JP2010220955A - 医療用マニピュレータ、及びその初期化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】医療用マニピュレータの駆動部側と作業部側の位置関係の初期化を容易にする。
【解決手段】作業部１１が新規装着された場合には、各カウンタ４５ｂ〜４７ｂをリセットして、原点位置に対応する「０」とする。１回の手術中で作業部１１が再装着された場合には、前回の分離時に復帰メモリ４９に保存した各カウンタ４５ｂ〜４７ｂのカウント値を読み出して、これをそれぞれセットする。新規装着か再装着かは、作業部１１に設けられたシリアル表示部２９に表示されるシリアル番号から判断する。
【選択図】図４

Description

本発明は、動作部が駆動部に着脱自在な医療用マニピュレータ、及びその初期化方法に関するものである。

腹腔鏡手術では、患者の腹部に形成した小孔から腹腔鏡（カメラ）を挿入し、また腹部の別の小孔から電気メスや鉗子などの柄の長い手術器具を挿入して、ビデオモニタに映し出される腹腔内の様子を見ながら手術を行う。この腹腔鏡下手術は、腹壁を大きく切開する開腹手術と比べて患者への侵襲が小さく、短期間での回復が期待できるなどの利点がある。

上記のような腹腔鏡下手術では、術者が腹腔外の操作部を操作して、操作部の動きに合わせて作業部を動作させる医療用マニピュレータが知られている。医療用マニピュレータは、作業部に鉗子などが設けられ、操作部の操作に応じてアクチェータ等により鉗子を動作させて処置を行う。また、医療用マニピュレータの駆動力を発生させる駆動部と作業部とを着脱自在として交換できる構造としたものも知られている（例えば、特許文献１）。

上記のように駆動部と作業部とを着脱自在とした場合に、装着した作業部の原点位置と、駆動部の原点位置とがずれているときには、駆動部が作業部の動作範囲を超えて動作させようとしてしまい、作業部が破損することがある。このような問題を解消するために、作業部にその動作位置を検出する回路・装置を内蔵させる構成も考えられる。しかしながら、交換される作業部のそれぞれに、そのような回路・装置を内蔵させることはコスト上昇を招くほか、装置の大型化や重量の増加などによる腹腔鏡下手術の際のハンドリングの悪化を招くおそれもあり、加えて作業部が洗浄や滅菌等の処理が行われるため内蔵させることが困難であった。

このため、特許文献１の医療用マニピュレータでは、駆動力を伝達するための駆動部側の機構のバックドライブトルクを大きくしておき、作業部と駆動部とを結合するときに、作業部側の機構の結合位置が結合前の駆動部側の機構の結合位置に移動して合致するように構成している。

特開２００４−１０５４５１号公報

しかしながら、上記のように駆動部側のバックドライブトルクを大きくした場合には、作業部と駆動部の結合時に、作業部と駆動部との間で駆動力を伝達する伝達機構や、それに接続されている駆動機構等を破損する恐れがあり、これを避けるために、駆動部側の伝達機構と作業部側の伝達機構とが破損することなく結合するような構造にしなければならないといった問題があった。また、原点を一致させた状態で、各作業部を駆動部に装着するようにした場合には、常に作業部及び駆動部を原点位置に戻した状態にしてから作業部を駆動部から外さなければならず、操作性が低下してしまうという問題もあった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、簡単な機構でしかも操作性を犠牲にすることなく駆動部側と作業部側の原点位置を合致させることができる医療用マニピュレータ、及びその初期化方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の医療用マニュピレータでは、前記駆動部に設けられた第１の連結部材、及び前記作業部に設けられ、第１の連結部材と任意の結合位置で結合する第２の連結部材からなり、前記アクチェータからの駆動力を前記作業部に伝達する伝達機構を備えるとともに、前記駆動部が、前記駆動部に装着されている作業部を特定する特定手段と、前記作業部の動作位置を検出する位置検出手段と、前記特定手段による特定結果に基づき、予め動作位置が原点位置に初期化されて新規装着される新規装着と前記駆動部への装着履歴のある前記作業部の再装着とを判断する判断手段と、前記判断手段の判断結果が新規装着の場合には、今回の装着時の動作位置を原点位置とし、再装着の場合には、当該作業部の分離時に前記位置検出手段によって検出していた動作位置を今回の装着時の動作位置とすることによって、前記位置検出手段の原点位置を修正し、装着される作業部の動作位置と前記位置検出手段によって検出される動作位置とを一致させる原点修正手段とを備えたものである。

