JP2010268844A - 医療用マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】作業部を少なくとも使用制限回数Ｎまでは使用可能にするとともに、その後も使用が継続された場合に、過度に使用される以前にその作業部の使用中止を促す。
【解決手段】医療用マニピュレータ１０は、操作部１４と作業部１６とを有する。コントローラ２７は、操作部１４のアクチュエータブロック３０に作業部１６の接続部１５が接続されたことを認識し（Ｓ２）、ワイヤ５４ｂに対して一時的に所定の負荷を与える始業点検動作を行う。始業点検動作では、モータ４０ｄにより楕円筒体４００を回転させてワイヤ５４ｂに対して所定の張力量を付加し（Ｓ６）、モータ４０ｂによりワイヤ５４ｂを所定量だけ動作させる（Ｓ７）。張力の負荷を解除した後、モータ４０ｂを所定量動かし、そのときの負荷電流からワイヤ５４ｂの破断確認をする（Ｓ８）。
【選択図】図１１

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長寿命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が望ましいのである。従って、総合的な寿命を考慮して、製造者によって作業部の使用制限回数が設定され、医療従事者は作業部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は規定の手順に基づいて処分する。

医療用マニピュレータは、トラカールを介して先端動作部を体腔内に挿入して手技を行うことから該トラカールを通す部分が細いシャフトになっている。このシャフト内の動力伝達手段としては一般的にワイヤが用いられているが、ワイヤは可撓性部材であって使用による伸びなどの変化がある。したがって、使用回数制限は、ワイヤの寿命を１つの考慮要素して設定される。

医療用マニピュレータを使用する際には、使用回数を正確にカウント及び管理することが要求されているが、それ以外にもワイヤの状態が適正であるか確認できると好ましい。ところが、ワイヤは細いシャフト内に設けられており、目視することができず、直接的に検査する小型で適当なセンサもない。

仮に、手技の最中にワイヤが破断してしまうと作業部を交換しなければならないので、できるかぎり始業時にワイヤの状態を検査できることが望ましい。

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、可撓性部材の状態を簡便に検査することのできる医療用マニピュレータ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、所定の張力で張られた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、前記可撓性部材の張力を増加させる張力付加手段と、前記アクチュエータ部に設けられ、前記接続部が装着されたことを検出する作業部検出手段と、前記モータの負荷電流を検出する負荷検出部と、前記作業部検出手段を介して前記アクチュエータ部に前記接続部が接続されたことを認識し、前記可撓性部材に対して一時的に所定の負荷を与える始業点検動作を行う制御部とを有し、前記始業点検動作は、前記張力付加手段によって前記可撓性部材に対して所定の張力量を付加する第１処理と、前記張力付加手段による前記可撓性部材に対する負荷を解除した後に、前記モータを所定量回動させたときの負荷を前記負荷検出部によって検出し、前記可撓性部材の状態の適否を判断する第２処理とを有することを特徴とする。

これにより、細いシャフト内で目視できない可撓性部材を簡便に検査することができる。また、シャフト内にはセンサ等を設ける必要がなく、簡便構成である。

前記張力付加手段は、前記可撓性部材に対して、その延在方向に交差する方向に押圧して張力を増加させてもよい。これにより、張力付加手段を簡便に構成することができる。

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、前記張力付加手段は、２線の前記可撓性部材の略中間に設けられ、最薄部の幅が２線の前記可撓性部材の間隔よりも薄く、最厚部の幅が前記間隔よりも厚い非円形筒体であり、アクチュエータによって回転してもよい。このような非円形筒体をアクチュエータによって回転させると、２線に対して簡便に、且つバランスよく張力をかけることができる。

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おり、前記先端回転体又は該先端回転体に連動して前記先端動作部を動作させる連動部の動作制限をするストッパを有し、前記張力付加手段は、前記モータを駆動して前記先端回転体又は前記連動部をストッパに当接させることにより前記可撓性部材の張力を増加させる手段であってもよい。このようなストッパを設けることにより、張力付加手段を簡便に構成することができる。

前記先端動作部の姿勢を変更する指示を与える入力部を有し、前記制御部は、前記アクチュエータ部に前記接続部が接続されたときから、前記始業点検動作をしているときまでは前記入力部の信号を無効にしてもよい。これにより、安定した始業点検動作が可能となる。

