JP2010220685A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】先端関節を正確に駆動すること。
【解決手段】鉗子等の把持部２を変位させるための各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を可撓性を有する各管状部２０−１〜２０−６内に収納し、これら管状部２０−１〜２０−６を関節側支持部７と基端側支持部８との間に固定支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に腹腔鏡手術等に用いられ可撓性を有する医療用のマニピュレータに関する。

腹腔鏡手術若しくは胸腔鏡手術では、医療用のマニピュレータが用いられる。この医療用のマニピュレータは、先端側に関節を設け、この関節より先端に術具、例えば鉗子を設けている。このマニピュレータでは、関節に対してモータ等の駆動源からの動力を例えば動力伝達部材としてのワイヤ等の線状部材によって伝達し、関節を変位させることにより鉗子の把持部等の回転角度を変位する。なお、マニピュレータは、ガイド部材を内部に設け、このガイド部材に沿ってワイヤ等の動力伝達部材が移動可能に設けられている。

このような医療用のマニピュレータを用いた腹腔鏡手術若しくは胸腔鏡手術では、患者の腹部等に小さい孔を開け、この孔内にトラカールという治具を取り付け、トラカールの挿入口から先端に関節を有する医療用のマニピュレータを挿入し、関節よりも先端側に設けられた術具を操作して手術を行う。現状用いられているトラカールの挿入口の口径は、概ねφ１０ｍｍ以下である。これにより、トラカールから挿入されるマニピュレータの口径は、トラカールの口径よりも細いことが要求される。マニピュレータとしては、例えばインテュイティブ・サージカル社製ダビンチシステムに代表されるφ１０ｍｍ以下の細径、かつ長尺（概ね３００ｍｍ以上）の多自由度のものがある。

かかるマニピュレータでは、関節に対してモータ等の動力を伝達する動力伝達部材としては、上記のようにワイヤ等の線状部材を用いている。ダビンチシステムにおけるマニピュレータでも、先端の関節に対する動力伝達部材としては、φ１０ｍｍ以下の細径という限られたスペース内で動力を伝達するために、例えばφ０．５ｍｍ程度の細径に形成されたワイヤ等の動力伝達部材を用いている。

このような線状で細径の動力伝達部材を用いたマニピュレータとしては、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１は、関節よりもさらに先端部に設けられた術具の位置を検出するマニピュレータであって、モータ等の駆動源の近傍に配置されたポテンショメータやエンコーダによって関節の変位を検出することを開示する。

米国特許第５８０７３７７号明細書

しかしながら、特許文献１に開示されているマニピュレータは、モータ等の駆動源が外套管の後端側に配設されている。このため、駆動源の動力を関節に伝達するための関節と駆動源との間の動力伝達部材を配設する径路の長さが長くなる。又、上述したように駆動源の動力を関節に伝達するための線状の動力伝達部材の径は極めて細い。このような事から動力伝達部である線状の動力伝達部材の伸びやたるみ等が影響し、駆動源の動力量が先端の関節に正確に伝達されず、先端の関節の駆動を正確に出来ないという問題がある。

駆動源の動力を関節に伝達する手法としては、例えばガイドパイプ内に線状の動力伝達部材を挿通し、この動力伝達部材をガイドパイプ内で移動することにより伝達している。このような手法の場合、関節と駆動源との間の動力伝達部材を配設する径路が長い、すなわちガイドパイプの長さが長いと、線状の動力伝達部材が複数本配設されている場合、線状の各動力伝達部材間の干渉や、線状の動力伝達部材と当該動力伝達部材の移動をガイドするガイドパイプの内壁との間に摩擦抵抗が生じるが、この摩擦抵抗により駆動源で発生した駆動力が効率よく関節に伝達されないという問題がある。

特に、ガイドパイプ内に動力伝達部材を移動させて駆動源の動力を関節に伝達する場合、マニピュレータ本体を構成する外套管が軟性若しくは半軟性、すなわち可撓性を有する場合に顕著であった。すなわち、可撓性を有するマニピュレータ本体内に配置されている動力伝達部の経路が手術時のマニピュレータを術部に対してアプローチする角度方向等の姿勢の変化に応じて変わる場合、動力伝達部材とガイドパイプの内壁との間の摩擦抵抗の大きさが変化し、当該摩擦抵抗による影響度が変わる。例えば、マニピュレータを術部に対してアプローチする角度方向等の姿勢が変化すると、例えばガイドパイプの湾曲の度合いが変化する。ガイドパイプの湾曲の度合いが大きくなると、動力伝達部材とガイドパイプの内壁との間の摩擦抵抗が大きくなる。このため、駆動源側を入力とし、関節側を出力とした場合、入力に対する出力の変位の関係や、入出力間の時間応答性が変わる。