請求項２記載の医療用マニピュレータでは、前記作業部の分離の際に、前記特定手段で特定していた作業部の特定情報と、分離時に前記位置検出手段が検出していた動作位置とを関連づけて記憶する記憶手段を備え、前記判断手段が、前記作業部の装着時に前記特定手段が作業部を特定して得られる特定情報が前記記憶手段に記憶されていないときに新規装着と判断し、記憶されているときに再装着として判断し、前記原点修正手段が、前記作業部の再装着時には、前記特定手段で得られる特定情報に対して前記記憶手段に関連付けて記憶されている動作位置を再装着時の動作位置とするものである。

請求項３記載の医療用マニピュレータでは、前記特定手段を、個々の作業部にユニークに付与され、各々の作業部に記された固有の識別子を読み取るセンサとしたものである。

請求項４記載の医療用マニピュレータでは、前記作業部が、前記駆動部からの分離した状態での動作を禁止するロック手段を備えるようにしたものである。

請求項５記載の医療用マニピュレータでは、前記作業部が、前記ロック手段によるロックを解除するロック解除手段を備えるものである。

請求項６記載の医療用マニピュレータの初期化方法では、駆動部から作業部に駆動力を伝達する伝達機構を任意の位置で結合させて、駆動部に作業部を装着するステップと、装着された作業部を特定する特定ステップと、特定された作業部が新規装着か再装着かを判断する判断ステップと、装着された作業部が新規装着のときには、今回の装着時の作業部の動作位置を原点位置とし、再装着の場合には、当該作業部の分離時に前記位置検出手段によって検出していた動作位置を今回の装着時の動作位置として原点位置の修正を行い、作業部の動作位置を検出するための初期化を行う初期化ステップとを有するものである。

本発明によれば、駆動部と作業部の各連結部材を任意の結合位置で結合できるようにするとともに、予め動作位置が原点位置とされている作業部が新規装着された場合には、その装着された作業部の動作位置を原点位置とし、再装着時には、その作業部が分離されたときの動作位置を今回の装着時の動作位置として、駆動部側での動作位置の検出を行い、装着される作業部の動作位置と検出する動作位置とを一致させるようにしたから、装着するだけで原点位置が一致するため、分離の際に作業部を原点位置に戻す必要がなく、操作性を向上することができる。また、作業部を装着する際に、強い力を与える必要もないので伝達機構を破損することもなく、伝達機構の制約をなくすこともできる。

本発明を実施した医療用マニピュレータを示す斜視図である。 駆動部に対する作業部の着脱を示す斜視図である。 各連結部材の構成を示す説明図である。 医療用マニピュレータの構成を示すブロック図である。 作業部の分離・装着時の処理を示すフローチャートである。 各連結部材を摩擦係数の高い部材で結合させる例の各連結部材の構成を示す説明図である。 各連結部材を歯列とゴムとで結合させる例の各連結部材の構成を示す説明図である。

図１に本発明を実施した医療用マニピュレータを示す。医療用マニピュレータ１０は、作業部１１、操作部１２、駆動部１３からなる。作業部１１は、駆動部１３に対して着脱自在となっており、操作部１２は、駆動部１３に取り付けられている。

作業部１１は、腹腔内で作業を行う先端動作部１５と、駆動部１３に取り付けられる取付部１６と、これら先端動作部１５と取付部１６とを連結する長尺の中空なシャフト１７とからなる。先端動作部１５は、シャフト１７内部を挿通したワイヤ等により取付部１６に内蔵した連動機構と連結してある。これにより、取付部１６に駆動力を与えることで先端動作部１５を動作させることができる。先端動作部１５及びシャフト１７は、周知のトラカールを通して腹腔内に挿入した状態とされ、腹腔外での操作部１２の操作で先端動作部１５を動作させ組織の把持や切除、縫合等を行うことができる。

図１に示す作業部１１の先端動作部１５には、鉗子となるグリッパ１８を設けてある。グリッパ１８は、開き位置と閉じ位置との間での開閉自在であり、また先端動作部１５は、シャフト１７の軸方向の回転軸１９ａと、それに直交する回転軸１９ｂを中心にそれぞれ回動自在としてある。したがって、作業部１１の動作としては、グリッパ１８の開閉と、先端動作部１５の回転軸１９ａを中心とした回転（以下、Ｘ回転という）と、回転軸１９ｂを中心とした回転（以下、Ｙ回転という）とがある。

作業部１１は、上述のように駆動部１３に対して着脱自在となっており、種類の異なる鉗子の作業部１１を装着することができる。また、１回の手術中において洗浄・滅菌された作業部１１を駆動部１３に装着する新規装着では、予め先端動作部１５が原点位置にセットされたものが装着される。

