JP2010046384A - 医療用マニピュレータ及び実験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性部材の張力を簡便且つ適切に判断する。
【解決手段】医療用マニピュレータ１０は、モータ４０ａ〜４０ｃを備えたアクチュエータブロック３０と、アクチュエータブロック３０に着脱自在でモータ４０ａ〜４０ｃに接続されるプーリ５０ａ〜５０ｃを備える接続部１５と、接続部１５から延在する連結シャフト４８の先端に設けられ、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを介してプーリ５０ａ〜５０ｃに連動する先端動作部１２と、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの途中に介装され、歪みゲージ４０４ａが設けられた張力検出片４００とを有する。張力検出片４００は、連結シャフト４８の延在方向に長尺な板体であり、長尺方向両端部にワイヤ５４ａ〜５４ｃをかけるフック４０６を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、制御部からモータを駆動することにより、可撓性部材を介して連結シャフトの先端に設けられた先端動作部を駆動する医療用マニピュレータ及び該医療用マニピュレータを開発するための実験装置に関する。

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ないため、自由度が小さく、先端動作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）。特許文献１に記載のマニピュレータは、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。このような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り、また、作業部の種類を交換することにより種々の手技に対応することができる。

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）。

特開２００４−１０５４５１号公報 米国特許第６３３１１８１号明細書

上記のように、医療用マニピュレータにおける作業部は操作部に対して交換自在に構成されることがある。これにより、手技に応じた種々の型式のものを装着することができ、手技の終了後には作業部だけを洗浄することができ、さらには、作業部だけを定期的に新しい物に交換して十分な信頼性を確保することができる。すなわち、操作部は多くの電気部品が設けられていて比較的コスト高であって可及的に長く使用可能であることが望ましいが、作業部については弱電部品がなく廉価であり、しかも体腔内で先端動作部が動作をして負荷を受けることから機械的寿命や、蒸気及び熱による洗浄時のダメージ等を考慮して適度な時期に新しい物に交換することが望ましいのである。このように、作業部は定期的に新しい物に交換することが前提となっており、適度な寿命があればよいのであって、過度に高強度である必要はない。

一方、作業部は、アクチュエータ部に接続する接続部と、該接続部から延在する連結シャフトとを有しており、先端動作部は該連結シャフトの先端に設けられ、接続部のプーリに巻き掛けられた複数のワイヤ等の可撓性部材に連動する。これらの可撓性部材は、往復動作に応じてプーリに巻きかけられる円弧状態と、プーリから離間した直線状態とを繰り返すことになり、繰り返しの曲げ応力を受けることから、作業部の構成要素の中でも寿命が比較的短くなり、特に張力による寿命の影響が大きい。

従って、作業部の寿命を決定又は管理する上で、これらの可撓性部材の張力を考慮することが好適である。また、ワイヤの張力検出は、製品レベルだけでなく、製品開発段階においても動作状況に応じたワイヤの張力を検査しておくことが望ましい。

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、着脱可能な作業部における可撓性部材の張力を簡便且つ適切に検出することのできる医療用マニピュレータ及び該医療用マニピュレータを開発するための実験装置を提供することを目的とする。

本発明に係る医療用マニピュレータは、モータを備えたアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される回転体を備える接続部と、前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられ、可撓性部材を介して前記回転体に連動する先端動作部と、前記可撓性部材の途中に介装され、歪みセンサが設けられた張力検出片とを有することを特徴とする。

このような張力検出片を設けることにより、作業部における可撓性部材の張力を簡便且つ適切に検出することができる。

前記張力検出片は、前記連結シャフトの延在方向に長尺な板体であってもよい。このような板体は、可撓性部材の動作の支障にならず、しかも適度な剛性があって歪みセンサを設けやすく、張力を正確に検出することができる。

前記歪みセンサは、前記張力検出片の表裏にそれぞれ設けられていてもよい。これにより、張力検出片が屈曲することによる張力検出の影響を低減することができる。

前記張力検出片は、長尺方向両端部に前記可撓性部材をかけるフックを設けることにより、可撓性部材が取り付けやすい。

前記張力検出片は、ニッケル基合金、ステンレス鋼、又は焼入鋼であると、十分な強度があって、張力検出に適する。

前記可撓性部材は、前記先端動作部の先端回転体に巻き掛けられて、前記連結シャフト内で往復の２線が略平行して設けられ、前記張力検出片は、往復の２線にそれぞれ設けられていてもよい。これにより、先端動作部がいずれの方向に動作する場合にも可撓性部材の張力を適切に検出することができる。