マニピュレータの角度方向等の姿勢の変化に起因する摩擦の影響の動的な変化は、リアルタイムかつ定量的に駆動源の近傍に配置されたポテンショメータやエンコーダによって検出することが困難である。このため、関節の正確で応答性のよい位置決めが困難であった。従って、関節よりもさらに先端部に設けられた術具の位置を正確に検出することが困難であった。

本発明の目的は、先端の関節を正確に変位駆動できるマニピュレータを提供することにある。

本発明の主要な局面に係るマニピュレータは、先端に関節が設けられたマニピュレータにおいて、可撓性を有する管状部と、管状部における関節側の端部を固定する関節側支持部と、管状部における基端側の端部を固定する基端側支持部と、管状部内に配置され、関節を駆動する駆動源と、を具備する。

本発明によれば、先端の関節を正確に変位駆動できるマニピュレータを提供できる。

本発明に係る医療用のマニピュレータの一実施の形態を示す構成図。 同マニピュレータの先端部を示す構成図。 同マニピュレータにおける各管状部内に配置された各空圧アクチュエータ部を示す構成図。 同マニピュレータにおけるアクチュエータ部の収縮によるワイヤの移動を示す図。 同マニピュレータにおける関節側支持部を示す構成図。 同マニピュレータにおける関節側支持部の一部断面を示す図。 同マニピュレータにおける基端側支持部を示す構成図。 同マニピュレータにおける線状部材の移動量を検出する磁気センサの配置図。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は医療用のマニピュレータの構成図を示す。このマニピュレータ１は、その本体が把持部２と、関節部３と、硬性部４と、可撓部５と、駆動源としての空気圧供給部６とから成る。可撓部５の先端側には、関節側支持部７が設けられ、かつ基端側には基端側支持部８が設けられている。基端側支持部８と空気圧供給部６との間には、複数のウレタンチューブ９が接続されている。

このマニピュレータ１は、当該マニピュレータ１の略全体、特に可撓部５がいわゆる軟性或いは半軟性の材質により細径の外套管に形成されている。このマニピュレータ１の先端には、屈曲、回転、把持の３自由度で把持部２を変位するための３つの関節部３が設けられている。

図２はマニピュレータ１の先端部の構成図を示す。関節側支持部７の先端側には、硬性部４を介して関節部３が接続され、この関節部３に術具、例えば鉗子等の把持部２が設けられている。この把持部２は、第１把持部２ａと、第２把持部２ｂとから成る。このうち第２把持部２ｂは、軸１０を中心として回転可能に設けられている。
関節部３の筐体１１内には、例えば把持用として、２つの案内用プーリ１２ａ、１２ｂが回転可能に並設されている。又、筐体１１内には、把持用として、関節部３としての一対の回転用プーリ１３ａ、１３ｂが軸１０に固定され、当該軸１０と共に回転するものとなっている。

一対の回転用プーリ１３ａ、１３ｂのうち一方のプーリ１３ａには、把持用として、駆動源としての空圧アクチュエータ部２１−１からの動力を伝達する線状の動力伝達部としての２本のワイヤ１４ａ、１４ｂのうち一方のワイヤ１４ａが掛けられ、かつ他方のプーリ１３ｂにも空圧アクチュエータ部２１−２からの動力を伝達する線状の動力伝達部としてのワイヤ１４ｂが掛けられている。具体的に一方のワイヤ１４ａは、２つの案内用プーリ１２ａ、１２ｂの間に案内され、一方のプーリ１３ａに例えば１周巻回され、第１留め部１５ａに留められている。他方のワイヤ１４ｂは、２つの案内用プーリ１２ａ、１２ｂの間に案内され、他方のプーリ１３ｂに例えば１周巻回され、第２留め部１５ｂに留められている。ここでは把持動作という１つの自由度の構成を示し、当該１つの自由度に対して２本のワイヤ１４ａ、１４ｂが設けられる。

しかるに、一つの関節部３、例えば把持用の関節部３は、拮抗型に配置された２本のワイヤ１４ａ、１４ｂに接続された後述する２個の空圧アクチュエータ部２１−１、２１−２による協調した動作制御により行われる。すなわち、一方のワイヤ１４ａを当該ワイヤ１４ａの線方向でマニピュレータ１の先端側から基端側に向かって（矢印Ａ方向）移動させ、他方のワイヤ１４ｂを、ワイヤ１４ａの移動方向（矢印Ａ方向）と反対方向（矢印Ｂ方向）に引かせると、これらのワイヤ１４ａ、１４ｂの移動に伴って一対の回転用プーリ１３ａ、１３ｂが回転し、これらプーリ１３ａ、１３ｂの回転によって第２把持部２ｂが軸１０を中心として回転する。これにより、第１把持部２ａと第２把持部２ｂとは、一方向に動作する、すなわち開く。