取付部１６の上面には、ロック解除ボタン２０を設けてある。後述するように作業部１１は、駆動部１３から分離されたときに、その動作がロックされるが、ロック解除ボタン２０は、このロックを手動で解除するための操作部材となっている。

操作部１２は、アーム２１と、グリップ２２と、レバー２３と、初期化ボタン２４とを備えている。アーム２１は、Ｌ字形状であり、回転軸１９ａを中心に回動自在となるように駆動部１３に取り付けてある。グリップ２２は、円柱形状であって回転軸１９ｂと平行な回転軸１９ｃを中心に回動自在にしてアーム２１に取り付けてある。

レバー２３は、グリップ２２に設けてあり、グリップ２２を握ったときに指で操作できるようにしてある。このレバー２３は、グリップ２２の表面から突出した突出位置と、その突出位置から押圧されてグリップ２２の内部に押し込まれた退避位置との間で移動自在とされ、突出位置に向けて付勢してある。

上記の操作部１２は、そのグリップ２２を術者が握持して操作する。グリップ２２を術者が握持して、回転軸１９ａを中心にアーム２１を回転させることで先端動作部１５がＸ回転し、回転軸１９ｃを中心にグリップ２２を回転させることで先端動作部１５がＹ回転する。これらアーム２１，グリップ２２の回転と先端動作部１５の回転の大きさは比例し、また同じ方向に回転するようにしてある。

なお、この例では、駆動部１３に対するアーム２１の回転によって、先端動作部１５を駆動部１３の駆動力でＸ回転しているが、アーム２１を駆動部１３に固定しておき、アーム２１を握った手をひねるなどの操作で、操作部１２とともに駆動部１３を回転軸１９ａを中心に回転させて、駆動部１３に装着された作業部１１の全体をＸ回転させることによって、先端動作部１５のＸ回転を実現するようなものであってもよい。

また、レバー２３の突出位置にグリッパ１８の開き位置を対応させ、レバー２３の退避位置にグリッパ１８の閉じ位置を対応させてあり、レバー２３の移動量に比例してグリッパ１８の開きが変化するように制御される。なお、レバー２３は、退避位置まで押圧されたときに、その位置でロックがかかり、再度押圧するとロックが解除されて突出位置に戻るようにしてもよい。

駆動部１３には、先端動作部１５を動作させるためのアクチュエータや、先端動作部１５の動作位置を検出する機構や動作を制御する回路等を内蔵している。初期化ボタン２４は、先端動作部１５を原点位置に戻す際に操作される操作部材である。この初期化ボタン２４を押圧すると、駆動部１３がその内部で検出している先端動作部１５の動作位置が原点位置となるように動作する。これにより、マニピュレータを患者から外す場合など、容易にかつ確実に先端動作部１５の動作位置を原点位置に戻すことが可能となる。

図２に示すように、取付部１６は、駆動部１３の装着面１３ａに取り付けられる。この装着面１３ａには、３個の駆動側連結部材２６を設けてあり、装着面１３ａに対面する取付部１６の下面には、各駆動側連結部材２６に対応して３個の作業側連結部材２７を設けてある。各連結部材２６，２７は、装着面１３ａの法線方向を軸として回動自在にしてある。これら各連結部材２６，２７は、駆動部１３からの駆動力を作業部１１に伝達するための伝達機構を構成している。

図３に一例を示すように、駆動側連結部材２６は、略円錐状の凸部２６ａを形成してあり、作業側連結部材２７は、駆動側連結部材２６が嵌合する凹部２７ａを形成してある。各連結部材２６，２７の表面のそれぞれには、その母線方向に沿って伸びる多数の山，谷を形成してある。これにより、取付部１６を駆動部１３に取り付けたときに、各連結部材２６，２７の相互の回転位置に関わらず、すなわち任意の結合位置で駆動側連結部材２６と作業側連結部材２７が一体に回転するように結合する。

図２に示されるように、駆動部１３にはセンサ部２８を設けてあり、このセンサ部２８に対面する取付部１６の位置にシリアル表示部２９を設けてある。センサ部２８は、作業部１１の装着・分離を検出する機能とともに、装着された作業部１１のシリアル番号を検出することで、作業部１１を特定する特定手段となっている。