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、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、前記制御部は時計機能を有し、前記ＩＤ認識部によって前記アクチュエータ部に装着された前記作業部の前記個体信号を識別して、装着された前記作業部が最後に使用された時刻が所定時間以内である場合には、前記始業点検動作を省略してもよい。これにより、実質的な１回の手術において何度か作業部を着脱するような場合に、始業点検動作の回数を手術回数に合わせることができ、無駄に多くの始業点検動作が行われない。

前記可撓性部材はワイヤであってもよい。

本発明は、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、所定の張力で張られた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、前記可撓性部材の張力を増加させる張力付加手段と、前記アクチュエータ部に設けられ、前記接続部が装着されたことを検出する作業部検出手段と、前記作業部検出手段を介して前記アクチュエータ部に前記接続部が接続されたことを認識し、所定の始業点検動作を行う制御部とを有し、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、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、前記制御部は時計機能を有し、前記ＩＤ認識部によって前記アクチュエータ部に装着された前記作業部の前記個体信号を識別して、装着された前記作業部が最後に使用された時刻が所定時間以内である場合には、前記始業点検動作を省略することを特徴とする。

本発明に係る医療用マニピュレータでは、細いシャフト内で目視できない可撓性部材を簡便に検査することができる。また、シャフト内にはセンサ等を設ける必要がなく、簡便構成である。可撓性部材の検査は始業点検時に行われることから、手技の最中に可撓性部材が破断してしまうことを抑制できる。

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。 ワイヤに対して始業点検動作を行うための楕円筒体及びその周辺部を示す斜視図である。 図８Ａは、始業点検動作時以外の楕円筒体とワイヤとの位置関係を示す図であり、図８Ｂは、始業点検動作時の楕円筒体とワイヤとの位置関係を示す図である。 医療用マニピュレータの始業点検動作についての手順を示すフローチャートである。 変形例に係る医療用マニピュレータの張力付加手段の模式図である。 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。

以下、本発明に係る医療用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１１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。

コントローラ２７は、時計２７ａと、モータドライバ２７ｂと、該モータドライバ２７ｂに設けられた電流センサ２７ｃとを有している。電流センサ２７ｃは、例えばホール素子であって、後述するモータ４０ａ〜４０ｃの負荷電流を検出する。

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、４０ｃ及び４０ｄ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〜４０ｄ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〜４０ｄ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〜４０ｄには、減速機４２ａ、４２ｂ、４２ｃ及び４２ｄが内蔵されている。減速機４２ａ〜４２ｄ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〜４０ｄ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〜４０ｄ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及び４４ｄ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〜４０ｄ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。

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に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（ワイヤ寿命を含む）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Ｎ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Ｎ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〜４０ｄの駆動軸に接続されて従動回転されるプーリ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄをそれぞれ回転自在に保持している。プーリ５０ａ〜５０ｄ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。プーリ５０ｄの構成については後述する（図７参照）。

接続部１５を構成するプーリ５０ａ〜５０ｄのＹ２方向下端にはそれぞれ十字状の結合凸部５１ａ、５１ｂ、５１ｃ及び５１ｄ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〜４０ｄの回転軸には十字状の結合凹部４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び４１ｄが設けられている。結合凸部５１ａ〜５１ｄと結合凹部４１ａ〜４１ｄ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〜４０ｄの回転がプーリ５０ａ〜５０ｄ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。

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。

図７に示すように、プーリ５０ｄは、往復する略平行な２線のワイヤ５４ｂの略中間に設けられ、該ワイヤ５４ｂと同じ高さに楕円筒体（張力付加手段）４００が設けられている。楕円筒体４００は、モータ４０ｄの作用下に所定角度に回転し、側面が２つのワイヤ５４ｂに対してそれぞれ内側から当接し、外方に押圧して張力を増加させる張力付加手段として作用する。張力付加手段は、ワイヤ５４ｂに対して、その延在方向（Ｚ方向）に交差する方向に押圧して張力を増加させるように簡便に構成できる。張力付加手段は、ワイヤ５４ａ〜５４ｃのうち１以上に対して張力を増加させる構成であればよく、特に、最も使用条件の厳しいものに設けるとよい。ワイヤ５４ｂは、グリッパ６０によって強い把持力を発生させることから、ワイヤ５４ａ及び５４ｃと比較して使用条件が厳しい。

