JP2015131015A - 関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】小さい牽引力で湾曲可能とし、装置の小型化および制御特性の向上を図る。【解決手段】貫通孔１７を有する筒状の第１の部材１３ａと、その先端側に配置され、第１の部材１３ａに対して中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられた第２の部材１３ｂと、貫通孔１７の中心軸近傍を貫通し、先端が第２の部材１３ｂに固定された可撓性を有する筒状のガイドシース２１ａ，２１ｂと、その先端側に導入された操作ワイヤ２２ａ，２２ｂと、第２の部材１３ｂに揺動軸線から径方向に偏心した位置に設けられ、ガイドシース２１ａ，２１ｂを経由して第１の部材１３ａ側から導入されてきた操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを第１の部材１３ａ側にＵターンさせる折り返し部２０ａ，２０ｂとを備え、折り返し部２０ａ，２０ｂにおいてＵターンさせられた操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの先端が、径方向に偏心した位置に固定されている関節機構１２ａを提供する。【選択図】図4

Description

本発明は、関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステムに関するものである。

従来、揺動可能に連結された複数の湾曲駒を、それぞれ操作ワイヤによって独立して個々に操作する多関節湾曲機構を有する医療機器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この多関節湾曲機構は、モーメントを発生させるために各操作ワイヤによって各湾曲駒の外周に近い位置を基端側に牽引する方式である。このため、牽引力を効率的に湾曲駒に伝達するように、各操作ワイヤおよび該操作ワイヤを案内する筒状のガイドシースが、湾曲駒の比較的外周に近い経路を通るようにルーティングされている。

また、特許文献１の多関節湾曲機構では、先端側の湾曲駒に接続される操作ワイヤよりも湾曲駒の径方向の内側に基端側の湾曲駒に接続される操作ワイヤが配置されている。そして、操作ワイヤに牽引力を加えることにより各湾曲駒が他の湾曲駒に対して揺動させられると、これに伴って操作ワイヤおよびガイドシースが湾曲させられるようになっている。

特許第５１９７９８０号公報

しかしながら、特許文献１の多関節湾曲機構のように、湾曲駒の外周に近い位置にガイドシースをルーティングする場合、特に、湾曲の最も内側に配置されるガイドシースは、極めて小さな曲率半径で湾曲されなければならず、各関節の湾曲に要する牽引力が、操作ワイヤおよびガイドシースの剛性により、湾曲の度合いに従って大きく変化するという不都合がある。湾曲に応じて牽引力が変化する場合には、牽引力を増大させるために装置を大型化する必要があり、また、制御特性が悪化することにもなるので好ましくない。

また、湾曲駒の外周に近い位置にルーティングされたガイドシースは、関節湾曲時に内側に配置される場合と外側に配置される場合とで必要長さが大きく相違するため、湾曲することを想定してあらかじめ、ガイドシースを弛ませておかなければならず、その収容スペースを確保しなければならないという不都合もある。また、ガイドシース自体の剛性により、ガイドシースを弛ませるためにも力が必要となり、駆動に悪影響を及ぼす場合もある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、小さい牽引力で湾曲させることができ、装置の小型化および制御特性の向上を図ることができる関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、中心軸方向に沿って貫通する貫通孔を有する筒状の第１の部材と、該第１の部材の先端側に配置され、該第１の部材に対して前記中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられた第２の部材と、前記第１の部材の前記貫通孔の前記中心軸近傍を貫通し、先端が前記第２の部材に固定された可撓性を有する筒状のガイドシースと、該ガイドシースを経由して該ガイドシースの先端側に導入された操作ワイヤと、前記第２の部材に前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に設けられ、前記ガイドシースを経由して前記第１の部材側から導入されてきた操作ワイヤを前記第１の部材側にＵターンさせる折り返し部とを備え、該折り返し部においてＵターンさせられた前記操作ワイヤの先端が、前記第１の部材の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定されている関節機構を提供する。

本態様によれば、操作ワイヤの基端に基端側に向かう牽引力を作用させると、牽引力が操作ワイヤを先端まで伝播し、操作ワイヤをＵターンさせている折り返し部と、操作ワイヤの先端を固定している第１の部材とを相互に近接させる方向に作用する。折り返し部および操作ワイヤの第１の部材への固定位置は、揺動軸線から径方向に偏心しているので、偏心量と牽引力の大きさとに応じたモーメントが作用して、第２の部材を第１の部材に対して揺動軸線回りに一方向に揺動させることができる。

この場合において、第１の部材に対して第２の部材が揺動すると、第２の部材に先端が固定されているガイドシースも第２の部材の揺動方向に湾曲させられるが、ガイドシースが関節機構の中心軸近傍を貫通するように配置され、操作ワイヤのみが関節機構の外周近傍に配置されているので、比較的剛性の高いガイドシースが極度に小さい曲率半径で湾曲させられることを防止でき、小さい牽引力で湾曲させることができる。その結果、装置の小型化および制御特性の向上を図ることができる。

上記態様においては、前記折り返し部が、前記操作ワイヤを巻き付けてＵターンさせるプーリであってもよい。
このようにすることで、操作ワイヤに加えた牽引力によって、第１の部材に対して第２の部材が揺動させられる際に、プーリを回転させて、操作ワイヤを少ない摩擦力で移動させることができ、さらに小さい牽引力で湾曲させることができる。