他方のワイヤ１４ｂを当該ワイヤ１４ｂの線方向でマニピュレータ１の先端側から基端側に向かって（矢印Ａ方向）移動させ、一方のワイヤ１４ａを、ワイヤ１４ｂの移動方向（矢印Ａ方向）と反対方向（矢印Ｂ方向）に引かせると、これらのワイヤ１４ａ、１４ｂの移動に伴って一対の回転用プーリ１３ａ、１３ｂが回転し、これらプーリ１３ａ、１３ｂの回転によって第２把持部２ｂが軸１０を中心として逆回転する。これにより、第１把持部２ａと第２把持部２ｂとは、他方向に動作する、すなわち閉じる。このように各ワイヤ１４ａ、１４ｂを移動することにより鉗子等の把持部２の第１把持部２ａと第２把持部２ｂとは、開閉する。

なお、図２は鉗子等の把持部２を開閉動作させる構成を示すが、把持部２は、他の関節部を介して回転及び屈曲の動作も行う。これら回転及び屈曲の動作を行うための構成は、上記開閉動作の構成と同様に、２つの案内用プーリと、一対の回転用プーリと、回転動作と屈曲動作という２つの自由度に対する４本のワイヤとから成る。しかるに、開閉、回転及び屈曲の動作を行う３自由度の鉗子等の把持部２に対しては、１つの自由度に２本必要とし、合計６本のワイヤが必要となる。

可撓部５内には、６本の可撓性を有する管状部２０−１〜２０−６が配設されている。これら管状部２０−１〜２０−６は、可撓部５を含むマニピュレータ１の上記外套管の長手方向に沿って可撓部５内に収納されている。上記外套管は、径が少なくともφ１５ｍｍ以下、例えばφ１０ｍｍ程度で、長さが硬性部４を除いて３００ｍｍ程度に形成され、かつ可撓性を有する材質、例えば金属細線が埋設された樹脂体により形成されている。この外套管は、関節部３の近傍、すなわち外套管の先端部において可撓性が規制された硬性部４と、この硬性部４の後端側の可撓部５とを有する。なお、各管状部２０−１〜２０−６は、肉薄のパイプ若しくはコイルパイプ等の可撓性を有する材質により形成されている。各管状部２０−１〜２０−６の材質は、ＳＵＳ又は超弾性金属部材であるＮｉ−Ｔｉ合金が望ましい。さらに各管状部２０−１〜２０−６は、ＳＵＳによりパイプ状に形成した場合、厚さを例えば０．０５〜０．２ｍｍとすることが望ましい。

各管状部２０−１〜２０−６内には、図３に示すようにそれぞれ当該各管状部２０−１〜２０−６の長手方向に沿って６本の空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６が収納されている。これら空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、細径で可撓性を有する筒状に形成されている。これら空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の各先端は、それぞれ閉塞され、当該各閉塞部にそれぞれ各ワイヤ１４ａ、１４ｂ等が接続されている。
これら空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の各後端は、それぞれ基端側支持部８を介して空気を供給するための空気供給部材として可撓性を有する例えば６本のウレタンチューブ９が接続されている。そして、各ウレタンチューブ９には、電空レギュレータ等の空気圧供給部６が接続されている。
本マニピュレータ１は、６本の可撓性を有する管状部２０−１〜２０−６を収納する可撓部５と、可撓性を有する空圧供給経路となる６本のウレタンチューブ９とを有することから全体として軟性或いは半軟性に形成される。

６本の空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、いわゆるマッキンベン式の構成を有し、網状の細線を埋設した樹脂体により形成されている。網状の細線は、例えば金属、合成樹脂等の延びにくい材質から成る。これにより、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、それぞれ内部の空気圧の変化に応じて収縮・膨張する。これら空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、それぞれ内部の空気圧の変化に応じて収縮・膨張することによって例えば図４（ａ）（ｂ）に示すように先端に接続された各ワイヤ１４ａ、１４ｂ等が矢印Ａ方向又はその反対方向の矢印Ｂ方向に移動する。

これら空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、網状の細線を埋設した樹脂体により形成されているので、可撓性を有し、かつ撓むことが可能である。又、これら空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、可撓部５内で伸縮可能とするために、ほぼ全長に亘って上記の如く肉薄のパイプ若しくはコイルパイプ等の可撓性を有する管状部２０−１〜２０−６の内部に配置されている。

これら空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を収納した管状部２０−１〜２１−６は、関節側において関節側支持部７により支持され、かつ基端側において基端側支持部８により支持されている。これにより、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６及び各管状部２０−１〜２０−６は、それぞれ関節側支持部７と基端側支持部８との間で撓む。この際、各管状部２０−１〜２０−６の内径は、空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の外径に対して若干太いが、ほぼ同径に設計されているので、当該各管状部２０−１〜２０−６の経路は、ほぼ一定に保たれる。

本実施の形態では、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、例えばφ１０ｍｍ程度で、長さが３００ｍｍ程度の外套管に合わせて、φ１．５ｍｍ程度で、長さが３００ｍｍ程度に形成されている。これにより、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、外套管の各管状部２０−１〜２０−６内に収納され、かつマニピュレータ１として必要な１０〜２０Ｎ程度の力量、又１０〜２０ｍｍ程度の変位を０．１〜０．６ＭＰａ程度の圧力により得ることが可能である。なお、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の変位・力量は、細線の網角、アクチュエータ部の径等のパラメータを調整することにより可変可能である。