楕円筒体４００の側面には、環状凹部４０２が設けられており、ワイヤ５４ｂを安定して押圧することができる。

図８Ａに示すように、楕円筒体４００は、最薄部の幅Ｗａが２線のワイヤ５４ｂの間隔Ｘａよりも薄く、最厚部の幅Ｗｂが間隔Ｘａよりも厚い非円形筒体であり、モータ４０ｄによって回転することができる。幅Ｗｂは接続部１５及びアクチュエータブロック３０の上面３０ｂの幅Ｘｂより狭く、楕円筒体４００が回転をしてもカバー３７に干渉することはない。

始業点検動作時以外のときには、楕円筒体４００は、最厚部がＺ方向、最薄部がＸ方向を指向しており、楕円筒体４００はワイヤ５４ｂから離れており、該ワイヤ５４ｂは規定の張力のままである。

図８Ｂに示すように、始業点検動作時には、楕円筒体４００は角度θだけ回転し、楕円筒体４００の両頂部４０４近傍の側面はワイヤ５４ｂを内側から外方に向かって押圧して伸ばし、張力を所定値まで増加させる。角度θは、ワイヤ５４ｂの張力増加量が所定量となるように実験、計算又はシミュレーション等に基づいて規定されている。

このように、楕円筒体４００によれば、モータ４０ｄによる簡便な回転動作に基づいて、両側のワイヤ５４ｂに対して、略同じ箇所を、略同程度にバランスよく押圧して張力を増加させることができ、プーリ５０ｂ及び５７ｂに無駄な負荷がかからない。楕円筒体４００は、始業点検動作が終了すると図８Ａに示す状態に戻る。

次に、このように構成される医療用マニピュレータ１０の作用について説明する。

先ず、操作者は手技に応じて選択した作業部１６を操作部１４に装着する。

これにより、図９のステップＳ１において、コントローラ２７では作業部検出手段１０７の信号に基づいて、作業部１６が操作部１４に装着されたことを検出する。この時点で、作業部１６の先端動作部１２は所定の基準姿勢となっており、コントローラ２７では停止モードとしてＬＥＤ２９を赤に発光させる。コントローラ２７は、この時点では作動スイッチ３５、スイッチ３６及び入力センサ３９ａ〜３９ｃ等の入力信号を無効にしておく。

ステップＳ２において、コントローラ２７では、カメラ１０６によってアクチュエータブロック３０に装着された作業部１６の個体信号を識別する。

ステップＳ３において、コントローラ２７は、作業部１６の固体信号に係る情報が記憶部に記憶されているか否かを確認する。該固体信号に係る情報が記憶されている場合にはステップＳ４へ移り、記憶されていない場合にはステップＳ６へ移る。ここでいう記憶部は、基本的にはコントローラ２７内の不揮発性記憶部（ハードディスク、記録ディスク、フラッシュメモリ等）であるが、これに限らず、複数のコントローラ２７からアクセス可能な共通端末（ホストコンピュータ、サーバ等を含む）内の記憶部でもよい。

ステップＳ４において、作業部１６の固体信号に係る情報が最後に記憶部に記憶された時刻ｔ０、つまり装着された作業部１６が最後に使用された時刻ｔ０を調べる。ここで、作業部１６が最後に使用された時刻ｔ０とは広義であって、作業部１６が最後に装着された時点から最後に取り外された時点までのいずれの時刻でもよい。

ステップＳ５において、時計機能により現在時刻ｔ１を取得し、時刻ｔ０からの経過時間ｔ２（＝ｔ１−ｔ０）を調べ、該経過時間が所定時間（例えば、１回の手術として考えられる最大の２４時間程度）以内である場合には、始業点検動作を省略することとし、ステップＳ９へ移る。経過時間Ｔ２が所定時間を超える場合にはステップＳ６へ移る。

これにより、実質的な１回の手術において何度か作業部１６を着脱するような場合に、始業点検動作の回数を手術回数に合わせることができ、無駄に多くの始業点検動作が行われない。

１回の手術において、作業部１６が何度か着脱されて多用されることがあっても、作業部１６の劣化の程度はそれほど顕著ではなく、むしろ、１回の手術が終わって蒸気及び熱の洗浄がなされることによって、樹脂部品等が劣化することが考えられる。したがって、作業部１６の使用回数Ｃは、操作部１４に対する着脱回数に応じてカウントするのではなく、手術回数に応じてカウントして始業点検動作を行うことが合理的なのである。もちろん、使用条件及び設計条件上、１回の手術で１回しか作業部１６が装着され得ない場合には、このような装着時間間隔の判断処理は不要である。