また、上記態様においては、前記折り返し部が、前記操作ワイヤを貫通させることによりＵターンさせる略Ｕ字状の管状部材であってもよい。
このようにすることで、操作ワイヤに加えた牽引力によって、第１の部材に対して第２の部材が揺動させられる際に、管状部材によって定められた曲率半径を維持しつつ管状部材内で操作ワイヤを移動させることができ、安定した牽引力で湾曲させることができる。

また、上記態様においては、前記ガイドシース、前記操作ワイヤおよび前記折り返し部が、前記第２の部材を前記第１の部材に対して前記揺動軸線回りに２方向に揺動させるように、一対ずつ設けられていてもよい。
このようにすることで、一方の操作ワイヤに牽引力を加えて、第２の部材を第１の部材に対して一方向に揺動させ、他方の操作ワイヤに牽引力を加えて、第２の部材を第１の部材に対して多方向に揺動させることができる。このように揺動軸線回りに２方向に揺動させる場合には特に、ガイドシースが２方向ともに極度に小さい曲率半径で湾曲させられることを防止できる点で、ガイドシースを中心軸近傍に貫通させている効果が高い。

また、上記態様においては、一対の前記折り返し部が、一対の前記操作ワイヤを径方向に部分的に重なる位置でＵターンさせるように設けられていてもよい。
このようにすることで、折り返し部の直径を第２の部材の半径よりも大きく確保することができ、操作ワイヤをＵターンさせる際に、操作ワイヤと折り返し部との間で発生する摩擦力を低減することができる。

また、上記態様においては、前記第１の部材と前記第２の部材との間に、相互に並行する２以上の中間軸線回りに揺動可能に連結された１以上の中間部材を備えていてもよい。
このようにすることで、中間部材を中間軸線回りに揺動させることで、中間軸線の位置を揺動方向に移動させて、第１の部材に対する第２の部材の総合的な揺動角度範囲を大きく確保することができる。

また、上記態様においては、各前記中間部材に、前記ガイドシースを貫通させるシース用貫通孔と、前記操作ワイヤを貫通させるワイヤ貫通部とが設けられ、該ワイヤ貫通部が、前記中間軸線に直交する方向に延びる長孔または切欠であってもよい。
このようにすることで、第１の部材に対する第２の部材の揺動角度に応じて、長孔または切欠からなるワイヤ貫通部内において操作ワイヤを中間軸線に直交する方向に移動させることで、操作ワイヤに横方向に加わる力を極力解放し、操作ワイヤが移動する際の摩擦を低減することができる。これにより、操作ワイヤに小さい牽引力を加えるだけで第１の部材に対して第２の部材を揺動させることができる。

また、本発明の他の態様は、上記いずれかの関節機構を２以上直列に備えるマニピュレータを提供する。
本態様によれば、総合的な湾曲角度範囲をさらに大きく確保することができる。

上記態様においては、各前記関節機構に設けられた折り返し部が、各前記第２の部材の径方向および周方向に略同一の位置に配置されていてもよい。
このようにすることで、複数の第１の部材、第２の部材および折り返し部として共通する形状のものを採用することができ、部品の共通化を図ることができる。また、牽引力が作用する折り返し部および操作ワイヤの先端の固定位置を共通にして、全ての関節機構において、同等の制御特性を達成することができる。

また、上記態様においては、各前記関節機構に設けられた折り返し部が、各前記第２の部材の径方向に略同一の位置かつ周方向に異なる位置に配置されていてもよい。
このようにすることで、牽引力が作用する折り返し部および操作ワイヤの先端の固定位置を略同等に維持しながら、ガイドシースの先端開口から折り返し部に向かう操作ワイヤのルーティングを無理なく行うことができる。

また、本発明の他の態様は、筒状のマニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体の先端に設けられた基端側関節部と、該基端側関節部の先端側に直列に接続された上記いずれかの１以上の関節機構を備える先端側関節部とを備え、該基端側関節部が、前記マニピュレータ本体に揺動軸線回りに揺動可能に連結された揺動部材と、先端開口が前記マニピュレータ本体に固定された筒状のガイドシースと、該ガイドシースを経由して導入され該ガイドシースの前記先端開口から突出して延び、先端が前記揺動部材の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定された操作ワイヤとを備えるマニピュレータを提供する。

本態様によれば、マニピュレータ本体に最も近い基端側関節部においては、マニピュレータ本体側から揺動部材を基端側に牽引することにより、マニピュレータ本体に対して揺動部材を揺動させることができる。これにより、基端側関節部を貫通するガイドシースの数を減らすことができ、剛性を低減して、小さい牽引力で基端側関節部を湾曲させることができる。

また、本発明の他の態様は、中心軸方向に沿って貫通する貫通孔を有する筒状のマニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体の先端側に配置され、該マニピュレータ本体に対して前記中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられたに揺動部材と、前記マニピュレータ本体の前記貫通孔の前記中心軸近傍を貫通し、先端が前記揺動部材に固定された可撓性を有する筒状のガイドシースと、該ガイドシースを経由して該ガイドシースの先端側に導入された操作ワイヤと、前記揺動部材に設けられ、前記ガイドシースを経由して前記マニピュレータ本体側から導入されてきた操作ワイヤを前記マニピュレータ本体側にＵターンさせる折り返し部とを備え、該折り返し部においてＵターンさせられた前記操作ワイヤの先端が、前記マニピュレータ本体の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定されているマニピュレータを提供する。