図５は関節側支持部７の構成図を示し、図６は同関節側支持部７における一部断面図を示す。この関節側支持部７は、外套管の可撓部５内を長手方向と直交する方向に閉塞するもので、長手方向に所望の厚さを有する円柱状に形成されている。この関節側支持部７には、６本の空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を収納する各管状部２０−１〜２０−６を固定するための６つの管状部用孔３０−１〜３０−６が設けられている。これら管状部用孔３０−１〜３０−６は、関節側支持部７の外周側において所定半径の周方向上に等間隔に形成されている。これら管状部用孔３０−１〜３０−６は、関節側支持部７の厚さ方向に貫通し、かつ各管状部２０−１〜２０−６の径と同一或いは略同一の径に形成されている。これら６つ管状部用孔３０−１〜３０−６内には、それぞれ各管状部２０−１〜２０−６が圧入或いは挿入され、例えば固定用ねじ２２による締め付けや、半田、又は接着剤等によって固定されている。各管状部２０−１〜２０−６内には、それぞれ１本の空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６が収納されている。

又、関節側支持部７には、６つの中空部材用孔３１−１〜３１−６が設けられている。これら中空部材用孔３１−１〜３１−６は、それぞれ関節側支持部７の厚さ方向に貫通して形成されている。これら中空部材用孔３１−１〜３１−６は、それぞれ径が各中空部材３２−１〜３２−６の外径よりも若干大きく形成されている。これら中空部材用孔３１−１〜３１−６は、６つ管状部用孔３０−１〜３０−６の内周側で、かつ所定半径の周方向上に等間隔に形成されている。そして、中空部材用孔３１−１〜３１−６は、隣り合う各管状部用孔３０−１〜３０−６の間に設けられている。

これら中空部材用孔３１−１〜３１−６は、それぞれパイプ等の６本の中空部材３２−１〜３２−６が挿入され、当該各中空部材３２−１〜３２−６の端部を固定する。これら中空部材３２−１〜３２−６の固定の手法は、それぞれ関節側支持部７の外面から例えばねじを螺合させて各中空部材３２−１〜３２−６に挿通させ、ねじの先端を各中空部材３２−１〜３２−６に当接することで当該各中空部材３２−１〜３２−６を締め付けによってねじ止めする。

これら中空部材３２−１〜３２−６内には、それぞれ線状で細径の各線状部材３３−１〜３３−６が挿通している。これら中空部材３２−１〜３２−６は、外套管の可撓部５内から各ウレタンチューブ９が収納されている部分を含めた外套管の後端まで延びている。これら中空部材３２−１〜３２−６の後端部からは、各線状部材３３−１〜３３−６が所望の長さ露出している。各中空部材３２−１〜３２−６の内壁と各線状部材３３−１〜３３−６との間の摩擦は、材質選択や研磨などにより十分少なくしている。

各線状部材３３−１〜３３−６は、それぞれ各ワイヤ１４ａ、１４ｂよりも細径に形成され、かつ材質が例えばＳＵＳの単線で可撓性を有している。これら線状部材３３−１〜３３−６の先端は、例えば半田や接着剤等によってワイヤ１本に対し、線状部材が１本接続される。各ワイヤ１４ａ、１４ｂには、例えばそれぞれ線状部材３３−１、３３−２が接続されている。これら線状部材３３−１、３３−２と各ワイヤ１４ａ、１４ｂとの接続部分は、中空部材３２−１、３２−２、並びに管状部２０−１、２０−２から露出した状態にある。線上部材３−１、３３−２は、各ワイヤ１４ａ、１４ｂの矢印Ａ、Ｂ方向（図２）への移動に伴って一体的に移動可能に例えば中空部材３２−１、３２−２内に挿通している。線状部材３３−１〜３３−６の先端は硬性部４内に配設される。なお、線状部材３３−１〜３３−６と各ワイヤ１４ａ、１４ｂとの接続方法は、上述の方法に限らず、各線状部材３３−１〜３３−６と各ワイヤ１４ａ、１４ｂの一端とをクリップ状の部材で接続したり、又は各ワイヤ１４ａ、１４ｂと各線状部材３３−１〜３３−６とを挿通できる孔が設けられた樹脂製の部材内にそれぞれを挿入して熱を加えて接続してもよい。

なお、各線状部材３３−１〜３３−６は、概ね外径が０．５ｍｍ以下で、材質が例えばＳＵＳにより肉薄に形成され、かつ可撓性を有する例えばワイヤに形成されている。又、各線状部材３３−１〜３３−６の長さは、外套管のほぼ全長に亘って延びている。各線上部材３３−１〜３３−６は、可撓部５内の関節側と基端側とに配設された関節側支持部７と基端側支持部８とに支持された中空部材３２−１〜３２−６に挿通されて外套管に収納されている。