前記歪みセンサから供給される信号に基づいて前記可撓性部材の張力を求め、前記張力が所定閾値を超えたときに所定の警報を発生させ、又は前記張力が所定閾値を超えないように前記モータの駆動力を調整する制御部を有してもよい。これにより、可撓性部材に過度に張力がかかることを防止できる。

前記歪みセンサから供給される信号に基づいて前記可撓性部材の張力を求め、前記張力が所定閾値を下回るときに所定の警報を発生させる制御部を有してもよい。

前記可撓性部材は、ワイヤであってもよい。

本発明に係る実験装置は、モータの回転軸に接続される基端回転体と、前記アクチュエータ部から離れた位置に設けられた先端回転体と、前記基端回転体と前記先端回転体とに巻き掛けられた往復２線の可撓性部材と、前記可撓性部材の往復の２線の途中にそれぞれ介装され、歪みセンサが設けられた張力検出片と、前記基端回転体と前記先端回転体との相対距離を調整する距離調整部と、前記距離調整部に設けられ、前記基端回転体と前記先端回転体との間に加えられる力を検出する荷重センサとを有することを特徴とする。

このような構成によれば、可撓性部材に対する張力を調整して、該可撓性部材の動作確認をすることができる。張力検出片は可撓性部材の途中に適正に挿入され、該可撓性部材の動作にほとんど影響を与えることなく張力を検出することができる。

本発明に係る医療用マニピュレータ及び実験装置では、張力検出片を設けることにより、作業部における可撓性部材の張力を簡便且つ適切に検出することができる。

以下、本発明に係る医療用マニピュレータ及び実験装置について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図９を参照しながら説明する。

図１、図２及び図３に示すように、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ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。

医療用マニピュレータ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とを備え、操作部１４に対してコネクタ２４を介して着脱自在なコントローラ（制御部）２７を有するマニピュレータシステムとして構成されている。

医療用マニピュレータ１０は、基本構成として操作部１４と作業部１６とを有しており、コントローラ２７は当該医療用マニピュレータ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６２に対してコネクタ２４を介して接続されている。制御部であるコントローラ２７の機能の一部又は全部を、例えば操作部１４に一体的に搭載することもできる。

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医療用マニピュレータ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、医療用マニピュレータ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。

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。

次に、操作部１４について詳細に説明する。

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。

接続部１５は、左右側面の係合片２００と、上下面に開口する３つの嵌合孔２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃとを有する。３つの嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃは、Ｚ１方向及びＺ２方向の端部近傍に設けられており、Ｙ方向に延在する孔である。

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（ＤＣモータ）４０ａ、４０ｂ及び４０ｃがＺ方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ４０ａ〜４０ｃは、操作部１４の操作に基づき、コントローラ２７の作用下に回転をする。モータ４０ａ〜４０ｃ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４０ａ〜４０ｃには、減速機４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが内蔵されている。減速機４２ａ〜４２ｃは、例えば遊星式であり、減速比は１：１００〜１：３００程度である。

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。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４０ａ〜４０ｃを格納する場所に限定されず、ブリッジ２８との接続面３０ａ（図３参照）を含む。

モータ４０ａ〜４０ｃには、回転角度を検出することのできるロータリ式のエンコーダ４４ａ、４４ｂ、４４ｃが設けられており、検出した角度信号はコントローラ２７に供給される。

図２及び図３に示すように、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。ＬＥＤ２９は、医療用マニピュレータ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。

グリップハンドル２６の下端には、コントローラ２７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。

作動スイッチ３５は、医療用マニピュレータ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、医療用マニピュレータ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。

この場合、コントローラ２７は、作動スイッチ３５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４０ａ〜４０ｃ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。動作モードは、操作部１４の操作指令を有効にしてモータ４０ａ〜４０ｃ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４０ａ〜４０ｃを停止させるモードである。これらのモード及び動作はコントローラ２７によって区別されて制御され、ＬＥＤ２９の点灯状態が切り換えられる。