本態様によれば、マニピュレータ本体の先端に単一の関節機構が配置されているマニピュレータにおいても、操作ワイヤをＵターンさせてマニピュレータ本体に先端を固定することにより、揺動軸線から径方向に十分に偏心した位置に牽引力を作用させることができ、小さい牽引力によって揺動部材を揺動させることができる。

また、本発明の他の態様は、上記いずれかのマニピュレータと、該マニピュレータを駆動する駆動部とを備えるスレーブ装置と、操作者により操作される操作部を備えるマスタ装置と、該マスタ装置の前記操作部により入力された入力信号に基づいて前記スレーブ装置の駆動部を制御するコントローラとを備えるマニピュレータシステムを提供する。

本発明によれば、小さい牽引力で湾曲させることができ、装置の小型化および制御特性の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムを示す全体構成図である。 内視鏡を備えるスレーブ装置を示す斜視図である。 図２の内視鏡の湾曲部の（ａ）簡易化した側面図、（ｂ）模式化した側面図である。 図３の湾曲部の基端側関節群を真っ直ぐに延ばした状態を示す縦断面図である。 図３の湾曲部の基端側関節群の最先端の屈曲関節を屈曲させた状態を示す縦断面図である。 図３の湾曲部の基端側関節群の最も基端側の屈曲関節を示す分解斜視図である。 図５の屈曲関節における、プーリ、ガイドシースおよび操作ワイヤの配置を示す中心軸に沿う方向に見たリンク部材の正面図である。 図４の基端側関節群における、プーリ、ガイドシースおよび操作ワイヤの配置を示す模式的な側面図および各リンク部材の正面図である。 図６の変形例を示す分解斜視図である。 図７のプーリの配置の変形例を示す（ａ）最も基端側のリンク部材、（ｂ）基端側から２番目のリンク部材、（ｃ）基端側から３番目のリンク部材の正面図である。 図７のプーリの変形例を示す正面図である。 図８の変形例を示す模式的な側面図および各リンク部材の正面図である。 屈曲方向の異なる屈曲関節を交互に配置した基端側関節群を示す側面図である。 図１３の（ａ）最も基端側のリンク部材、（ｂ）基端側から２番目のリンク部材、（ｃ）基端側から３番目のリンク部材の正面図である。 図１４の変形例を示す（ａ）最も基端側のリンク部材、（ｂ）基端側から２番目のリンク部材、（ｃ）基端側から３番目のリンク部材の正面図である。 単一の屈曲関節を有する湾曲部を示す縦断面図である。 コマの変形例を示す正面図である。 コマの他の変形例を示す正面図である。 図１８のコマを有する湾曲部を示す縦断面図である。

本発明の一実施形態に係る関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステムについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、内視鏡システム１であって、図１に示されるように、医師（操作者）Ａにより操作されるマスタ装置２と、該マスタ装置２を介した入力により駆動されるスレーブ装置３と、マスタ装置２への入力に基づいてスレーブ装置３を制御するコントローラ４と、モニタ２５とを備えている。

スレーブ装置３は、図２に示されるように、患者Ｐの体腔内に挿入される本実施形態に係る内視鏡（マニピュレータ）５と、該内視鏡５を駆動する駆動部６ａ，６ｂとを備えている。
本実施形態に係る内視鏡５は、湾曲可能な軟性の細長い挿入部７を有する軟性内視鏡であって、細長い軟性部（マニピュレータ本体）８と、先端に配置される先端部９と、これら先端部９と軟性部８との間に配置される湾曲部１０とを備えている。なお、本実施形態では、軟性内視鏡としているが、細長い硬性部を有する硬性内視鏡でもよい。

湾曲部１０は、図３（ａ），（ｂ）に示されるように、軟性部８の先端に対する先端部９の位置および姿勢を変更するための先端側関節群１１と基端側関節群１２とを備えている。先端側関節群１１と基端側関節群１２とは、挿入部７の長手方向に並んで配列されている。図３（ａ）は、湾曲部１０を簡略化した図、図３（ｂ）は、湾曲部１０を模式化した図である。

基端側関節群１２は、複数の、例えば、４つの屈曲関節（関節機構）１２ａ〜１２ｄを備えている。これらの屈曲関節１２ａ〜１２ｄは、それぞれ、２つのリンク部材１３ａ〜１３ｅの間に設けられ、隣接する２つのリンク部材１３ａ〜１３ｅ間の相対角度を変化させるようになっている。

各屈曲関節１２ａ〜１２ｄは、挿入部７の長手方向、すなわち、各リンク部材１３ａ〜１３ｅの長手軸方向に間隔をあけて平行に配される（Ｙ軸方向に沿う）軸線１４ａ〜１４ｄ回りにそれぞれ独立して屈曲させられるようになっている。各屈曲関節１２ａ〜１２ｄは、例えば、±６０°の屈曲角度範囲にわたって屈曲可能に構成され、基端側関節群１２全体として、±２４０°屈曲させることができるようになっている。なお、軸線１４ａ〜１４ｄは必ずしも平行に配されている必要はなく、屈曲することができるように並行して配列されていればよい。