ステップＳ６においては始業点検動作を行う。まず第１処理として、モータ４０ｄによって楕円筒体４００を所定角度だけ回転させて（図８Ｂ参照）、ワイヤ５４ｂに対して張力を一時的に所定値まで増加させる。

この始業点検動作の第１処理における所定の張力は、内視鏡下外科手術において発生しうる一般的な最大負荷（経験値、実験値）に所定の安全率を乗算した値に設定されている。負荷印加時間についても、手技中に最大負荷がかかる時間と略合わせるとよい。

さらに、ステップＳ７において、張力をかけたままの状態でモータ４０ｂを介してプーリ５０ｂ及びワイヤ５４ｂを所定の動作量だけ動かす。この後、楕円筒体４００を初期位置に戻して、ワイヤ５４ｂに対する負荷を解除する。

これらのステップＳ６及びＳ７で、ワイヤ５４ｂは過度に劣化している場合には、破断することになる。

次いで、ステップＳ８において、第２処理としてモータ４０ｂを所定量回転させて、そのときの負荷電流を電流センサ２７ｃによって検出し、ワイヤ５４ｂの破断確認をする。すなわち、ワイヤ５４ｂが正常であればモータ４０ｄに対して該ワイヤ５４ｂの標準的な張力に応じたトルクが発生するはずであるので、適度な負荷電流が検出されるが、ワイヤ５４ｂが破断していればモータ４０ｄは無負荷になることから負荷電流はほとんど０となる。

このように、電流センサ２７ｃによれば、ワイヤ５４ｂの破断確認をすることができる。電流センサ２７ｃの検出結果に基づいて、ワイヤ５４ｂが正常であると判断されるときにはステップＳ９へ移り、破断していると判断されるときにはエラー処理を行う。エラー処理では、所定の警報報知を行って作業部１６の交換を促すとともに、モータ４０ａ〜４０ｄの回路遮断を行い、該作業部１６がそのまま使用されないような処置をとる。

電流センサ２７ｃは、始業点検時以外の通常の手技の最中にも負荷検出手段として用いることができ、例えば、負荷電流に基づいてグリッパ６０が針や生体組織の一部を把持しているときの把持力を求めることができる。

ステップＳ９において、作業部１６の係る情報を固体信号毎に区別して現在時刻とともに所定の記憶部に記憶する。この情報は、次回に作業部１６が装着されたときに前記のステップＳ３で読み出される。この情報の記憶タイミングは、設計条件により作業部１６が装着された時点から取り外される時点までのいずれでもよい。

この後、操作者は先端動作部１２及び連結シャフト４８をトラカール２０から体腔２２内に挿入する。

ステップＳ１０において、作動スイッチ３５、スイッチ３６及び入力センサ３９ａ〜３９ｃ等の入力信号を有効にし、この後に作動スイッチ３５及びスイッチ３６を操作することにより、動作モードに移行することができる。つまり、コントローラ２７は、アクチュエータブロック３０に接続部１５が接続されたときから、始業点検動作をしているときまでは入力部の信号を無効にしており、安定した始業点検動作が可能となる。

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、細い連結シャフト４８内で目視できないワイヤ５４ｂを簡便に検査することができる。また、連結シャフト４８内にはセンサ等を設ける必要がなく、簡便構成である。電流センサ２７ｃはコントローラ２７内に設けられており、本体の医療用マニピュレータ１０及びその作業部１６の構成には影響がない。

ワイヤ５４ｂの検査は始業点検時に行われることから、手技の最中にワイヤ５４ｂが破断してしまうことを抑制できる。なお、他のワイヤ５４ａ及び５４ｃは、ワイヤ５４ｂと比較して使用条件が厳しくないことから、最も使用条件の厳しいワイヤ５４ｂだけを検査しておけばよい。

上記の説明では、始業点検動作において、ワイヤ５４ｂに対して所定張力を付加するとともに、該ワイヤ５４ｂを所定量だけ動作させて動的負荷（ステップＳ７）を与える例を説明したが、始業点検動作ではワイヤ５４ｂに適度な負荷を与えられればよいのであって、例えばワイヤ５４ｂに対して張力を付加するだけで、ワイヤ５４ｂ自体は動かさずに静的負荷を与えるようにしてもよい。