図７は基端側支持部８の構成図を示す。この基端側支持部８は、長手方向に所望の厚さを有する円柱状に形成されている。この基端側支持部８には、６本の空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を収納する各管状部２０−１〜２０−６を固定するための６つの管状部用孔４０−１〜４０−６が設けられている。これら管状部用孔４０−１〜４０−６は、基端側支持部８の外周側において所定半径の周方向上に等間隔に形成されている。これら管状部用孔４０−１〜４０−６は、基端側支持部８の厚さ方向に貫通し、かつ各管状部２０−１〜２０−６の径と同一或いは略同一の径に形成されている。これら６つ管状部用孔４０−１〜４０−６内には、その一端側からそれぞれ各管状部２０−１〜２０−６が圧入或いは挿入され、例えば固定用ねじによる締め付けや、半田、又は接着剤等によって固定されている。

又、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の基端側端部には、筒状のねじ部９ａが設けられ、これらねじ部９ａに合わせて基端側支持部８の管状部用孔４０−１〜４０−６の基端側にも各ねじ部（不図示）が設けられ、これらねじ部に各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の各ねじ部９ａが螺合している。これにより、１０〜２０Ｎ程度の力量においても各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を固定することができる。そしてねじ部９ａに各ウレタンチューブ９が取り付けられている。基端側支持部８において、各ウレタンチューブ９と各管状部２０−１〜２０−６内に収納されている各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６とは、ねじ部９ａを介して連通している。これにより、空気圧供給部６からの空気は、各ウレタンチューブ９を通して各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６に供給される。なお、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の基端側端部と、基端側支持部８の管状部用孔４０−１〜４０−６の基端側との固定については、螺合に限るものではない。力量によっては、圧入や、接着剤等による固定でもよい。

基端側支持部８には、６つの中空部材用孔４１−１〜４１−６が設けられている。これら中空部材用孔４１−１〜４１−６は、それぞれ基端側支持部８の厚さ方向に貫通して形成されている。これら中空部材用孔４１−１〜４１−６は、それぞれ径が各中空部材３２−１〜３２−６の外径よりも若干大きく形成されている。これら中空部材用孔４１−１〜４１−６は、６つ管状部用孔４０−１〜４０−６の内周側で、かつ所定半径の周方向上に等間隔に形成されている。そして、中空部材用孔４１−１〜４１−６は、隣り合う各管状部用孔４０−１〜４０−６の間に設けられている。

これら中空部材用孔４１−１〜４１−６は、それぞれパイプ等の６本の中空部材３２−１〜３２−６が挿入され、当該各中空部材３２−１〜３２−６の端部を固定する。これら中空部材３２−１〜３２−６の固定の手法は、それぞれ基端側支持部８の外面から例えばねじを螺合させて各中空部材３２−１〜３２−６に挿通させ、ねじの先端を各中空部材３２−１〜３２−６に当接することで当該各中空部材３２−１〜３２−６を締め付けによってねじ止めする。これら中空部材３２−１〜３２−６内には、それぞれ上記各線状部材３３−１〜３３−６が挿通している。

なお、関節側支持部７と基端側支持部８との各構成は、それぞれ上記構成に限らず、例えば、管状部用孔３０−１〜３０−６と管状部用孔４０−１〜４０−６とをそれぞれ内周側に設け、中空部材用孔４１−１〜４１−６と中空部材用孔３１−１〜３１−６とをそれぞれ外周側に設けてもよい。
関節側支持部７と基端側支持部８とにおいて、各管状部２０−１〜２０−６をねじ止めし、各中空部材３２−１〜３２−６を接着剤で固定する構成としてもよい。

図８は線状部材の移動量を検出する磁気センサ５０の配置図を示す。基端側支持部８の空気圧供給部６側には、各線状部材３３−１〜３３−６が露出して配置されている。この露出された各線状部材３３−１〜３３−６に対してそれぞれ磁気センサ５０が設けられている。なお、図８は１本の線状部材３３−１に対する磁気センサ５０の配置を示す。この磁気センサ５０は、不図示の磁性体の筒状部材を有し、この磁性体の筒状部材内に線状部材３３−１を遊挿している。これにより、磁気センサ５０は、筒状部材内に線状部材３３−１が移動（変位）すると、このときの磁性体により形成される線状部材３３−１の移動量を、磁性体の筒状部材と線状部材３３−１との間に生じるリアクタンスの変化により検出する。