本実施形態に係る屈曲関節１２ａ〜１２ｄについて、図４〜図７を参照して以下に説明する。
まず、最も基端側の屈曲関節１２ａについて詳細に説明する。
屈曲関節１２ａは、図４および図５に示されるように、軟性部８の端部を構成するリンク部材（第１の部材）１３ａと、リンク部材（第２の部材）１３ｂと、これらの間に連結された、複数、例えば、４個のコマ（中間部材）１５ａ〜１５ｄとを備えている。

各リンク部材１３ａ〜１３ｅおよび各コマ１５ａ〜１５ｄは、略平行な軸線（中間軸線）１６ａ〜１６ｅ回りに相対的に揺動可能に連結されている。なお、軸線１６ａ〜１６ｅも必ずしも平行に配置されている必要はなく、屈曲することができるように並行して配列されていればよい。

軟性部８およびリンク部材１３ａ，１３ｂには、図６に示されるように、長手方向に貫通する貫通孔１７が設けられている。また、コマ１５ａ〜１５ｄは、中央に厚さ方向に貫通する貫通孔１８を有するリング状に形成されている。リンク部材１３ｂおよび各コマ１５ａ〜１５ｄには、その両側に配置されるリンク部材１３ａ，１３ｂまたは他のコマ１５ａ〜１５ｄと２つの略平行な軸線１６ａ〜１６ｅ回りに相対的に揺動可能に連結するための２対の連結部１９ａ，１９ｂが設けられている。リンク部材１３ｂは２つの部品１３ｂ１，１３ｂ２を組み合わせて構成されている。

また、本実施形態に係る屈曲関節１２ａは、リンク部材１３ｂに回転可能に取り付けられた２つのプーリ２０ａ，２０ｂと、軟性部８の貫通孔１７およびコマ１５ａ〜１５ｄの貫通孔１８を貫通して、それらの中心軸近傍に沿って配置され、先端開口がリンク部材１３ｂの部品１３ｂ１に固定された可撓性を有する筒状のガイドシース２１ａ，２１ｂと、該ガイドシース２１ａ，２１ｂを経由して、軟性部８の基端側から導入された操作ワイヤ２２ａ，２２ｂとを備えている。

プーリ２０ａ，２０ｂは、図７に示されるように、リンク部材１３ｂとコマ１５ａとを連結している軸線１６ａを挟んで両側に、該軸線１６ａと略平行な軸線２３ａ，２３ｂ回りに回転可能にリンク部材１３ｂに取り付けられている。これにより、一対のプーリ２０ａ，２０ｂは、リンク部材１３ｂの軸線１６ａの近傍に配置されている一対のガイドシース２１ａ，２１ｂの先端開口から突出する一対の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを逆方向にＵターンさせて、それぞれ、軸線１６ａから径方向に最も離れたリンク部材１３ｂおよびコマ１５ａ〜１５ｄの外周近傍の経路に沿ってリンク部材１３ａの方向に戻すようになっている。

各コマ１５ａ〜１５ｄには一対のプーリ２０ａ，２０ｂによって外周側にＵターンさせられた一対の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂをそれぞれ貫通させる一対の貫通孔２４ａ，２４ｂが設けられている。一対のプーリ２０ａ，２０ｂによって折り返された一対の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは、各コマ１５ａ〜１５ｄの貫通孔２４ａ，２４ｂを貫通した後、その端部がリンク部材１３ａの固定部２６ａ，２６ｂにそれぞれ固定されている。

他の屈曲関節１２ｂ〜１２ｄも、上記屈曲関節１２ａと同じ構造を有している。すなわち、各屈曲関節１２ｂ〜１２ｄは、基端側に隣接する屈曲関節１２ｂ〜１２ｄの先端側のリンク部材１３ｂ〜１３ｄを第１の部材とし、先端側に隣接するリンク部材１３ｃ〜１３ｅを第２の部材として、それらの間に４個のコマ１５ａ〜１５ｄをそれぞれ備えている。各屈曲関節１２ａ〜１２ｄのガイドシース２１ａ，２１ｂ、プーリ２０ａ，２０ｂおよび操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは、図８に簡略化して示すように配置されている。

図５は基端側関節群１２の内、最も先端に配置される屈曲関節１２ｄの動作を示すものである。挿入部７の基端側から、屈曲関節１２ｄの先端側のリンク部材１３ｅまで長手方向に沿って配置された２本のガイドシース２１ａ，２１ｂによって、それぞれリンク部材１３ｅに導かれた２本の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂが、プーリ２０ａ，２０ｂによってそれぞれＵターンさせられて、屈曲関節１２ｄの基端側のリンク部材１３ｄに固定部２６ａ，２６ｂにおいて固定されている。図４のように、全ての屈曲関節１２ａ〜１２ｄが真っ直ぐに延びた状態から、図５のように一方の操作ワイヤ２２ａに牽引力Ｆをかけることで、先端の屈曲関節１２ｄのみを一方向に屈曲させることができるようになっている。なお，このとき操作ワイヤ２２ｂは屈曲に必要な分送り出されるようになっている。

先端側関節群１１は、図３（ａ）に示されるように、複数の、例えば、３つの屈曲関節（先端側屈曲関節）１１ａ〜１１ｃを備えている。これらの屈曲関節１１ａ〜１１ｃも、それぞれ、２つのリンク部材１３ｆ〜１３ｈの間に配置され、２つのリンク部材１３ｆ〜１３ｈ間の相対角度を変化させるようになっている。

