介してプーリ５０ｃ及びワイヤ５６を駆動する例を示したが、図１１に示すように、プッシュロッド３０８の先端をターミナル３４０でワイヤ５６に固定することにより、プッシュロッド３０８でワイヤ５６を直接的に駆動させてもよい。リンクや歯車等により操作者の操作力又はストロークを加減する構成にしてもよい。

なお、本実施例では、トリガレバー３２（第１リンク６４）の回転動作を、一旦、第２アームの直線動作に変換し、プッシュロッド３０８の伸縮動作で補正を行い、ラック・ピニオンでプーリ５０ｃを駆動している。これ以外の補正の駆動方法としては、例えばトリガレバー３２の回転動作とプーリ５０ｃの回転動作の間に、回転動作で回転角度による補正を行ってもよい。

エンドエフェクタとしては、グリッパ形式に限らず、はさみや開閉部を有する回転電極等を適用してもよい。

次に、前記の先端動作部１２（図３及び図４参照）の変形例に係る先端動作部１２ａについて説明する。先端動作部１２ａについて前記の先端動作部１２と同じ箇所については、同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１２に示すように、先端動作部１２ａでは、軸１１２に対してＹ１方向からＹ２方向に向かって順に、歯車体１２６、歯車体１３０及び主軸部材１２８が配設されている。歯車体１３０は、歯車体１２６と同じ向きである。歯車リング１５２は段付き形状となっており、Ｚ２方向の面に設けられたフェイスギア１７０はＺ１方向の面に設けられたフェイスギア１７２と同径である。

フェイスギア１７０が歯車１３４に噛合することにより歯車リング１５２が歯車体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こと、及び、フェイスギア１６８が歯車１３８に噛合することにより駆動ベース１５０が筒体１３６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ことは、前記の先端動作部１２の機構と同じである。このような噛合関係が適切に維持されるように、歯車体１２６、歯車体１３０及び主軸部材１２８の高さがそれぞれ設定されている。

なお、先端動作部１２ａの斜視図は、歯車配置以外は先端動作部１２の斜視図（図３参照）と等しいことから図示を省略する。

先端動作部１２ａは、前記の先端動作部１２と同様にマニピュレータ１０に好適に適用され、コントローラ４５による制御が可能である。

先端動作部１２ａの各軸は、干渉機構となっており、アクチュエータブロック３０のプーリ５０ａ〜５０ｃの回転角度と姿勢軸の回転角度は、個々に独立していない。先端動作部１２ａにおける前記の式（１）、式（２）に相当するトルクの関係（機構干渉行列）は、式（３）、式（４）のように表すことができる。ただし、簡単のため各減速比を１とする。

したがって、先端動作部１２ａを適用する場合には、コントローラ４５ではこれらの式に基づいて、エンドエフェクタ１０４を機構干渉に合わせて補正駆動すればよい。

なお、マニピュレータ１０及び先端動作部１２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、医療用以外の産業用にも適用できる。例えば、本実施の形態に係るマニピュレータシステムは、エネルギー機器やエネルギー施設などの狭隘部や人が直接作業することのできない場所で、把持感覚や強い把持力を必要とする補修作業やメンテナンス作業を行うロボット、マニピュレータ及び先端動作部に適用することで、同様の効果が得られることはもちろんである。

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。

マニピュレータシステム及びマニピュレータの側面図である。 マニピュレータシステム及びマニピュレータの平面図である。 マニピュレータにおける先端動作部の斜視図である。 マニピュレータにおける先端動作部の分解斜視図である。 トリガレバーを操作しないときのグリッパ操作量補正部の側面図である。 トリガレバーを十分にひいたときのグリッパ操作量補正部の側面図である。 トリガレバーを中間位置までひいたときのグリッパ操作量補正部の側面図である。 コントローラのブロック構成図である。 ロール軸を一方向へ動作させたときのグリッパ操作量補正部の側面図である。 ロール軸を他方向へ動作させたときのグリッパ操作量補正部の側面図である。 変形例に係るグリッパ操作量補正部の側面図である。 変形例に係る先端動作部の分解斜視図である。

符号の説明

１０…マニピュレータ １２、１２ａ…先端動作部
１４…操作部 １６…作業部
２６…グリップハンドル ３０…アクチュエータブロック
３２…トリガレバー ４０、４１…モータ（姿勢軸アクチュエータ）
４２…グリッパ操作量補正部 ４５…コントローラ
４８…連結シャフト ５０ａ〜５０ｃ…プーリ
５２、５４、５６…ワイヤ １０４…エンドエフェクタ
２０２、２１２…グリッパ ３００…ベース板
３０２…レール ３０４…スライド板
３０６…補正モータ ３０８…プッシュロッド
３１２…スプライン筒 ３１４…ラック
３１８…ベルト・プーリ機構 ３２２…ピニオン
５００…マニピュレータシステム

Claims (4)

1. マニピュレータ及び該マニピュレータを制御するコントローラを含むマニピュレータシステムにおいて、
   人手によって操作する入力部を含む操作部と、
   エンドエフェクタ軸、及び該エンドエフェクタ軸の向きを変える１以上の姿勢軸を含む先端動作部と、
   前記操作部と前記先端動作部を連結する連結部と、
   前記姿勢軸を駆動する姿勢軸アクチュエータと、
   前記入力部の人手による操作を機械的に伝達して、前記エンドエフェクタ軸を駆動する操作伝達部と、
   前記操作伝達部の途中に設けられ、前記入力部の人手による操作の操作量を補正する操作量補正部と、
   を有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、
   前記エンドエフェクタ軸は前記姿勢軸の姿勢角度によって駆動量が変化する干渉構成であって、
   前記コントローラは、前記姿勢軸の姿勢角度による前記エンドエフェクタ軸の干渉量を演算する演算部を有し、
   前記操作量補正部は、前記コントローラの作用下に、前記干渉量を補償するように前記操作量を補正することを特徴とするマニピュレータシステム。
3. 請求項１又は２記載のマニピュレータシステムにおいて、
   前記操作伝達部は回転体を含み、
   前記操作量補正部は前記回転体を回転させて操作量を補正することを特徴とするマニピュレータシステム。
4. 請求項１又は２記載のマニピュレータシステムにおいて、
   前記操作伝達部は線体を含み、
   前記操作量補正部は前記線体を移動させて操作量を補正することを特徴とするマニピュレータシステム。

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