センサ部２８は、４個の反射式の光学センサ２８ａから構成してあり、シリアル表示部２９は、各光学センサ２８ａに対応して設けられる１〜４枚の反射板２９ａで構成される。シリアル表示部２９には、個々の作業部１１に付与された４ビットのシリアル番号に対応した配置パターンで反射板２９ａが設けられる。各光学センサ２８ａは、反射板２９ａからの反射の有無を検出することによって、装着された作業部１１の特定情報としての４ビットのシリアル番号を検出する。なお、センサ部２８が反射板２９ａを１枚も検出していない場合は、作業部１１が未装着とされる。

この例では、反射板２９ａを用いてシリアル番号を作業部１１に記し、これをセンサ部２８で検出しているが、シリアル番号をどのような手法を用いて記してもよく、検出のためのセンサもそれに対応したものを用いればよい。例えば、取付部１６に反射板２９ａに代えて凹部を形成し、これを複数の機械式のスイッチで検出する構成できもよい。また、磁石のＮ極とＳ極のパターンでシリアル番号を表示し、これを磁気センサで検出してもよく、ＲＦＩＤタグを取付部１６に埋め込んでおき、これをタグリーダで読み取るようにしてもよい。さらには、シリアル番号を作業部１１にユニークに付与された固有の識別子としているが、固有の識別子として異なる情報を用いて作業部１１を特定するようにしてもよい。なお、作業部１１は、洗浄、滅菌等の処理が行われるので、これら処理の影響を受けないものを用いる。

図４に示すように、駆動部１３には、操作部１２の操作量を検出する検出部３１〜３３を設けてある。検出部３１は、回動軸１９ａを中心として回動されるアーム２１の回転量をアームカウント値として検出する。また、検出部３２は、回動軸１９ｃを中心として回動されるグリップ２２の回転量をグリップカウント値として検出する。さらに、検出部３３は、レバー２３の操作量であるレバー押し込み量をレバーカウント値として検出する。

検出部３１は、エンコーダ３１ａと、カウンタ３１ｂとからなる。エンコーダ３１ａは、周知のインクリメンタルタイプのものであり、回転方向を示す方向信号とともに、アーム２１が回動軸１９ａを中心として一定角度回転するごとに１個のエンコードパルスを出力する。アームカウンタ３１ｂ、エンコードパルス数をアームカウント値としてカウントするものであり、エンコーダ３１ａが１個のエンコードパルスを出力するごとに、方向信号に応じてアームカウント値を１ずつインクリメントまたはデクリメントする。

検出部３１と同様に、検出部３２は、エンコーダ３２ａと、グリップカウント値をカウントするカウンタ３２ｂとから構成し、検出部３３は、エンコーダ３３ａとレバーカウント値をカウントするカウンタ３３ｂとから構成してある。

操作側の各カウンタ３１ｂ〜３３ｂは、作業部１１が装着されたときに、駆動制御部３５によってリセットされ、各カウント値が「０」とされる。これら各カウンタ３１ｂ〜３３ｂによって、リセットされた時点からの操作部１２の操作量が検出される。例えば、アーム２１については、リセット時点のアーム２１の操作位置からの操作量がアームカウント値として検出され、アームカウント値はアーム２１を時計方向に回転させると増加し、反時計方向に回転する減少する。グリップ２２の操作量についても同様である。

レバー２３の操作量については、リセット時点の操作位置からの押し込み量が大きくなるほどレバーカウント値が増大し、押し込み量が小さくなるほどレバーカウント値が減少する。なお、操作部１２の操作量を測定する構成は、上記のものに限られない。

駆動制御部３５は、検出部３１〜３３の各カウント値に基づいて、アクチェータとしての各モータ３６〜３８を駆動する。モータ３６は、先端動作部１５をＸ回転させるためのものであり、モータ３７は、先端動作部１５をＹ回転させるためのものである。また、モータ３８は、グリッパ１８を開閉動作させるためのものである。

各モータ３６〜３８には、それぞれ駆動機構３９が連結されている。各駆動機構３９は、減速ギア列等から構成してあり、対応するモータの回転を減速して出力軸に出力する。各駆動機構３９の出力軸には、駆動側連結部材２６を取り付けてある。これにより、モータ３６〜３８の回転を、駆動機構３９，駆動側連結部材２６を介して、作業側連結部材２７に伝達する。

取付部１６の内部には、連動機構４１〜４３を設けてあり、連動機構４１〜４３には対応する作業側連結部材２７の回転が入力される。連動機構４１は、ギア列やシャフト１７内を通されて先端動作部１５に連結されたワイヤを駆動するためのプーリー等から構成してある。この連動機構４１に対応する作業側連結部材２７が回転すると、連動機構４１を介して先端動作部１５がＸ回転する。

