JP2016511159A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

操作が容易なマニピュレータを提供するために、本発明のマニピュレータ１０は、操作部１００と、前記操作部１００の変位により直接駆動される手動関節部３７０と、前記操作部１００の変位量を検出する検出部と、前記検出部で検出された変位量に応じて動作するデバイスと、前記デバイスにより駆動される電動関節部３５０と、前記電動関節部３５０を駆動するか否かを選択して切り換える切り換え部と、を有する。

Description

この出願は、２０１３年２月８日提出の米国出願番号６１／７６２，３８６に含まれた明細書、図面、要約書の内容全体を参照により援用するものである。

本発明は、体腔内に挿入され、体腔内の各種組織に対して処置を行う際に使用される医療用のマニピュレータに関する。

従来、手術支援システムとして、操作者が操作を行うマスタマニピュレータと、マスタマニピュレータの動作に基づいて処置を行うスレーブマニピュレータとを備える医療用マニピュレータシステムが知られている。

このような医療用マニピュレータシステムを用いた手術においては、患者の腹部等に小さな孔をいくつかあけて内視鏡、マニピュレータ（又は鉗子）等を挿入し、操作者が内視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような腹腔鏡下手術は、開腹を必要としないため患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減されることから、適用分野の拡大が期待されている。

上記のようなシステムとしては、例えば、特許文献１（特開２０１０−２５３１６２号公報）には、人手によって操作されるジョイスティックと、ジョイスティックの動きに連動して電気的に駆動されるロボットアームと、ジョイスティックと一体に設けられ、人手によって操作されて第１ワイヤを進退させるトリガレバーと、ロボットアームの先端に設けられたマニピュレータとを有するシステムが開示されている。

特開２０１０−２５３１６２号公報

特許文献１におけるシステムでは、人手によりトリガレバーを操作すると、操作者は先端動作部に加わる外力を、指先で知覚することのできるように構成されている。

しかしながら、先端動作部における外力を知覚することができないジョイスティックと、上記のように先端動作部における外力を知覚することが可能なトリガレバーとは、全く異なる操作入力部であるために、操作者にとっては操作が煩雑になる、という問題があった。

本発明に係るマニピュレータは、操作部と、前記操作部の変位により直接駆動される手動関節部と、前記操作部の変位量を検出する検出部と、前記検出部で検出された変位量に応じて動作するデバイスと、前記デバイスにより駆動される電動関節部と、前記電動関節部を駆動するか否かを選択して切り換える切り換え部と、を有する。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記切り換え部がクラッチである。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記切り換え部で、前記手動関節部を駆動することが選択されている場合に、前記クラッチは結合しており、前記クラッチが前記操作部の変位を前記手動関節部に伝達する。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記切り換え部で、前記電動関節部を駆動することが選択されている場合に、前記クラッチは切断しており、前記検出部で検出された変位量に応じ前記デバイスを動作する。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記クラッチが切断したときの、クラッチ板間の位置関係を保持する切断位置関係保持部を有する。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記切断位置関係保持部は、一方のクラッチ板に設けられる凸部と、他方のクラッチ板に設けられる凹部である。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記切断位置関係保持部は、前記クラッチが切断したときの、前記検出部で検出された変位量を電磁気的に記憶する記憶部である。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記電動関節部を複数有し、複数の前記電動関節部のうち、駆動させる前記電動関節部を選択する電動関節部選択スイッチを有する。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記電動関節部を複数有し、複数の前記電動関節部のそれぞれに対応する前記デバイスを複数有し、前記検出部で検出された変位量に基づいて演算を行い、複数の前記デバイスに対しそれぞれの駆動量を指令する制御部を有する。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記演算が逆運動学を解く演算である。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記手動関節部を複数有し、複数の前記手動関節部のうち、駆動させる前記手動関節部を選択する手動関節部選択スイッチを有する。

また、本発明に係るマニピュレータは、操作部と、前記操作部の変位により直接駆動される複数の手動関節部と、前記操作部の変位量を検出する検出部と、前記検出部で検出された変位量に応じて動作するデバイスと、前記デバイスにより駆動される電動関節部と、複数の前記手動関節部を駆動するか、又は、前記電動関節部を駆動するかを選択して切り換える切り換え部と、を有する。

また、本発明に係るマニピュレータは、前記切り換え部がラック及びピニオンとからなる。

本発明に係るマニピュレータによれば、操作部の変位により直接駆動され、先端動作部における外力を知覚することが可能な手動関節と、デバイスにより駆動され、先端動作部における外力を知覚することができない電動関節と、の双方を切り換え部で選択的に切り換えることで、両関節を１つの操作部に操作することが可能となるので、操作者にとって操作が容易となる。