なお、磁気センサ５０は、線状部材３３−１の移動量を磁性体の筒状部材と線状部材３３−１との間に生じるリアクタンスの変化により検出するので、各線状部材３３−１〜３３−６は、例えば磁性体の材質、ＳＵＳにより形成される。
鉗子等の把持部２が３自由度であれば、６本の線状部材３３−１〜３３−６があるので、磁気センサ５０は、これら６本の線状部材３３−１〜３３−６毎に６つ設けられる。従って、６つの磁気センサ５０により検出される各線状部材３３−１〜３３−６の各移動量に基づいて３自由度の鉗子等の把持部２の各変位量、すなわち鉗子等の把持部２の屈曲、回転、把持の３自由度の各変位量を検出できる。

鉗子等の把持部２の屈曲、回転、把持の３自由度の各変位量を検出する手法としては、例えば図２に示すように各ワイヤ１４ａ、１４ｂ等は、硬性部４内に収納され、かつ関節部３の近傍において露出している。この各ワイヤ１４ａ、１４ｂ等の露出する部分に当該ワイヤ１４ａ、１４ｂの移動量を検出する移動量検出部５１を設けてもよい。この移動量検出部５１は、上記磁気センサ５０と同様に、線状部材３３−１の移動量を磁性体の筒状部材と線状部材３３−１との間に生じるリアクタンスの変化により検出する。

次に、上記の如く構成された医療用のマニピュレータ１の動作について説明する。
マニピュレータ１は、屈曲、回転、把持の３自由度で鉗子等の把持部２を変位するための３つの関節部３が設けられている。ここで、１つの自由度である把持の動作について説明すると、当該把持の動作は、把持用の関節部３に対して２個の空圧アクチュエータ部２１−１、２１−２が互いに拮抗して収縮・膨張することにより行われる。

すなわち、空気圧供給部６は、ウレタンチューブ９を通して一方の空圧アクチュエータ部２１−１に空気を供給する。これにより、一方の空圧アクチュエータ部２１−１は、例えば図４（ｂ）に示すように膨張するので、当該一方の空圧アクチュエータ部２１−１に接続された一方のワイヤ１４ａは、図２に示すように当該ワイヤ１４ａの線方向でマニピュレータ１の先端側から基端側に向かって（矢印Ａ方向）移動する。

これに拮抗して空気圧供給部６は、ウレタンチューブ９を通して他方の空圧アクチュエータ部２１−２から空気を引き込む。これにより、他方の空圧アクチュエータ部２１−２は、例えば図４（ａ）に示すように収縮するので、当該他方の空圧アクチュエータ部２１−２に接続された他方のワイヤ１４ｂは、図２に示すように当該ワイヤ１４ｂの線方向でマニピュレータ１の基端側から先端側に向かって（矢印Ｂ方向）移動する。これらのワイヤ１４ａおよびワイヤ１４ｂの移動に伴って一対の回転用プーリ１３ａ、１３ｂが回転し、これらプーリ１３ａ、１３ｂの回転によって第２把持部２ｂが軸１０を中心として回転する。
この結果、第１把持部２ａと第２把持部２ｂとの間が開く。

第１把持部２ａと第２把持部２ｂとの間を閉じる場合、先ず、空気圧供給部６は、ウレタンチューブ９を通して一方の空圧アクチュエータ部２１−１から空気を引き抜く。これにより、一方の空圧アクチュエータ部２１−１は、例えば図４（ａ）に示すように収縮するので、当該一方の空圧アクチュエータ部２１−１に接続された一方のワイヤ１４ａは、図２に示すように当該ワイヤ１４ａの線方向でマニピュレータ１の基端側から先端側に向かって（矢印Ｂ方向）移動する。

これに拮抗して空気圧供給部６は、ウレタンチューブ９を通して他方の空圧アクチュエータ部２１−２に空気を供給する。このとき、空気圧供給部６は、一方の空圧アクチュエータ部２１−１と他方の空圧アクチュエータ部２１−２とが同一容量を有していれば、一方の空圧アクチュエータ部２１−１からの空気の引き抜く量と他方の空圧アクチュエータ部２１−２への空気の供給量とを同一に制御する。

他方の空圧アクチュエータ部２１−２は、空気の供給により例えば図４（ｂ）に示すように膨張するので、当該他方の空圧アクチュエータ部２１−２に接続された他方のワイヤ１４ｂは、図２に示すように当該ワイヤ１４ｂの線方向でマニピュレータ１の先端側から基端側に向かって（矢印Ａ方向）移動する。これらのワイヤ１４ａおよびワイヤ１４ｂの移動に伴って一対の回転用プーリ１３ａ、１３ｂが回転し、これらプーリ１３ａ、１３ｂの回転によって軸１０が回転することによって第２把持部２ｂが軸１０を中心として回転する。
この結果、第１把持部２ａと第２把持部２ｂとの間が閉じる。なお、第１把持部２ａと第２把持部２ｂとの間の開放の度合いは、空気圧供給部６から各空圧アクチュエータ部２１−１、２１−２に対する空気の供給圧力と引き抜き圧力との大きさによって決定される。
なお、他の一対の空圧アクチュエータを拮抗させることにより鉗子等の把持部２は、屈曲又は回転の動作を行う。