基端側の２つの屈曲関節１１ａ，１１ｂは、図３（ａ）に示されるように、それぞれ、基端側関節群１２の最先端の屈曲関節１２ｄの軸線１４ｄおよびリンク部材１３ｅ〜１３ｈの長手軸を含む平面に直交する（Ｚ軸方向に沿う）軸線１４ｅ，１４ｆ回りにリンク部材１３ｆ〜１３ｈを揺動させるようになっている。また、最先端の１つの屈曲関節１１ｃは、上記屈曲関節１１ａ，１１ｂの軸線１４ｅ，１４ｆおよびリンク部材１３ｅ〜１３ｈの長手軸を含む平面に直交する（Ｙ軸方向に沿う）軸線１４ｇ回りに先端部９を揺動させるようになっている。なお、軸線１４ｅ，１４ｆは、必ずしも軸線１４ｄおよび長手軸を含む平面に直交していなくてもよく、屈曲することができるように上記平面に交差して設けられていてもよい。

全ての屈曲関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｄを動作させる操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは軟性部８の内部の貫通孔１７を通して軟性部８の基端側から湾曲部１０に導入されている。
駆動部６ａ，６ｂは、図２に示されるように、先端側関節群１１を駆動する先端側駆動部６ａと、基端側関節群１２を駆動する基端側駆動部６ｂの２つを備えている。各駆動部６ａ，６ｂは、中継部２７を介して内視鏡５の軟性部８に接続されている。

各駆動部６ａ，６ｂは、軟性部８内を経由して基端側に延びる操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの基端部を牽引して、各操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに個別に加える牽引力Ｆを調節するように、各操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの基端に取り付けられたスライダ（図示略）を備えている。各駆動部６ａ，６ｂは、電動式のアクチュエータを備える駆動源２８、もしくは手動式の手動操作用マスタ（図示略）に着脱することできるようになっている。

駆動源２８のアクチュエータは、例えば、リニアモータのようなリニアアクチュエータであり、駆動部６ａ，６ｂを取り付けると、駆動部６ａ，６ｂのスライダにアクチュエータが係合し、アクチュエータの作動によってスライダがスライドして操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに牽引力Ｆが付与されるようになっている。

また、手動操作用マスタは駆動部６ａ，６ｂを取り付けると、駆動部６ａ，６ｂのスライダに操作部が係合し、医師Ａの加えた力によってスライダがスライドして操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに牽引力Ｆが付与されるようになっている。
中継部２７には挿入部７の長手方向に沿って延び、先端面に開口する鉗子チャネル（図示略）内への処置具の挿入ポート２９が設けられている。

マスタ装置２は、図１に示されるように、内視鏡５の湾曲部１０と同じ数の関節を有する相似形の入力装置である。各関節には、その屈曲角度を検出するエンコーダ等の検出器（図示略）が備えられており、医師Ａが先端部を把持して移動させるときの検出器により検出されたマスタ装置２の各関節の屈曲角度信号を出力するようになっている。

コントローラ４はマスタ装置２から出力された屈曲角度信号により示されるマスタ装置２の各関節の屈曲角度と、内視鏡５の湾曲部１０の各屈曲関節１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｄの屈曲角度とが同じ角度となるように駆動部６ａ，６ｂを制御するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る屈曲関節１２ａ〜１２ｄ、内視鏡５および内視システム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る内視鏡５を用いて患者Ｐの体腔内の観察および処置を行うには、先端側関節群１１を駆動する先端側駆動部６ａのみに手動操作用マスタを取り付けて体腔内への挿入作業を行う。

医師Ａは、手動操作用マスタを左手に持って操作しながら、挿入部７を右手で保持して、従来の内視鏡と同様の方法で内視鏡５を体腔内に挿入していく。このとき、内視鏡５を作動させることによって体腔内の様子を撮影しモニタ２５に表示する。医師Ａは、モニタ２５を見ながら手動操作用マスタを操作することにより、先端側関節群１１を駆動させて、内視鏡５の先端部９が患部に近接するまで、挿入部７を体腔内に挿入していく。

この状態においては、基端側関節群１２を駆動する基端側駆動部６ｂには駆動源２８および手動操作用マスタが取り付けられていないので、基端側関節群１２は、先端側関節群１１の動作に倣って受動的に追従して動作させられる。これにより、基端側関節群１２によって挿入動作が妨げられずに済む。
そして、挿入部７の先端部９が患部近傍に配置されたときには、手動操作用マスタを駆動源２８に切り替えるとともに、基端側駆動部６ｂにも駆動源２８を取り付けて、医師Ａがマスタ装置２を操作する。

本実施形態に係る内視鏡５は、基端側関節群１２として合計で±２４０°屈曲する４つの屈曲関節１２ａ〜１２ｄを有しているので、湾曲部１０をＵ字状に湾曲させて内視鏡５の先端面を後方に向けることができる。また、湾曲部１０をＵ字状に湾曲させた状態でも各屈曲関節１２ａ〜１２ｄの動作範囲に余裕があるので、挿入部７の先端部９を進退させることができる。その結果、体腔への挿入方向の前方に配置される患部のみならず、襞の裏側のように、逆方向に配置される患部に対しても、観察あるいは処置し易い位置に挿入部７の先端面を向けることができるという利点がある。