連動機構４２，４３についても同様な構成であり、それぞれに対応する作業側連結部材２７の回転で、連動機構４２を介して先端動作部１５がＹ回転し、また連動機構４３を介してグリッパ１８が開閉する。

ロック機構４４は、作業部１１が駆動部１３から分離されているときに、先端動作部１５の各回転位置、グリッパ１８の開閉位置が変化しないようにするためのものである。このロック機構４４は、例えば作業部１１が駆動部１３から分離されているときに、連動機構４１〜４３を構成するギアに係合してその回転を禁止することによって、先端動作部１５及びグリッパ１８の動作をロックし、作業部１１が装着されているときにギアの係合を外して先端動作部１５及びグリッパ１８の動作を許容する。

また、ロック機構４４は、ロック解除ボタン２０の押圧操作に応答して、分離時にもロックを強制的に解除する解除機構を内蔵しており、ロック解除ボタン２０を押圧するとギアの係合を解除する。なお、ロック機構、及び解除機構としては、各種の構成のものを用いることができ、例えばロック機構が連動機構４１〜４３の一部として、その内部に設けたものでもよい。

駆動部１３には、作業部の動作位置を検出する位置検出手段としての検出部４５〜４７を設けてある。検出部４５〜４７は、検出部３１などと同様なエンコーダ４５ａ〜４７ａとカウンタ４５ｂ〜４７ｂとからなる。

検出部４５は、先端動作部１５のＸ回転の動作位置を検出するものであり、エンコーダ４５ａはモータ３６の回転軸に連結され、カウンタ４５ｂは、方向信号に基づいてＸカウント値を１ずつインクリメントまたはデクリメントする。同様に、検出部４６は、エンコーダ４６ａがモータ３７の回転軸に連結され、カウンタ４６ｂがエンコーダ４６ａからのエンコードパルスと方向信号に基づいてＹカウント値を増減し、検出部４７は、エンコーダ４７ａがモータ３８の回転軸に連結され、カウンタ４７ｂがエンコーダ４７ａからのエンコードパルスと方向信号に基づいてＺカウント値を増減する。

上記各検出部４５〜４７は、作業部１１を駆動部１３に装着した際に、各カウンタ４５ｂ〜４７ｂの各カウント値を、原点修正手段としての駆動制御部３５が後述するように設定することによって、先端動作部１５のＸ回転、Ｙ回転、グリッパ１８の開閉の絶対位置としての動作位置を検出する。

駆動制御部３５は、操作部１２の操作時では、アームカウント値の増減と同じだけＸカウント値を増減するようにモータ３６の回転量と回転方向を制御する。グリップカウント値とＹカウント値、レバーカウント値とＺカウント値についても同様にして、駆動制御部３５は、各モータ３７，３８の駆動を制御する。

駆動制御部３５には、先端動作部１５のＸ回転、Ｙ回転、グリッパ１８の開閉の各動作について、動作させることができる設計上の動作位置（絶対位置）の範囲を動作範囲として記憶した内部メモリ３５ａを設けてある。駆動制御部３５は、Ｘカウント値，Ｙカウント値、Ｚカウント値がそれぞれ対応する動作範囲を超えないように各モータ３６〜３８の駆動を制御する。これにより、先端動作部１５、グリッパ１８等の破壊等を防止する。

なお、作業部１１の種類毎に動作範囲を記憶しておき、装着された作業部の種類に応じた動作範囲を用いてもよい。装着された作業部の種類を特定は、上述のシリアル番号による作業部を特定する手法などを利用できる。

駆動制御部３５は、洗浄・滅菌された作業部１１が駆動部１３に新規装着された場合では、動作側の各カウンタ４５ｂ〜４７ｂをそれぞれリセットして各カウント値を原点位置に対応する「０」にする。また、駆動制御部３５は、１回の手術中において作業部１１が再装着された場合には、装着された作業部１１のシリアル番号に対応付けられた各カウント値を復帰メモリ４９から読み出し、読み出した各カウント値を各カウンタ４５ｂ〜４７にセットする。

上記のように、作業部１１の再装着時には、各カウンタ４５ｂ〜４７ｂのカウント値を設定することで、各カウンタ４５ｂ〜４７ｂが作業部１１の各動作位置の絶対位置に対応した値となるようにしている。すなわち、作業部１１の各動作位置の原点位置と、検出部４５〜４７で検出する動作位置の原点位置とが一致するように、検出部４５〜４７の原点位置を修正している。