すなわち、ＬＥＤ２９は、動作モードのときに緑に点灯、停止モードのときに赤に点灯し、動作モードから停止モードに移る自動原点復帰モードのときには赤の点滅をする。

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６０（図１及び図５参照）に開閉指令を与える入力手段である。

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、検出した動作信号をコントローラ２７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。アーム９８はグリップハンドル２６内で入力センサ３９ｃに接続されており、トリガーレバー３２の進退量が該入力センサ３９ｃによって計測されてコントローラ２７に供給される。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。

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であるＬＥＤ１０７ａと受光器であるフォトダイオード１０７ｂとからなるフォトインタラプタの構成とされており、該ＬＥＤ１０７ａと該フォトダイオード１０７ｂとの間に接続部１５の後端の遮光片１０９（図２参照）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。ＬＥＤ１０７ａとフォトダイオード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。

上面３０ｂには、さらに、コントローラ２７に接続され、Ｙ１方向を指向するコネクタ１１１が設けられている。

アクチュエータブロック３０には、さらに作業部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２１２ａ、２１２ｂ及び２１２ｃとが設けられる。

２つの係合部２１０は、アクチュエータブロック３０の左右側面（Ｘ１及びＸ２側面）で対称位置に設けられており、操作面２０４と、該操作面２０４からＹ１方向に延在するレバー２０６とを有する。レバー２０６はアクチュエータブロック３０の上面よりもＹ１方向に向かってやや突出しており、先端内側がテーパ形状になっている。係合部２１０は、図示しない弾性部材によってレバー２０６が内側に向かう方向に弾性付勢されている。

アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃに対向する位置で、アクチュエータブロック３０の上面におけるＺ１方向端の近傍に２本、Ｚ２方向端の近傍に１本設けられ、それぞれＹ１方向に延在している。Ｚ１方向端の近傍に２本のアライメントピン２１２ａ、２１２ｂがＸ方向に並んで設けられている。

このように、アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃ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。また、３本のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは直線状配列ではないため、いずれの方向のねじれに対しても、接続部１５を安定して保持することができる。アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、このうち２本以上設けられていれば、接続部１５は確実に位置決めがなされて、安定して保持される。この場合、Ｚ方向に離間した２本を選択すると一層安定する。

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３０ｂの３本のアライメントピン２１２が、プーリ収納体３００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。

操作部１４の接続面３０ａには、接続された作業部１６のＩＤ部１０４（図４参照）のＱＲコードを読み取ってコントローラ２７に供給するカメラ１０６と、接続された作業部１６のＩＤ部１０４を照明するための２つのＬＥＤ１０５が設けられている。カメラ１０６は、作業部１６のＩＤ部１０４を臨む位置に取り付けられており、該カメラ１０６の左右にＬＥＤ１０５が設けられている。ここで、ＩＤ部１０４のＩＤ（識別符号）の読取器としては、カメラ１０６に代替してバーコードリーダー、バーコードスキャナを用いることができる。

操作部１４は多くの電気部品が設けられていて、作業部１６と比較してコスト高であるが長寿命である。

次に、作業部１６について詳細に説明する。作業部１６は、手技の終了後には操作部１４から取り外されて洗浄することができ、さらには、作業部１６だけを定期的に新しい物に交換して十分な信頼性を確保することができる。作業部１６は弱電部品がなく廉価であり、しかも体腔２２内で先端動作部１２が動作をして負荷を受けることから機械的寿命や、蒸気及び熱の洗浄によるダメージ等を考慮して適度な時期に新しい物に交換することになっている。総合的な寿命を考慮して、製造者によって作業部１６の使用制限回数が設定され、医療従事者は作業部１６毎の使用回数のカウント及び管理を行い、基本的には使用制限回数に達したらその作業部１６は規定の手順に基づいて処分する。

図１、図２及び図４に示すように、作業部１６の接続部１５は、樹脂のカバー３７に覆われており、モータ４０ａ〜４０ｃの駆動軸に接続されて従動回転されるプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃをそれぞれ回転自在に保持している。プーリ５０ａ〜５０ｃは、プーリ収納体３００に収納されている。

プーリ５０ａ〜５０ｃには、ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃ（図５、図６、図７参照）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。ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、プーリ５０ａ〜５０ｃ（及び５７ａ〜５７ｃ）に対して滑りが生じないように一部が固定されている。ワイヤ５４ａ〜５４ｃは同種、同径のものを用いることができる。