鉗子等の把持部２が開閉の動作を行うために、ワイヤ２１ａが移動すると、このワイヤ２１ａの移動に伴い、当該ワイヤ２１ａに対して連結された線状部材３３−１も移動する。この線状部材３３−１は、ワイヤ２１ａの移動量をそのまま磁気センサ５０の配置位置まで伝達する。
この磁気センサ５０は、線状部材３３−１が移動（変位）すると、このときの磁性体により形成される線状部材３３−１の移動量を、不図示の磁性体の筒状部材と線状部材３３−１との間に生じるリアクタンスの変化により検出する。

なお、鉗子等の把持部２が３自由度であれば、６本の線状部材３３−１〜３３−６があるので、磁気センサ５０は、これら６本の線状部材３３−１〜３３−６毎に６つ設けられる。しかるに、６つの磁気センサ５０により検出される線状部材３３−１〜３３−６の移動量に基づいて３自由度の鉗子等の把持部２の各変位量、すなわち鉗子等の把持部２における屈曲、回転、把持の３自由度の各変位量を検出する。

このように上記一実施の形態によれば、鉗子等の把持部２を変位させるための各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を可撓性を有する各管状部２０−１〜２０−６内に収納し、これら管状部２０−１〜２０−６を関節側支持部７と基端側支持部８との間に固定支持するので、本マニピュレータ１の先端に設けられた関節部３の近傍に各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を配設することが可能となり、関節部３と各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６との間の距離を短くできる。これにより、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の駆動力を関節部３に対して応答性よく伝達することができ、関節部３を正確に変位することができる。

関節部３の近傍に各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を配設することができるので、関節部３と各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６との間の各ワイヤ１４ａ、１４ｂの経路を短くできる。これにより、各ワイヤ１４ａ、１４ｂの伸びやたるみ等の影響が出難くなるので、関節部３を正確に変位することができる。さらに、各ワイヤ１４ａ、１４ｂ間の干渉の影響が出難くなるので、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６で発生する駆動力を効率よく関節部３に伝達することができる。

可撓性を有する各管状部２０−１〜２０−６の両端をそれぞれ関節側支持部７と基端側支持部８とで固定しているので、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６の外径と各管状部２０−１〜２０−６の内径とを略同じ径で使用することにより、本マニピュレータ１を術部に対してアプローチする角度方向等の姿勢が変わった場合でも、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６が配置された各管状部２０−１〜２０−６の基端側から関節部３側までの距離を略一定に保つことができる。これにより、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６側を入力とし、関節部３側を出力とした場合、入出力の変位の関係や、入出力間の時間応答性が変わりにくくなり、本マニピュレータ１を術部に対してアプローチする角度方向等の姿勢が変わった場合でも、関節部３を正確に変位できる。

各管状部２０−１〜２０−６の外形（外径）は、関節側支持部７及び基端側支持部８の外形（外径）よりも小さく形成されているので、各管状部２０−１〜２０−６が関節側支持部７及び基端側支持部８の外形より内側に配置されるものとなり、本マニピュレータ１の細径化を図ることができる。

屈曲、回転、把持の各関節部３に対して各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を拮抗して動作するように配置したので、例えば把持の関節部３に対しては、鉗子等の把持部２における第１把持部２ａと第２把持部２ｂとの開閉動作のうち開放動作と閉じる動作とに対してそれぞれ同一の駆動力を与えることができ、開放動作と閉じる動作との応答性を良くすることができる。

各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６をそれぞれ別々の各管状部２０−１〜２０−６内に配置しているので、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６間の干渉を防止できる。これにより、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６で発生した駆動力を効率よく関節部３に伝達することができる。

各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６及び各管状部２０−１〜２０−６は、それぞれ可撓性を有しているので、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６を硬性の部材の中に配置した場合に比べて、手術時において本マニピュレータ１を直線的なアプローチではアクセスできない術部に対しても臓器等を掻い潜っての手技が可能となる。

駆動源は、従来のようにモータ等の電動式でなく、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６による空気圧によって制御するので、例えば体腔内に挿入した場合の安全性を向上できる。又、磁場の影響を受けないので、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）下での使用も可能である。又、医療用のマニピュレータ１として要求される時間応答性（例えば、５Ｈｚ程度）を満足することが可能である。なお、本実施の形態では、流体圧として空気圧を例にとって説明したが、例えば生理食塩水等により生じる液圧を用いたアクチュエータであってもよい。この場合も、上記同様の効果を奏することができる。

各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６は、いわゆるマッキンベン式であるので、医療用マニピュレータ１の細径（例えばφ１０程度）の中に配置しても、十分な力量（２０Ｎ程度）を得ることができ、上記同様に、時間応答性（５Ｈｚ程度）を満足することが可能である。