新規装着であるか、再装着であるかは、復帰メモリ４９に当該シリアル番号の記録の有無で判断する。復帰メモリ４９は、作業部１１のシリアル番号と、各カウンタ４５ｂ〜４７ｂの各カウント値を対応付けて記憶する。この復帰メモリ４９には、作業部１１が分離されたときに、その分離された作業部１１のシリアル番号と、分離時の各カウンタ４５ｂ〜４７ｂの各カウント値とが駆動制御部３５によって書き込まれる。復帰メモリ４９の内容は、１回の手術中において維持され、同じシリアル番号に対しては、分離ごとに各カウント値を更新する。

初期化ボタン２４の押圧操作された際には、駆動制御部３５は、各カウンタ４５ｂ〜４７ｂのカウント値が「０」となるように各モータ３６，３７，３８の駆動を制御する。このことで、先端動作部１５の動作位置を原点位置に戻すことができる。

次に上記構成の作用について説明する。手術中に、作業部１１を駆動部１３に装着すると、センサ部２８が、シリアル表示部２９に設けられた少なくとも１枚の反射板２９ａを検出するため、駆動制御部３５が作業部１１の装着を検知する。作業部１１の装着が検知されると、図５に示すように、駆動制御部３５がセンサ部２８からの信号に基づいて、装着された作業部１１のシリアル番号を取得する。この取得後、復帰メモリ４９にアクセスして、そのシリアル番号が記憶されているか否かが調べられ、新規装着か、再装着かが駆動制御部３５によって判定される。

例えば、手術中に、その手術で初めて装着された作業部１１であったときには、その作業部１１のシリアル番号が復帰メモリ４９に記憶されていないため、この手術での新規装着と判定される。新規装着と判定されると、駆動制御部３５によって、動作側の各カウンタ４５ｂ〜４７ｂがリセットされて各カウント値がそれぞれ「０」とされる。さらには、操作側の各カウンタ３１ｂ〜３３ｂがリセットされての各カウント値がそれぞれ「０」とされ、初期化が完了する。

装着された作業部１１は、洗浄・滅菌された新規装着のものであるから、予め所定の調整装置で先端動作部１５がそれぞれ原点位置にセットされている。また、各連結部材２６，２７は、それらの相互の回転位置にかかわらず結合するようになっているから、先端動作部１５、グリッパ１８を動作させることなく装着される。したがって、先端動作部１５のＸ回転，Ｙ回転、グリッパ１８の開閉の各動作位置と、各カウンタ４５ｂ〜４７ｂの各カウント値とが対応した状態となる。

初期化完了後に、操作部１２の操作を行うと、その操作に応じて先端動作部１５が動作する。操作部１２が操作されて、それに応じてアームカウント値，グリップカウント値，レバーカウント値が変化すると、それに対応する検出部４５〜４７のカウント値が同じ値となるようにモータ３６〜３８が駆動される。

例えば、アーム２１を回転軸１９ａを中心に回転操作して、アームカウント値を増加させると、その増加の速さに一致してＸカウント値を増加させるように、モータ３６を正回転させる。そして、アームカウント値が「＋５」となるまでアーム２１が回転されると、Ｘカウント値が「＋５」となるまでモータ３６を正回転させる。そして、このアームカウント値が「＋５」の状態から、アームカウント値が「−１５」となるまでアーム２１を逆方向に回転操作すれば、そのアームカウント値の減少の速さに一致させながらＸカウント値が「−１５」となるまでモータ３６を逆回転させる。

モータ３６の回転は、駆動機構３９，駆動側連結部材２６，作業側連結部材２７を介して連動機構４１に伝達され、先端動作部１５がＸ回転する。これにより、上記のようにアーム２１を回転操作すれば、先端動作部１５は、原点位置からＸカウント値「＋５」に相当する動作位置にＸ回転してから、Ｘカウント値「−１５」に相当する動作位置にＸ回転する。このようにアーム２１と同じ回転方向で、またその回転量に比例した回転量で先端動作部１５がＸ回転される。

同様にグリップ２２を回転操作すれば、グリップカウント値とＹカウント値とが同じ値となるようにモータ３７が回転されることにより、グリップ２２と同じ回転方向で、またその比例した回転量で先端動作部１５がＹ回転する。

さらに、レバー２３を突出位置と退避位置との間で移動させると、エンコーダ３３ａからのレバーカウント値とＺカウント値とが同じ値となるようにモータ３８が回転されることにより、そのレバー２３の操作に応答してグリッパ１８が開閉動作する。