接続部１５を構成するプーリ５０ａ〜５０ｃのＹ２方向下端にはそれぞれ十字状の結合凸部５１ａ、５１ｂ及び５１ｃが設けられ、アクチュエータブロック３０を構成するモータ４０ａ〜４０ｃの回転軸には十字状の結合凹部４１ａ、４１ｂ及び４１ｃが設けられている。結合凸部５１ａ〜５１ｃと結合凹部４１ａ〜４１ｃとは互いに係合可能であり、すなわち、アクチュエータブロック３０に接続部１５が装着された状態において、モータ４０ａ〜４０ｃの回転がプーリ５０ａ〜５０ｃに対して確実に伝達される。これらの係合部は十字形状に限られない。

図４に示すように、接続部１５における後端部近傍には、作業部１６を個体識別することのできるＩＤ（識別符号）が付けられたＩＤ部１０４が設けられている。

ＩＤ部１０４には、作業部１６毎に識別が可能なように異なる２次元バーコードであるＱＲコードが付けられている。ＩＤ部１０４のＱＲコードには、作業部１６のそれぞれに対応した型式、仕様、シリアルナンバーの他、製造所、製造日、商品名、等の各種情報が含まれる。

プーリ収納体３００の側面下方部には、後述する歪みゲージ４０４ａ、４０４ｂに接続され、Ｙ２方向を指向するコネクタ１１３が設けられている。コネクタ１１３と前記のコネクタ１１１は、接続部１５のアクチュエータブロック３０に対する装着動作によって互いに嵌合して、歪みゲージ４０４ａ、４０４ｂの信号をコントローラ２７に伝達することができる。操作者は、接続部１５の着脱に際して、コネクタ１１１及び１１３を特に意識し、又は特別の操作をする必要はない。

図５に示すように、連結シャフト４８内を挿通したワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃは、グリッパ６０を備えた先端動作部１２の対応するプーリ（先端回転体）５７ａ、５７ｂ及び５７ｃにそれぞれ巻き掛けられている。

従って、プーリ５０ａとプーリ５７ａとの間にワイヤ５４ａが巻き掛けられた状態で当該プーリ５０ａがモータ４０ａによって回転駆動されると、その回転駆動力がワイヤ５４ａを介してプーリ５７ａへと伝達され、該プーリ５７ａを回転させる。そうすると、プーリ５７ａの回転が、例えば歯車へと順次伝達され、グリッパ６０を開閉させることができる。

図６に示すように、プーリ５０ａ〜５０ｃ、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ及びプーリ５７ａ〜５７ｃを備えた動力伝達部材により、先端動作部１２をロール方向（Ｏｒ軸回転方向）、ヨー方向（Ｏｙ軸を基準とした左右方向）及びグリッパ開閉（Ｏｇ軸を基準とした開閉）からなる３自由度の機構として構成している。３自由度の機構は、動作上の機構干渉があるため、該機構干渉を補償するようにモータ４０ａ〜４０ｃを協働させる。

モータ４０ａ〜４０ｃは、コントローラ２７の作用下に、複合入力部３４、トリガーレバー３２の動作量を検出する入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃから得られる信号に基づいて駆動される。

ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、プーリ５０ａ〜５０ｃとプーリ５７ａ〜５７ｃとの間で適度な規定の張力を持つように予め調整されて組み立てられている。また、各ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、連結シャフト４８内で往復の２線が略平行して設けられている。

また、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ（張力検出片４００の説明上、代表的にワイヤ５５とも呼ぶ。）の往復の２線の途中、略中央部にはそれぞれ張力検出片４００が介装されている。つまり、張力検出片４００は６個設けられている。張力検出片４００は、連結シャフト４８の延在方向（Ｚ方向）に長尺で小型の板体であり、それぞれ連結シャフト４８内に設けられている。６個の張力検出片４００は相互干渉を回避するため、例えば、図１に示すように、２個ずつ３組に分けて、Ｚ方向にずらして配置してもよい。