図５に示すように本実施形態に係る屈曲関節１２ｄを屈曲させるには、ガイドシース２１ａ，２１ｂを経由して軟性部８の基端側に引き出されている操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの内、屈曲の内側に配されることとなる一方の操作ワイヤ２２ａに駆動源２８により牽引力Ｆを加えて牽引し、屈曲の外側に配されることとなる他方の操作ワイヤ２２ｂは外側に配される経路長に合わせて送り出す。

これにより、操作ワイヤ２２ａを先端まで伝播した牽引力Ｆによって、リンク部材１３ｅ上のプーリ２０ａとリンク部材１３ｄ上の固定部２６ａとの間の操作ワイヤ２２ａに張力が発生し、リンク部材１３ｄと１３ｅおよびその間のコマ１５ａ〜１５ｄを相対的に揺動させて、リンク部材１３ｅ上のプーリ２０ａとリンク部材１３ｄ上の固定部２６ａとが近接させられ、屈曲関節１２ｄが屈曲させられる。屈曲関節12ａ〜１２ｃについても，同様に屈曲させることができる。

この場合において、各屈曲関節１２ａ〜１２ｄにおいては、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを軟性部８の基端側から先端側のリンク部材１３ｂ〜１３ｅまで導入するガイドシース２１ａ，２１ｂが屈曲関節１２ａ〜１２ｄの中心軸近傍に沿って配置されている。このため、屈曲関節１２ａ〜１２ｄが屈曲させられる際のガイドシース２１ａ，２１ｂの曲率半径を，一般に関節外周付近に配置することで内側にシースが配される場合よりも大きく保持することができる。

さらに，湾曲方向が反転した場合においても，屈曲関節１２ａ〜１２ｄの中心軸近傍に沿って配置されているので、シースの曲率半径のずれが小さく，シースの剛性によって発生される湾曲の際の抵抗力の変動を少なく抑えることができる。
ガイドシース２１ａ，２１ｂは内側に配される操作ワイヤ２２ａよりも大径で曲げ剛性が高いので、屈曲時に曲率半径を大きく保持することで、屈曲に要する牽引力Ｆを小さくし、かつ、必要な牽引力Ｆの変動を少なく抑えることができるという利点がある。

また、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂがプーリ２０ａ，２０ｂによってＵターンするように折り返されているので、牽引力Ｆを加えられて屈曲関節１２ａ〜１２ｄが屈曲する際の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの移動が、少ない摩擦でスムーズに行われる。これにより、屈曲関節１２ａ〜１２ｄを屈曲させるための牽引力Ｆをさらに低減することができる。

また、プーリ２０ａ，２０ｂによって折り返された操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの先端は、第１の部材を構成しているリンク部材１３ａ〜１３ｄの軸線１６ｅから径方向に大きく離れた固定部２６ａ，２６ｂに固定されているので、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに加えた牽引力Ｆによって大きなモーメントを発生させることができ、屈曲関節１２ａ〜１２ｄを効率よく屈曲させることができるという利点もある。

また、本実施形態においては、各リンク部材１３ｂ〜１３ｅにおいて、周方向および半径方向の同一位置に同一の姿勢で同一のプーリ２０ａ，２０ｂを配置しているので、リンク部材１３ｂ〜１３ｅを共通化して部品の種類を少なくすることができる。

また、このような屈曲関節１２ａ〜１２ｄを有する本実施形態に係る内視鏡５は、屈曲関節１２ａ〜１２ｄの屈曲の度合いに応じた牽引力Ｆの変化を低く抑えることができる。したがって、駆動部６ａ，６ｂによる制御特性を向上することができるという利点がある。
さらに、本実施形態に係る内視鏡システム１によれば、内視鏡５の制御特性が向上されることにより、マスタ装置２の操作に対するスレーブ装置３の応答性を向上し、操作性を向上することができるという利点がある。

なお、本実施形態に係る屈曲関節１２ａ〜１２ｄにおいては、各屈曲関節１２ａ〜１２ｄを両側に湾曲させるための一対の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを案内する一対のガイドシース２１ａ，２１ｂを、軸線１６ａ〜１６ｅを挟んで隣接する位置に配置したが、スペースが許す場合には軸線１６ａ〜１６ｅ上に一列に並べて配置することが好ましい。これにより、全てのガイドシース２１ａ，２１ｂの両側に屈曲させられる際の曲率半径を同じにすることができ、シースの経路長が一定となり，シースを弛ませたりする必要がなくなり，屈曲に必要な牽引力を最も低減することができる。

また、本実施形態においては、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂをＵターンさせる折り返し部としてプーリ２０ａ，２０ｂを採用したが、これに代えて、図９に示されるように、剛性の高い材質からなり、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを貫通させることでＵターンさせるＵ字状の管状部材３０ａ，３０ｂを採用してもよい。これによっても、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは管状部材３０ａ，３０ｂによって定められた曲率を保ちながらスムーズに管状部材３０ａ，３０ｂ内を移動するので、小さな牽引力Ｆによって湾曲動作を行うことができる。また、回転するプーリ２０ａ，２０ｂのような可動部品を有しない構造により、耐久性を向上することができる。