上記のように、操作部１２を操作すれば、その操作量で先端動作部１５、グリッパ１８が動作するが、この動作中では、駆動制御部３５によって各カウンタ４５ｂ〜４７ｂのカウント値と、それらに対応する動作範囲の上限値及び下限値とが比較される。そして、各カウント値のいずれかが動作範囲の上限値または下限値に達すると、そのカウント値に対応するモータの駆動が停止される。

例えば、先端動作部１５のＹ回転の動作範囲が「−５０」〜「＋５０」としてあり、グリップカウント値が増加して「＋６０」となった場合では、Ｙカウント値が上限値「＋５０」に達した時点でモータ３７の回転が停止される。Ｙカウント値が減少していく場合も同様であり、Ｙカウント値が下限値「−５０」に達した時点でモータ３７の回転が停止される。そして、この後にグリップ回転値がＹ回転の動作範囲内となれば、Ｙカウント値がその値となるようにモータ３７の駆動が再開される。このようにして、先端動作部１５のＹ回転が制限されて、先端動作部１５の破壊等が防止される。なお、先端動作部１５のＸ回転、グリッパ１８の開閉動作についても同様に制限され、破壊等が防止される。

上記のような制御の下で、操作部１２を操作して、装着した作業部１１の先端動作部１５を動作させて作業を行う。そして、作業部１１の交換が必要な場合には、作業部１１を駆動部１３から分離して、他の作業部１１を装着する。

センサ部２８が反射板２９ａを検出しなくなることで、作業部１１の分離を検知すると、駆動制御部３５は、それまで装着されていた作業部１１のシリアル番号と、分離時における各カウンタ４５ｂ〜４７ｂのカウント値とを対応付けて復帰メモリ４９に保存する。すなわち、分離された作業部１１の各絶対位置を示す各カウント値が復帰メモリ４９に保存される。

分離後に他の作業部１１が装着されると、駆動制御部３５は、センサ部２８からの信号に基づいて、装着された作業部１１のシリアル番号を取得し、そのシリアル番号と各カウンタ値が復帰メモリ４９に記憶されているか否かを調べ、新規装着か、再装着かを判定する。この判定で、新規装着であれば上述と同様な手順により、操作側の各カウンタ３１ｂ〜３３ｂと、動作側の各カウンタ４５ｂ〜４７をそれぞれのリセットで初期化完了してから、操作部１２の操作に応じて先端動作部１５、グリッパ１８が動作される。

一方、復帰メモリ４９に取得したシリアル番号が記憶されている場合には、この手術においての再装着と判断される。そして、再装着と判断されると、そのシリアル番号に対応付けられた各カウント値がそれぞれ対応する動作側のカウンタ４５ｂ〜４７ｂのカウント値としてセットされる。また、操作側のカウンタ３１ｂ〜３３ｂのカウント値がリセットされて「０」とされる。

このようにして、カウンタ４５ｂ〜４７ｂのカウント値のセットと、カウンタ３１ｂ〜３３ｂのカウント値のリセットを行った後に、操作部１２が操作されると、その操作量に応じて、新規装着時と同じ手順で先端動作部１５が動作される。

再装着時の作業部１１は、先端動作部１５のＸ回転、Ｙ回転、グリッパ１８の開閉の各位置については、ロック機構４４によって前回分離されたときの位置のままとなっている。また、各連結部材２６，２７は、それらの相互の回転位置にかかわらず結合するようになっているから、先端動作部１５、グリッパ１８が動作することなく前回の分離時の状態が維持されて再装着される。したがって、再装着時では、先端動作部１５は分離時のＸ回転、Ｙ回転、グリッパ１８の開閉の各位置であり、カウンタ４５ｂ〜４７ｂの各カウント値も分離時のものとなる。

そして、前述のように作業部１１を新規装着したときには、作業部１１の先端動作部１５、グリッパ１８が原点位置であり、各カウンタ４５ｂ〜４７ｂのカウント値が原点位置に対応した「０」とされるから、今回の再装着時のカウンタ４５ｂ〜４７ｂの各カウント値は、装着されている作業部の先端動作部１５のＸ回転、Ｙ回転、グリッパ１８の開閉の各絶対位置を示すものとなる。

結果として、作業部１１を再装着しても、その先端動作部１５のＸ回転、Ｙ回転、グリッパ１８の開閉の各絶対位置は、カウンタ４５ｂ〜４７ｂの各カウント値として検出するとでき、その各カウント値に基づいて先端動作部１５のＸ回転、Ｙ回転、グリッパ１８の開閉をそれぞれ各動作範囲内で動作させるように制御できる。