前記の通り、ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、プーリ５０ａ〜５０ｃ及び５７ａ〜５７ｃに対して滑りが生じないように一部が固定されているため、負荷がかかるときには、往復の２線のうち一方に大きな張力がかかり、他方の張力は減少する。医療用マニピュレータ１０では、往復の２線にそれぞれ張力検出片４００が設けられていることから、先端動作部１２の軸がいずれの方向に動作する場合にもワイヤ５５の張力を適切に検出することができる。

図７に示すように、張力検出片４００は、中央部の挟幅部４０２と、挟幅部４０２の表裏にそれぞれ設けられた歪みゲージ（歪みセンサ）４０４ａ、４０４ｂと、長尺方向両端部に設けられたワイヤ５５をかけるフック４０６とを有する。

張力検出片４００は、ニッケル基合金、ステンレス鋼、又は焼入鋼等の十分な強度のある材質であり、張力検出に適する。

フック４０６は、開口部及び外方端部にＣ面取りが設けられ、フック形状の凹部内のコーナ４０６ａ及びワイヤ５５の巻掛面４０６ｂは円弧状に形成され、ワイヤ５５の損傷を防止できる。コーナ４０６ａは、コーナ形状に合わせた９０°凹円弧形状であり、巻掛面４０６ｂは、表面及び裏面に対して滑らかに接続される１８０°凸円弧形状である。２つのフック４０６は開口方向が逆（Ｘ１方向及びＸ２方向）になっており、バランスがよい。

フック４０６の凹部の幅Ｗ１は、ワイヤ５５が無駄にずれることがないように適度に狭く、例えばワイヤ５５の径の１．５〜４倍に設定するとよい。張力検出片４００及びフック４０６の幅Ｗ２は、十分な強度を有するように適度に広く、且つ、連結シャフト４８内に配置するために適度に狭く、動力伝達効率を考慮して軽量にするため、例えば幅Ｗ１の１．５〜３倍に設定するとよい。同様に、張力検出片４００の厚みＵは、例えばワイヤ５５の径の１．５〜４倍に設定するとよい。

挟幅部４０２における厚みＵ及び幅Ｗ３の少なくとも一方を適度に小さく設定すると、該挟幅部４０２の伸びが相対的に大きくなり、歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂの歪みが大きくなって計測精度が向上する。

歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂは、Ｚ方向の歪みを検出可能な向きに設けられ、信号線４０８はコネクタ１１３に接続されている。歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂは、張力検出片４００の表裏にそれぞれ設けられていることから、該張力検出片４００が屈曲することによる張力検出の影響を低減することができる。図７から明らかなように、歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂは、両端のワイヤ５５を結ぶ直線状に配置されている。

歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂの信号は、独立的に計測した後に計算上で張力検出片４００の屈曲の影響を補正すればよい。また、歪みゲージ４０４ａと歪みゲージ４０４ｂを直列又は並列に接続して、見かけ上１つのセンサとして計測をしてもよい。これにより、接続される増幅器が少なくて済み、計算処理も簡便になる。

ワイヤ５５は、端部４０９が折り返されてスリーブ状の固定具４１０をかしめてワイヤ５５の所定位置に固定することにより、輪４１２が形成されており、該輪４１２がフック４０６に掛けられている。輪４１２を形成する手段は、固定具４１０に限らず、溶接やねじ止め等でもよい。フック４０６の表面及び裏面の形状は、輪４１２に合わせて断面雫形状としてもよい。ワイヤ５５は、張力検出片４００の両端部のフック４０６にそれぞれ同態様で掛けられている。

コントローラ２７は、歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂから供給される信号を所定の増幅器で増幅し、所定の補正等を行ってワイヤ５５の張力Ｔを求め、張力Ｔが閾値Ｔ１を超えたときに警報（音声、音響及びランプ等）を発生させ、又は張力Ｔが閾値Ｔ１を超えないようにモータ４０ａ〜４０ｃの駆動力を調整する。これにより、ワイヤ５５に過度に張力Ｔがかかることを防止できる。

また、コントローラ２７は、歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂから供給される信号に基づいてワイヤ５５の張力を求め、張力Ｔが閾値Ｔ２を下回るときに警報を発生させる。これは、ワイヤ５５に何らかの異常が発生していると考えられるからである。ただし、ワイヤ５５の往復の２線のうち、動作状況に応じて張力が低くなる側で張力Ｔが閾値Ｔ２を下回ることは許容され、警報を発生しない。閾値Ｔ２は、ワイヤ５４ａ〜５４ｃに対して組み立て時に予め調整されて加えられた初期規定張力よりやや小さい値に設定しておくとよい。