また、本実施形態においては、第２の部材を構成する全てのリンク部材１３ｂ〜１３ｅにおいてプーリ２０ａ，２０ｂの配置を共通化したが、これに代えて、図１０（ａ）〜（ｃ）に示されるように、異なるリンク部材１３ｂ〜１３ｄにおけるプーリ２０ａ，２０ｂの配置を周方向に異ならせることにしてもよい。斜線は、対応するリンク部材１３ｂ〜１３ｄのプーリ２０ａ，２０ｂに操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを導入してくるガイドシース２１ａ，２１ｂを示している。これにより、ガイドシース２１ａ，２１ｂの先端開口をプーリ２０ａ，２０ｂに近接させることができ、ガイドシース２１ａ，２１ｂからの操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの取り回しを無理なく行うことができるという利点がある。

また、本実施形態においては、軸線１６ａを挟んだ両側の対称位置に一対のプーリ２０ａ，２０ｂを配置したが、これに代えて、図１１に示されるように、一対のプーリ２０ａ，２０ｂどうしが相互に径方向に部分的に重なるように、厚さ方向にずらして配置されていてもよい。このように配置することで、プーリ２０ａ，２０ｂの直径寸法を大きく確保することができ、折り返される操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの曲率半径を大きくして、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂにかかる負担を低減することができる。

また、本実施形態においては、全ての屈曲関節１２ａ〜１２ｄにおいてプーリ２０ａ，２０ｂにより操作ワイヤ２２ａ，２２ｂをＵターンさせることとしたが、これに代えて、図１２に示されるように、最も基端側の屈曲関節１２ａについては、軟性部８の端部のリンク部材１３ａに固定したガイドシース２１ａ，２１ｂから先端側に延ばした操作ワイヤ２２ａ，２２ｂによってリンク部材１３ｂを基端側に牽引する方式を採用してもよい。このような構成によっても、屈曲関節１２ａの屈曲によっては屈曲しない位置にガイドシース２１ａ，２１ｂを配置でき、プーリ２０ａ，２０ｂを省略して構造を簡略化することができる。

また、本実施形態においては、基端側関節群１２が略平行な軸線１４ａ〜１４ｄを有する４つの屈曲関節１２ａ〜１２ｄによって構成されていることとしたが、これに代えて、図１３に示されるように、屈曲方向を交互に直交する方向に配置した基端側関節群１２を採用してもよい。この場合、図１４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ガイドシース２１ａ，２１ｂの配置を共通にし、プーリ２０ａ，２０ｂの配置の異なるリンク部材１３ｂ〜１３ｅを交互に採用することにしてもよいし、図１５に示されるように、共通のリンク部材１３ｂ〜１３ｅの位相を９０°異ならせて使用することにしてもよい。図中、符号３１は、ガイドシース２１ａ，２１ｂよりさらに剛性の高い配線等を貫通させるチャネルである。

また、本実施形態においては、４つの屈曲関節１２ａ〜１２ｄを直列に接続した基端側関節群１２を有する内視鏡５を例示したが、これに代えて、図１６に示されるように、単一の屈曲関節１２ａを有するマニピュレータ５に適用してもよい。

また、コマ１５ａ〜１５ｄとして操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを貫通させる貫通孔２４ａ，２４ｂを有するものを例示したが、これに代えて、図１７および図１８に示されるように、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを貫通させる貫通部として、軸線１６ａ〜１６ｅに直交する方向に延びる長孔３２ａ，３２ｂまたは溝３３ａ，３３ｂを有するものを採用してもよい。

図１６に示されるように、貫通孔２４ａ，２４ｂが操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの外径より若干大きな内径を有する場合には、屈曲関節１２ａ〜１２ｄを屈曲させると、コマ１５ａ〜１５ｄが揺動することによって各コマ１５ａ〜１５ｄに設けられた貫通孔２４ａ，２４ｂが曲線上に配列されるため、貫通孔２４ａ，２４ｂを貫通する操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは貫通孔２４ａ，２４ｂを連絡するように湾曲させられる。

そして、この場合には、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに発生する張力は、牽引力Ｆの大きさによって増大するので、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂが貫通孔２４ａ，２４ｂの内面に押し付けられて摩擦が大きくなる。これに対して、図１７および図１８に示されるように、貫通部を長孔３２ａ，３２ｂまたは溝３３ａ，３３ｂにすることによって、図１９に示されるように、屈曲関節１２ａ〜１２ｄが屈曲させられたときの操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの径方向の変形を少なくして、張力が大きくなっても操作ワイヤ２２ａ，２２ｂと長孔３２ａ，３２ｂまたは溝３３ａ，３３ｂの内面との摩擦力を低減し、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂのスムーズな移動を確保することができる。なお、図１９自体は、貫通部が溝３３ａ，３３ｂの場合の屈曲状態を示している。

また、本実施形態においては、マニピュレータおよびマニピュレータシステムの一例として内視鏡５および内視鏡システム１を例示したが、これに限定されるものではなく、処置具等の他のマニピュレータおよびマニピュレータシステムに適用してもよい。
また、スレーブ装置３に設けられた内視鏡５に設けられる屈曲関節を例示したが、これに代えて、手動式の内視鏡に設けられる屈曲関節に適用してもよい。
また、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂとしては、単線、撚り線、編み線、板状等を挙げることができる。