本実施形態に係るマニピュレータ１０の概略の構成を示す図である。 クラッチ１３０結合時における基部ケース１９０内部の構成を示す斜視図である。 クラッチ１３０切断時における基部ケース１９０内部の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係るマニピュレータ１０のブロック図である。 本実施形態に係るマニピュレータ１０の制御の流れを示すフローチャートである。 本実施形態に係るマニピュレータ１０の手動関節部３７０の操作例を示す図である。 本実施形態に係るマニピュレータ１０の電動関節部３５０の操作例を示す図である。 本実施形態に係るマニピュレータ１０の手動関節部３７０の操作例を示す図である。 他の本実施形態に係るマニピュレータ１０の要部構成を示す図である。 他の本実施形態に係るマニピュレータ１０の要部構成を示す図である。 他の本実施形態に係るマニピュレータ１０の要部構成を示す図である。 他の実施形態に係るマニピュレータ１０のブロック図である。 他の実施形態に係るマニピュレータ１０の概略の構成を示す図である。 他の実施形態に係るマニピュレータ１０のブロック図である。 他の実施形態に係るマニピュレータ１０のブロック図である。 ラック及びピニオンを用いた手動関節選択スイッチ５６０の構成例を示す図である。 他の実施形態に係るマニピュレータ１０のブロック図である。 他の実施形態に係るマニピュレータ１０の手動関節部３７０の操作例を示す図である。 他の実施形態に係るマニピュレータ１０の電動関節部３５０の操作例を示す図である。 他の実施形態に係るマニピュレータ１０の手動関節部３７０の操作例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係るマニピュレータ１０の概略の構成を示す図であり、図２はクラッチ１３０結合時における基部ケース１９０内部の構成を示す斜視図であり、図３はクラッチ１３０切断時における基部ケース１９０内部の構成を示す斜視図であり、図４は本実施形態に係るマニピュレータ１０のブロック図である。なお、図２及び図３において、点線はプーリなどの回転軸を示している。

以下、本実施形態で説明する本発明を実現する構成の１例に過ぎない。例えば、以下の例では、電動関節部３５０を駆動するデバイスとして、モーターを利用する例に基づいて、説明を行うが、これに限らず、本発明では、例えばソレノイドなどの電気エネルギーを利用するアクチュエータや、空気圧シリンダなど電気エネルギー以外のエネルギーを利用して動作するアクチュエータを利用することもできる。

図１において、左側が近位端側であり、右側が遠位端側である。マニピュレータ１０は、遠位端側を患者の体腔内に挿入し用いられるものである。また、本実施形態に係るマニピュレータ１０は、近位端側から遠位端側にかけて、患者体腔内で観察や処置を行うエンドエフェクター（不図示）が挿通されることが想定されている。なお、本実施形態に係るマニピュレータ１０は、エンドエフェクターを有する処置具を挿通するタイプのものを例として説明するが、本発明は、エンドエフェクターがマニピュレータ１０自体と着脱不能に一体とされたものについても適用可能である。

遠位端側にある基部ケース１９０は、マニピュレータ１０の操作者が操作を行う操作棹１００を有している。この操作棹１００は、１０１を回動中心として、所定角度変位させることができるようになっている。

なお、本実施形態では、マニピュレータ１０の操作部として操作棹１００を用いる場合を例に説明するが、操作棹１００に限らず、回転ノブなど、他の種類の入力用デバイスも適宜用いることができる。

また、本実施形態は、操作棹１００は２次元平面内でのみ操作可能であり、電動関節部３５０及び手動関節部３７０が、同２次元平面内で駆動される例に基づいた説明を行うが、本発明は、３次元空間内で操作できる操作棹１００を用いて、電動関節部３５０及び手動関節部３７０を、３次元空間内で駆動させるものにも適用することができる。

操作棹１００は、第１回動基部１１０と一体とされており、第１回動基部１１０にはクラッチ１３０の一方を構成する第１クラッチ板１３１が設けられている。第２回動基部１２０にはクラッチ１３０の他方を構成する第２クラッチ板１３２が設けられている。

第１クラッチ板１３１と第２クラッチ板１３２とが接触してクラッチ１３０が結合することで、第１回動基部１１０と第２回動基部１２０とが、連動するようになる。したがって、操作棹１００の操作に基づく変位量が、第２回動基部１２０に伝達されることなる。