次に、このように構成される医療用マニピュレータ１０で、ワイヤ５５の張力Ｔを検出して対応の処理をする手順について説明する。以下の説明では、ワイヤ５５の往復の２線のうち一方の張力をＴａ、他方の張力をＴｂ（図６参照）として区別する。また、ワイヤ５４ａ〜５４ｂについては基本的には同じ処理をすることから、代表的にワイヤ５５として説明する。

先ず、図８のステップＳ１において、張力検出片４００の表裏に設けられた歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂの増幅後の信号を所定の方法によって補正処理（例えば平均処理）し、張力Ｔａ及びＴｂを求める。前記の通り、２つの歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂは直列又は並列に接続しておいてもよい。

ステップＳ２において、張力Ｔａ及びＴｂと閾値Ｔ１とを比較し、Ｔａ＞Ｔ１又はＴｂ＞Ｔ１であればステップＳ３へ移り、それ以外のときにはステップＳ５へ移る。

ステップＳ３においては、張力Ｔａ又は張力Ｔｂが過大であることから、警報を発生させる。このステップＳ３により、操作者はワイヤ５５に過度に張力がかかっていることを認識し、所定の操作によって張力を下げさせることができる。

ステップＳ４において、対応するモータ４０ａ〜４０ｃのいずれか１つの駆動トルクを適度に下げる。これは、位置制御をしている場合には目標位置を下げ、トルク制御をしているときには目標トルクを下げればよい。この後、ステップＳ１へ戻って手順を繰り返す。このステップＳ４の繰り返しにより、張力が閾値Ｔ１を超えないようにモータ４０ａ〜４０ｃの駆動力を調整がなされ、ワイヤ５５に過度に張力がかかることを防止できる。設計条件によりステップＳ３及びステップＳ４は、いずれか一方を省略してもよい。

ステップＳ５において、その時点の動作状況を認識し、ワイヤ５５の往復する２線のうちいずれの張力が大きくなるか判断し、張力Ｔａが大きくなる場合にはステップＳ６へ移り、張力Ｔｂが大きくなる場合にはステップＳ７へ移る。

ステップＳ６においては、張力Ｔａと閾値Ｔ２とを比較し、Ｔａ＜Ｔ２であればステップＳ８に移り、それ以外のときにはステップＳ１へ戻る。

ステップＳ７においては、張力Ｔｂと閾値Ｔ２とを比較し、Ｔｂ＜Ｔ２であればステップＳ８に移り、それ以外のときにはステップＳ１へ戻る。

ステップＳ８においては、ワイヤ５５の張力が小さすぎるために警報を発生させる。

上述したように、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０によれば、ワイヤ５５の途中に張力検出片４００を設けることにより、作業部１６におけるワイヤ５５の張力Ｔを簡便且つ適切に検出することができる。

特に、医療用マニピュレータ１０では、操作部１４に対して作業部１６が着脱可能であって、該作業部１６の要求寿命が比較的短く、ワイヤ５４ａ〜５４ｃも比較的低寿命の仕様となっており、張力検出片４００により張力Ｔを検出して適切な対応処理をすることができて、好適である。

張力検出片４００は、Ｚ方向に長尺な板体であって、ワイヤ５５の動作の支障にならず、しかも適度な剛性があって歪みゲージ４０４ａ、４０４ｂを設けやすく、張力Ｔを正確に検出することができる。

このような、医療用マニピュレータ１０の張力検出片４００は、製品レベルだけでなく、製品開発段階においても動作状況に応じたワイヤ５５の張力Ｔを検査するために好適に用いられる。このように製品開発段階においてワイヤ５５の張力Ｔを適正に検出することにより、ワイヤ５５に必要十分とされる強度を適切に設定することができる。このようにして、製品開発段階で適切な強度を有するワイヤ５５を選定して製作された医療用マニピュレータ１０では、製品レベルにおいては張力検出片４００及びその周辺システムを省略してもよい。