Ａ 医師（操作者）
１ 内視鏡システム（マニピュレータシステム）
２ マスタ装置
３ スレーブ装置
４ コントローラ
５ 内視鏡（マニピュレータ）
８ 軟性部（マニピュレータ本体）
１２ａ〜１２ｄ 屈曲関節（関節機構）
１３ａ リンク部材（第１の部材）
１３ｂ リンク部材（第２の部材）
１４ａ 揺動軸線
１５ａ〜１５ｄ 中間部材
１６ａ〜１６ｅ 中間軸線
１７ 貫通孔
１８ 貫通孔（シース用貫通孔）
２０ａ，２０ｂ プーリ（折り返し部）
２１ａ，２１ｂ ガイドシース
２２ａ，２２ｂ 操作ワイヤ
２４ａ 貫通孔（ワイヤ貫通部）
３０ａ，３０ｂ 管状部材（折り返し部）
３２ａ，３２ｂ 長孔（ワイヤ貫通部）
３３ａ，３３ｂ 溝（ワイヤ貫通部）

Claims (13)

1. 中心軸方向に沿って貫通する貫通孔を有する筒状の第１の部材と、
   該第１の部材の先端側に配置され、該第１の部材に対して前記中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられた第２の部材と、
   前記第１の部材の前記貫通孔の前記中心軸近傍を貫通し、先端が前記第２の部材に固定された可撓性を有する筒状のガイドシースと、
   該ガイドシースを経由して該ガイドシースの先端側に導入された操作ワイヤと、
   前記第２の部材に前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に設けられ、前記ガイドシースを経由して前記第１の部材側から導入されてきた操作ワイヤを前記第１の部材側にＵターンさせる折り返し部とを備え、
   該折り返し部においてＵターンさせられた前記操作ワイヤの先端が、前記第１の部材の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定されている関節機構。
2. 前記折り返し部が、前記操作ワイヤを巻き付けてＵターンさせるプーリである請求項１に記載の関節機構。
3. 前記折り返し部が、前記操作ワイヤを貫通させることによりＵターンさせる略Ｕ字状の管状部材である請求項１に記載の関節機構。
4. 前記ガイドシース、前記操作ワイヤおよび前記折り返し部が、前記第２の部材を前記第１の部材に対して前記揺動軸線回りに２方向に揺動させるように、一対ずつ設けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の関節機構。
5. 一対の前記折り返し部が、一対の前記操作ワイヤを径方向に部分的に重なる位置でＵターンさせるように設けられている請求項４に記載の関節機構。
6. 前記第１の部材と前記第２の部材との間に、相互に並行する２以上の中間軸線回りに揺動可能に連結された１以上の中間部材を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の関節機構。
7. 各前記中間部材に、前記ガイドシースを貫通させるシース用貫通孔と、前記操作ワイヤを貫通させるワイヤ貫通部とが設けられ、
   該ワイヤ貫通部が、前記中間軸線に直交する方向に延びる長孔または切欠である請求項６に記載の関節機構。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の関節機構を２以上直列に備えるマニピュレータ。
9. 各前記関節機構に設けられた折り返し部が、各前記第２の部材の径方向および周方向に略同一の位置に配置されている請求項８に記載のマニピュレータ。
10. 各前記関節機構に設けられた折り返し部が、各前記第２の部材の径方向に略同一の位置かつ周方向に異なる位置に配置されている請求項８に記載のマニピュレータ。
11. 筒状のマニピュレータ本体と、
    該マニピュレータ本体の先端に設けられた基端側関節部と、
    該基端側関節部の先端側に直列に接続された、請求項１から請求項７のいずれかに記載の１以上の関節機構を備える先端側関節部とを備え、
    該基端側関節部が、前記マニピュレータ本体に揺動軸線回りに揺動可能に連結された揺動部材と、先端開口が前記マニピュレータ本体に固定された筒状のガイドシースと、該ガイドシースを経由して導入され該ガイドシースの前記先端開口から突出して延び、先端が前記揺動部材の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定された操作ワイヤとを備えるマニピュレータ。
12. 中心軸方向に沿って貫通する貫通孔を有する筒状のマニピュレータ本体と、
    該マニピュレータ本体の先端側に配置され、該マニピュレータ本体に対して前記中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられた揺動部材と、
    前記マニピュレータ本体の前記貫通孔の前記中心軸近傍を貫通し、先端が前記揺動部材に固定された可撓性を有する筒状のガイドシースと、
    該ガイドシースを経由して該ガイドシースの先端側に導入された操作ワイヤと、
    前記揺動部材に設けられ、前記ガイドシースを経由して前記マニピュレータ本体側から導入されてきた操作ワイヤを前記マニピュレータ本体側にＵターンさせる折り返し部とを備え、
    該折り返し部においてＵターンさせられた前記操作ワイヤの先端が、前記マニピュレータ本体の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定されているマニピュレータ。
13. 請求項８から請求項１２のいずれかに記載のマニピュレータと、該マニピュレータを駆動する駆動部とを備えるスレーブ装置と、
    操作者により操作される操作部を備えるマスタ装置と、
    該マスタ装置の前記操作部により入力された入力信号に基づいて前記スレーブ装置の駆動部を制御するコントローラとを備えるマニピュレータシステム。

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