第１クラッチ板１３１と第２クラッチ板１３２とが離間してクラッチ１３０が切断することで、操作棹１００の操作に基づく変位量は、第２回動基部１２０側に伝達されることがない。

クラッチ１３０を結合させるか、切断させるかは、不図示の機構により手動で行えるように構成する。また、クラッチ１３０の近傍にはクラッチ状態検出部１４０が設けられており、クラッチ１３０が結合しているか、又は切断しているかを検出する。このクラッチ状態検出部１４０としては、機械式のセンサや、光学式のセンサを利用することができる。

なお、本実施形態では、クラッチ１３０の結合、切断を手動で切り換えるものを例に説明しているが、電動でクラッチ１３０の結合、切断を切り換えるものを利用することができる。クラッチ１３０に用い得るものとしては、噛み合いクラッチ、電磁クラッチなどの一般的なものを用いることができる。

クラッチ状態検出部１４０で検出されるクラッチ１３０状態の検出信号は、主制御部５００に送信されるようになっている。この主制御部５００としては、例えば、汎用のマイクロコンピューターを用いることができ、主制御部５００の機能は、前記マイクロコンピューターで動作させるプログラムを準備することで実現することができる。

ロータリーエンコーダー１５０は、第１回動基部１１０が１０１を回動中心としてどの程度回転するかを検出する。すなわち、ロータリーエンコーダー１５０は、操作棹１００の変位量を検出する検出部となっている。このロータリーエンコーダー１５０による検出信号は、主制御部５００に送信されるようになっている。

本実施形態においては、操作棹１００の変位量としては、ロータリーエンコーダー１５０によって取得される第１回動基部１１０の角度θである。一方、操作棹１００がスライドするタイプのものであり、当該操作棹１００の操作をリニアエンコーダーなどにより取得すると、操作棹１００の変位量は距離情報として得られることもある。

なお、本実施形態においては、ロータリーエンコーダー１５０によって、図１において、操作棹１００が水平より上側に操作されたとき正の角度の回転角θが、また、操作棹１００が水平より下側に操作されたとき負の角度の回転角θが検出される。

主制御部５００は、電動関節部３５０を駆動するデバイスである第１モーター２１１及び第２モーター２１２に対して制御指令信号を送信し、電動関節部３５０の動作を制御することができるようになっている。

基部ケース１９０からは、遠位端側に向けて、第１硬性管３１０、電動関節部３５０、第２硬性管３２０、手動関節部３７０が順に配されている。第１硬性管３１０及び第２硬性管３２０は、比較的硬質で曲がり難くなっている。ただし、第１硬性管３１０、第２硬性管３２０に代えて、比較的柔らかく弾性的に曲がり得る可撓管を用いるようにしてもよい。

第１硬性管３１０と第２硬性管３２０との間に配されている電動関節部３５０は、円筒形状の関節輪３５３と、複数のリベット形状の軸部材３５７と、第１ワイヤ２５１、第２ワイヤ２５２とを有する。リベット形状の軸部材３５７は、関節輪３５３を折曲自在に連結して関節を形成している。

第１ワイヤ２５１の一端は関節輪３５３にロウ付け等で固着されると共に、第１ワイヤ２５１の他端は第１駆動プーリ２３１に固着されている。また、第１ワイヤ２５１は第１従動プーリ２７１に巻き掛けられている。第１駆動プーリ２３１は、第１モーター２１１の回転軸に取り付けられ、第１モーター２１１の回転駆動に伴い、第１駆動プーリ２３１で第１ワイヤ２５１を巻き取ったり、送り出したりする。これにより、第１モーター２１１の回転駆動力が関節輪３５３に伝達される。

また、第２ワイヤ２５２の一端は関節輪３５３にロウ付け等で固着されると共に、第２ワイヤ２５２の他端は第２駆動プーリ２３２に固着されている。また、第２ワイヤ２５２は第２従動プーリ２７２に巻き掛けられている。第２駆動プーリ２３２は、第２モーター２１２の回転軸に取り付けられ、第２モーター２１２の回転駆動に伴い、第２駆動プーリ２３２で第２ワイヤ２５２を巻き取ったり、送り出したりする。これにより、第２モーター２１２の回転駆動力が関節輪３５３に伝達される。

本実施形態では、第１モーター２１１及び第２モーター２１２の２つのモーターによって電動関節部３５０を駆動する例で説明を行っているが、電動関節部３５０は１つのモーターだけで駆動するようにしてもよい。