上記実施形態は、例えば図９に示すような医療用ロボットシステム８００に適用してもよい。

医療用ロボットシステム８００は、多関節型のロボットアーム８０２と、コンソール８０４とを有し、作業部８０６はロボットアーム８０２の先端に接続されている。ロボットアーム８０２の先端には前記の医療用マニピュレータ１０と同様な機構を有するマニピュレータ８０８が設けられている。ロボットアーム８０２は、作業部８０６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８０４は、テーブル型、制御盤型等の構成を採り得る。

ロボットアーム８０２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８０６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８０８は、ロボットアーム８０２の先端部８１０と一体化している。マニピュレータ８０８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８１０に連結されると共に、内部にモータを収納したアクチュエータブロック８１２を有する。

ロボットアーム８０２は、コンソール８０４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８０４に設けられたジョイスティック８１４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８０４は、前記のコントローラ２７（図１参照）の機能を含んでいる。作業部８０６には、前記の先端動作部１２が設けられている。

コンソール８０４には、操作指令部としての２つのジョイスティック８１４と、モニタ８１６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８１４により、２台のロボットアーム８０２を個別に操作が可能である。２つのジョイスティック８１４は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ８１６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８１４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８０２を動かすことができる。ジョイスティック８１４はマスターアームであってもよい。ロボットアーム８０２とコンソール８０４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。

次に、医療用マニピュレータ１０の開発段階で使用される実験装置９００について説明する。実験装置９００は医療用マニピュレータ１０のワイヤ５４ａ〜５４ｃの選定やその適切な張力を調べるための実験装置である。実験装置９００について医療用マニピュレータ１０と同じ構成要素については同符号を付してその詳細な説明を省略する。

実験装置９００は、所定のベンチに固定されており、モータ４０ａ〜４０ｃと、該モータ４０ａ〜４０ｃの回転軸に接続される基端回転体としてのプーリ５０ａ〜５０ｃと、アクチュエータブロック３０から離れた位置に並列された３つの先端回転体としてのプーリ５７ａ〜５７ｃと、プーリ５０ａ〜５０ｃとプーリ５７ａ〜５７ｃ先端回転体とに巻き掛けられた往復２線のワイヤ５４ａ〜５４ｃと、該ワイヤ５４ａ〜５４ｃの往復の２線の途中にそれぞれ介装され、歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂ（図７参照）が設けられた６個の張力検出片４００とを有する。張力検出片４００の表裏に設けられた歪みゲージ４０４ａ及び４０４ｂの信号線は、増幅器９０２に接続され、歪みを増幅して張力Ｔａ及びＴｂを計測可能となっている。モータ４０ａ〜４０ｃは、前記の医療用マニピュレータ１０と同様にコントローラ２７によって実際の手技と同様の状況で駆動される。

実験装置９００は、さらに、プーリ５０ａ〜５０ｃとプーリ５７ａ〜５７ｃのＺ方向の相対距離を個別に調整する距離調整部９０４ａ〜９０４ｃと、距離調整部９０４ａ〜９０４ｃに設けられ、プーリ５０ａ〜５０ｃとプーリ５７ａ〜５７ｃとの間に加えられる力Ｆａ、Ｆｂ及びＦｃを検出する荷重センサ９０６ａ〜９０６ｃとを有する。プーリ５０ａ〜５０ｃとプーリ５７ａ〜５７ｃとの相対距離は、図示しない距離検出器によって計測される。

距離調整部９０４ａは、モータ４０ａ、エンコーダ４４ａ、減速機４２ａ及びプーリ５０ａを同軸上に一体構成でマウントするＬ字形状のマウント部９０８ａと、ダイヤル９１０の操作によってＺ方向に移動する移動片９１２と、マウント部９０８及び移動片９１２をスライド自在に保持するレール９１４とを有する。マウント部９０８ａの一辺はモータ４０ａ、エンコーダ４４ａ、減速機４２ａ及びプーリ５０ａを保持してＹ１方向に延在し、他の一辺はＺ１方向に延在している。マウント部９０８ａの端部と移動片９１２は荷重センサ９０６ａで接続されており、力Ｆａを検出可能になっている。ダイヤル９１０を回転させると、ロッド９１５のベースブロック９１６からの突出量が調整され、ロッド９１５の端部に接続された移動片９１２がＺ方向に変位する。

プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに対応したマウント部９０８ａ、９０８ｂ及び９０８ｃは、干渉しないようにＬ字の大きさが異なっている。それ以外は、距離調整部９０４ｂ及び９０４ｃは距離調整部９０４ａと同構成であることから、詳細な説明を省略する。