なお、本実施の形態では、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６として所謂マッキンベン式を例にとって説明したが、軸方向に伸縮する部材であれば良く、軸方向に延びる線状若しくは棒状の形状記憶合金部材としてもよい。この場合、形状記憶合金部材の外形をマッキンベン式のアクチュエータ部の膨張範囲よりも細くすれば、駆動源を収納する外套管の外形を小さくすることが可能となる。これにより、マニピュレータ１の外形を小さくすることが可能となる。
さらに、関節側支持部７と関節部３との間に、ワイヤ１４ａ、１４ｂの移動量検出部を設けたので、閉ループ制御が可能となり、正確な関節部３の位置決めが可能となる。従って、関節部３よりもさらに先端部に設けられた術具の位置を正確に検出できる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

上記実施の形態では、ワイヤ１４ａ、１４ｂの移動量検出部５１を設けたものを例にとって説明したが、移動量検出部５１を設けない場合であっても良い。この場合、移動量検出部５１を設けないので、各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６をさらに関節部３の近傍に近づけて配設することができるので、関節部３と各空圧アクチュエータ部２１−１〜２１−６との間のワイヤ１４ａ、１４ｂの経路をより短くできる。

本実施の形態では、動力伝達部としてワイヤ１４ａ、１４ｂを例にとって説明したが、これに限るものではなく、棒状のものであってもよい。この場合、動力伝達部間の干渉が生じ難くなる。
さらに、本実施の形態では、３自由度のマニピュレータ１を例にとって説明したが、これに限るものではなく、１自由度若しくは多自由度（例えば７自由度）のマニピュレータであっても良い。

１：医療用のマニピュレータ、２：把持部、３：関節部、４：硬性部、５：可撓部、６：空気圧供給部、７：関節側支持部、８：基端側支持部、９：ウレタンチューブ、２ａ：第１把持部、２ｂ：第２把持部、１０：軸、１１：筐体、１２ａ，１２ｂ：案内用プーリ、１３ａ，１３ｂ：回転用プーリ、１４ａ，１４ｂ：ワイヤ、１５ａ：第１留め部、１５ｂ：第２留め部、２１−１〜２１−６：空圧アクチュエータ部、２０−１〜２０−６：管状部、３０−１〜３０−６：管状部用孔、３１−１〜３１−６：中空部材用孔、３２−１〜３２−６：中空部材、３３−１〜３３−６：線状部材、４０−１〜４０−６：管状部用孔、４１−１〜４１−６：中空部材用孔、５０：磁気センサ、５１：移動量検出部。

Claims (13)

1. 先端に関節が設けられたマニピュレータにおいて、
   可撓性を有する管状部と、
   前記管状部における前記関節側の端部を固定する関節側支持部と、
   前記管状部における基端側の端部を固定する基端側支持部と、
   前記管状部内に配置され、前記関節を駆動する駆動源と、
   を具備することを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記管状部の外形は、前記関節側支持部及び前記基端側支持部の各外形より細いことを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
3. 前記管状部は、一つの前記関節に対して一対設けられ、
   前記各駆動源は、前記一対の管状部内にそれぞれ配置され、前記関節一つに対して拮抗して動作する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のマニピュレータ。
4. 前記駆動源から前記関節に対して駆動力を伝える動力伝達部を有する請求項１乃至３のうちいずれか１項記載のマニピュレータ。
5. 前記駆動源は、マニピュレータ本体の基端側において前記基端側支持部に固定されている請求項１乃至３のうちいずれか１項記載のマニピュレータ。
6. 前記駆動源は、可撓性を有することを特徴とする請求項１、又は請求項３乃至５のうちいずれか１項記載のマニピュレータ。
7. 前記駆動源は、流体が内部に流通し、当該流体圧の変化により前記動力伝達部を移動させることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項記載のマニピュレータ。
8. 前記駆動源は、網状の細線が埋設された樹脂体であることを特徴とする請求項７記載のマニピュレータ。
9. 前記関節側支持部と前記関節との間には、前記動力伝達部の移動量を検出する移動量検出部が設けられたことを特徴とする請求項４乃至８のうちいずれか１項記載のマニピュレータ。
10. 前記駆動源は、前記関節が設けられるマニピュレータ本体の先端側に設けられることを特徴とする請求項１項記載のマニピュレータ。
11. 請求項１記載のマニピュレータは、医療用であり、
    前記駆動源は、マニピュレータ本体における被検体内に挿入される先端側に設けられる、
    ことを特徴とする請求項１項記載のマニピュレータ。
12. 前記駆動源は、前記関節を変位するための一対のアクチュエータ部を有し、
    前記一対のアクチュエータ部は、互い拮抗動作し、当該一対のアクチュエータ部のうち一方のアクチュエータ部が前記関節を一方向に変位させ、これと共に他方のアクチュエータ部が前記関節を他方向に変位させる、
    ことを特徴とする請求項３記載のマニピュレータ。
13. 前記一対のアクチュエータ部は、空圧を用いることを特徴とする請求項１２記載のマニピュレータ。

Images