つまり、図１０に示すように、先端回転体としてのプーリ５７ｂに小片４２０を設け、該プーリ５７ｂが最大角度まで回転したときに、小片４２０に当接してプーリ５７ｂの動作制限所定のストッパ４２２を設けてもよい。始業点検動作では、モータ４０ｂ及びプーリ５０ｂを所定方向に回転させてプーリ５７ｂをストッパ４２２によって動作制限をしてワイヤ５４ｂに静的な張力負荷をかけるようにしてもよい。動作制限をする対象は、プーリ５７ｂに限らず、プーリ５７ｂに連動して先端動作部１２を動作させる連動部のいずれでもよい。このようなストッパ４２２を設けることにより、張力付加手段を簡便に構成することができる。

上記実施形態は、例えば図１１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。

本発明に係る医療用マニピュレータは、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。

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）
３２…トリガーレバー ３４…複合入力部
４０ａ〜４０ｄ…モータ ４８…連結シャフト
５０ａ〜５０ｄ、５７ａ〜５７ｃ…プーリ ５４ａ〜５４ｃ…ワイヤ
１０４…ＩＤ部 １０６…カメラ
１０７…作業部検出手段 ４００…楕円筒体（張力付加手段）
４０２…環状凹部 ４２０…小片
４２２…ストッパ（張力付加手段） ８００…医療用ロボットシステム
Ｃ…使用回数 Ｎ…使用制限回数

Claims (8)

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、所定の張力で張られた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、
   前記可撓性部材の張力を増加させる張力付加手段と、
   前記アクチュエータ部に設けられ、前記接続部が装着されたことを検出する作業部検出手段と、
   前記モータの負荷電流を検出する負荷検出部と、
   前記作業部検出手段を介して前記アクチュエータ部に前記接続部が接続されたことを認識し、前記可撓性部材に対して一時的に所定の負荷を与える始業点検動作を行う制御部と、
   を有し、
   前記始業点検動作は、前記張力付加手段によって前記可撓性部材に対して所定の張力量を付加する第１処理と、
   前記張力付加手段による前記可撓性部材に対する負荷を解除した後に、前記モータを所定量回動させたときの負荷を前記負荷検出部によって検出し、前記可撓性部材の状態の適否を判断する第２処理と、
   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、
   前記張力付加手段は、前記可撓性部材に対して、その延在方向に交差する方向に押圧して張力を増加させ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、
   前記張力付加手段は、２線の前記可撓性部材の略中間に設けられ、最薄部の幅が２線の前記可撓性部材の間隔よりも薄く、最厚部の幅が前記間隔よりも厚い非円形筒体であり、アクチュエータによって回転することを特徴とする医療用マニピュレータ。
4. 請求項１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おり、
   前記先端回転体又は該先端回転体に連動して前記先端動作部を動作させる連動部の動作制限をするストッパを有し、
   前記張力付加手段は、前記モータを駆動して前記先端回転体又は前記連動部をストッパに当接させることにより前記可撓性部材の張力を増加させる手段であることを特徴とする医療用マニピュレータ。
5. 請求項１〜４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、
   前記先端動作部の姿勢を変更する指示を与える入力部を有し、
   前記制御部は、前記アクチュエータ部に前記接続部が接続されたときから、前記始業点検動作をしているときまでは前記入力部の信号を無効にす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、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、
   前記制御部は時計機能を有し、前記ＩＤ認識部によって前記アクチュエータ部に装着された前記作業部の前記個体信号を識別して、装着された前記作業部が最後に使用された時刻が所定時間以内である場合には、前記始業点検動作を省略す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。
8. 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、所定の張力で張られた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、
   前記可撓性部材の張力を増加させる張力付加手段と、
   前記アクチュエータ部に設けられ、前記接続部が装着されたことを検出する作業部検出手段と、
   前記作業部検出手段を介して前記アクチュエータ部に前記接続部が接続されたことを認識し、所定の始業点検動作を行う制御部と、
   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、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、
   前記制御部は時計機能を有し、前記ＩＤ認識部によって前記アクチュエータ部に装着された前記作業部の前記個体信号を識別して、装着された前記作業部が最後に使用された時刻が所定時間以内である場合には、前記始業点検動作を省略することを特徴とする医療用マニピュレータ。

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