このような構成による実験装置９００によれば、ワイヤ５４ａ〜５４ｃに対する全張力としての力Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃを調整して、該ワイヤ５４ａ〜５４ｃの動作確認をすることができる。張力検出片４００はワイヤ５４ａ〜５４ｃの途中に適正に挿入され、該ワイヤ５４ａ〜５４ｃの動作にほとんど影響を与えることなく、簡便に張力Ｔａ、Ｔｂを検出することができ、製品開発段階において動作状況に応じたワイヤ５４ａ〜５４ｃの張力を検査しておくことができる。

この実験装置９００によって張力が適正に設定された医療用マニピュレータ１０（図１参照）では、張力検出片４００を省略してもよい。

本発明に係る医療用マニピュレータ及び実験装置は、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医療用マニピュレータの斜視図である。 作業部と操作部とを分離した医療用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。 先端動作部の斜視図である。 プーリ及びワイヤと先端動作部の基本構成を示す模式図である。 張力検出片の斜視図である。 医療用マニピュレータで、ワイヤの張力を検出して対応の処理をする手順のフローチャートである。 医療用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。 本実施の形態に係る実験装置の平面図である。

符号の説明

１０…医療用マニピュレータ １２…先端動作部
１４…操作部 １５…接続部
１６、８０６…作業部 ２７…コントローラ（制御部）
３０、８１２…アクチュエータブロック（アクチュエータ部）
４０ａ〜４０ｃ…モータ ４８…連結シャフト
５０ａ〜５０ｃ、５７ａ〜５７ｃ…プーリ ５４ａ〜５４ｃ、５５…ワイヤ
１１１、１１３…コネクタ ４００…張力検出片
４０４ａ、４０４ｂ…歪みゲージ（歪みセンサ） ４０６…フック
４１０…固定具 ４１２…輪
８００…医療用ロボットシステム ９００…実験装置

Claims (10)

1. モータを備えたアクチュエータ部と、
   前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される回転体を備える接続部と、
   前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられ、可撓性部材を介して前記回転体に連動する先端動作部と、
   前記可撓性部材の途中に介装され、歪みセンサが設けられた張力検出片と、
   を有することを特徴とする医療用マニピュレータ。
2. 請求項１記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記張力検出片は、前記連結シャフトの延在方向に長尺な板体であることを特徴とする医療用マニピュレータ。
3. 請求項２記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記歪みセンサは、前記張力検出片の表裏にそれぞれ設けられていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
4. 請求項２又は３記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記張力検出片は、長尺方向両端部に前記可撓性部材をかけるフックを有することを特徴とする医療用マニピュレータ。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記張力検出片は、ニッケル基合金、ステンレス鋼、又は焼入鋼であることを特徴とする医療用マニピュレータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記可撓性部材は、前記先端動作部の先端回転体に巻き掛けられて、前記連結シャフト内で往復の２線が略平行して設けられ、
   前記張力検出片は、往復の２線にそれぞれ設けられていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記歪みセンサから供給される信号に基づいて前記可撓性部材の張力を求め、前記張力が所定閾値を超えたときに所定の警報を発生させ、又は前記張力が所定閾値を超えないように前記モータの駆動力を調整する制御部を有することを特徴とする医療用マニピュレータ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記歪みセンサから供給される信号に基づいて前記可撓性部材の張力を求め、前記張力が所定閾値を下回るときに所定の警報を発生させる制御部を有することを特徴とする医療用マニピュレータ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記可撓性部材は、ワイヤであることを特徴とする医療用マニピュレータ。
10. モータの回転軸に接続される基端回転体と、
    前記アクチュエータ部から離れた位置に設けられた先端回転体と、
    前記基端回転体と前記先端回転体とに巻き掛けられた往復２線の可撓性部材と、
    前記可撓性部材の往復の２線の途中にそれぞれ介装され、歪みセンサが設けられた張力検出片と、
    前記基端回転体と前記先端回転体との相対距離を調整する距離調整部と、
    前記距離調整部に設けられ、前記基端回転体と前記先端回転体との間に加えられる力を検出する荷重センサと、
    を有することを特徴とする実験装置。

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