上記では、伝達機構を構成する各連結部材として、径方向（母線方向）に多数の山，谷を形成したものを用いたが、各連結部材としては、任意の結合位置で結合できるものであれば種々の手法で結合するものを利用することができる。例えば図６に示す例は、各連結部材２６，２７の各結合面をそれぞれ摩擦係数が高い部材５１，５２で形成したものである。また、図７に示す例は、一方（この例では駆動側）の連結部材２６の表面をゴム５３とし、作業側連結部材２７の表面に複数の歯５４ａからなる歯列５４を形成して、その各歯５４ａをゴム５３に刺し入れることで結合させるようにしている。

上記実施形態では、先端動作部を鉗子をとした場合の医療用マニピユレータの例について説明したが、電気メス等のその他の先端動作部の医療用マニピユレータについても本発明を適用することができる。また、先端動作部の自由度は「３」に限定されるものではない。

１０ 医療用マニピュレータ
１１ 作業部
１２ 操作部
１３ 駆動部
１５ 先端動作部
２６，２７ 連結部材
２８ センサ部
２９ シリアル表示部
３５ 駆動制御部
３６〜３８ モータ
３１〜３３，４５〜４７ 検出部
４９ 復帰メモリ

Claims (6)

1. アクチュエータを有する駆動部と、前記駆動部に着脱自在とされ、前記駆動部からの駆動力で動作する作業部と、前記作業部を動作させるために操作される操作部とからなり、前記作業部の動作位置を、予め設定されている動作範囲内で前記操作部の操作量に応じて変化させる医療用マニピュレータにおいて、
   前記駆動部に設けられた第１の連結部材、及び前記作業部に設けられ、第１の連結部材と任意の結合位置で結合する第２の連結部材からなり、前記アクチェータからの駆動力を前記第１の連結部材及び前記第２の連結部材を通じて前記作業部に伝達する伝達機構を備えるとともに、
   前記駆動部は、
   前記駆動部に装着されている作業部を特定する特定手段と、
   前記作業部の動作位置を検出する位置検出手段と、
   前記特定手段による特定結果に基づき、予め動作位置が原点位置に初期化されて新規装着される新規装着と前記駆動部への装着履歴のある前記作業部の再装着とを判断する判断手段と、
   前記判断手段の判断結果が新規装着の場合には、今回の装着時の動作位置を原点位置とし、再装着の場合には、当該作業部の分離時に前記位置検出手段によって検出していた動作位置を今回の装着時の動作位置とすることによって、前記位置検出手段の原点位置を修正し、装着される作業部の動作位置と前記位置検出手段によって検出される動作位置とを一致させる原点修正手段とを備えることを特徴とする医療用マニピュレータ。
2. 前記作業部の分離の際に、前記特定手段で特定していた作業部の特定情報と、分離時に前記位置検出手段が検出していた動作位置とを関連づけて記憶する記憶手段を備え、
   前記判断手段は、前記作業部の装着時に前記特定手段が作業部を特定して得られる特定情報が前記記憶手段に記憶されていないときに新規装着と判断し、記憶されているときに再装着として判断し、
   前記原点修正手段は、前記作業部の再装着時には、前記特定手段で得られる特定情報に対して前記記憶手段に関連付けて記憶されている動作位置を再装着時の動作位置とすることを特徴とする請求項１記載の医療用マニピュレータ。
3. 前記特定手段は、個々の作業部にユニークに付与され、各々の作業部に記された固有の識別子を読み取るセンサであることを特徴とする請求項１または２記載の医療用マニピュレータ。
4. 前記作業部は、前記駆動部からの分離した状態での動作を禁止するロック手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータ。
5. 前記作業部は、前記ロック手段によるロックを解除するロック解除手段を備えることを特徴とする請求項４記載の医療用マニピュレータ。
6. 作業部が駆動部に着脱自在とされ、駆動部によって、装着された作業部を予め設定されている動作範囲内で操作部の操作量に応じて動作させる医療用マニピュレータの初期化方法において、
   駆動部から作業部に駆動力を伝達する伝達機構を任意の位置で結合させて、駆動部に作業部を装着するステップと、
   装着された作業部を特定する特定ステップと、
   特定された作業部が新規装着か再装着かを判断する判断ステップと、
   装着された作業部が新規装着のときには、今回の装着時の作業部の動作位置を原点位置とし、再装着の場合には、当該作業部の分離時に前記位置検出手段によって検出していた動作位置を今回の装着時の動作位置として原点位置の修正を行い、作業部の動作位置を検出するための初期化を行う初期化ステップとを有することを特徴とする医療用マニピュレータの初期化方法。

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