クラッチ１３０が結合していないとき、ロータリーエンコーダー１５０によって、操作棹１００の操作に伴い第１回動基部１１０が回転した角度θが取得される。ロータリーエンコーダー１５０で取得された角度θは、主制御部５００に入力される。主制御部５００は角度θに応じて、第１モーター２１１及び第２モーター２１２を制御する。これにより、操作者は操作棹１００の操作に基づいて、電動関節部３５０を動かすことができるようになっている。電動関節部３５０を操作する際には、操作者は先端関節輪３７５などにおける外力を知覚することはできない。

第２硬性管３２０から先端部に向けて配されている手動関節部３７０は、複数の円筒形状の関節輪３７３と、複数のリベット形状の軸部材３７７と、第３ワイヤ２５３とを有する。リベット形状の軸部材３７７は、各関節輪３７３間を折曲自在に連結して関節を形成している。第３ワイヤ２５３は、両端が先端関節輪３７５にロウ付け等で固着されると共に、第３駆動プーリ２３３に巻きかけられている。第３駆動プーリ２３３は、第２回動基部１２０に固着されており、第２回動基部１２０が回動中心１０１を中心として回転することに伴い、第３駆動プーリ２３３が回転する。

クラッチ１３０が結合していると、第１回動基部１１０と第２回動基部１２０とが連動するので、操作棹１００の操作により、第３駆動プーリ２３３が回転する。これにより、操作者による操作棹１００の操作が、手動関節部３７０に伝達される。このような手動関節部３７０の操作では、操作者は先端関節輪３７５などにおける外力を知覚することが可能となる。

次に、以上のように構成される本実施形態に係るマニピュレータ１０の制御について説明する。図５は本実施形態に係るマニピュレータ１０の制御の流れを示すフローチャートである。このようなフローチャートは、主制御部５００によって実行される。

図５において、ステップＳ１００で、処理が開始されると、続く、ステップＳ１０１では、クラッチ状態検出部１４０からの検出信号が取得される。ステップＳ１０２では、クラッチ状態検出部１４０からの検出信号に基づいて、クラッチ１３０が切断しているかが判定される。

ステップＳ１０２における判定がＮＯである場合、すなわち、クラッチ１３０が結合している状態であるときは、操作者が手動関節部３７０を操作しようとしている場合である。このとき、主制御部５００は、第１モーター２１１や第２モーター２１２などの制御を行わない。

一方、ステップＳ１０２における判定がＹＥＳである場合、すなわち、クラッチ１３０が切断している状態であるときは、ステップＳ１０３に進み、ロータリーエンコーダー１５０より角度θを取得する。

続いて、ステップＳ１０４において、θ≧0であるか否かが判定される。

ステップＳ１０４の判定がＹＥＳである場合には、ステップＳ１０５で、|θ|に応じて第１モーター２１１を駆動し、第１ワイヤ２５１を巻き取り、ステップＳ１０６で、|θ|に応じて第２モーター２１２を駆動し、第２ワイヤ２５２を送り出す。

一方、ステップＳ１０４の判定がＮＯである場合には、ステップＳ１０７で、|θ|に応じて第１モーター２１１を駆動し、第１ワイヤ２５１を送り出し、ステップＳ１０８で、|θ|に応じて第２モーター２１２を駆動し、第２ワイヤ２５２を巻き取る。

以上のような制御に基づく、本実施形態に係るマニピュレータ１０の操作例を説明する。図６乃至図８は本実施形態に係るマニピュレータ１０の操作例を示す図である。

操作者がクラッチ１３０を結合状態とした場合、図７に示すように、操作棹１００の操作により、手動関節部３７０が動作する。このとき、手動関節部３７０は、操作棹１００の変位により直接駆動される状態となっており、操作者は先端関節輪３７５などにおける外力を知覚することが可能となる。

次に、操作者がクラッチ１３０を切断状態とした場合、図６に示すように、操作棹１００の操作により、電動関節部３５０が動作する。電動関節部３５０は、ロータリーエンコーダー１５０により取得された情報に基づいて、第１モーター２１１、第２モーター２１２が制御されることで、動作されるもので、操作者は先端関節輪３７５などにおける外力を知覚することはできない。

図８は、再び、操作者がクラッチ１３０を結合して、操作棹１００の操作により、手動関節部３７０を動作させている状態を図示するものである。

以上のような本実施形態に係るマニピュレータ１０によれば、操作棹１００の変位により直接駆動され、先端動作部における外力を知覚することが可能な手動関節部３７０と、電気エネルギーで動作するデバイスにより駆動され、先端動作部における外力を知覚することができない電動関節部３５０と、の双方をクラッチ１３０などの切り換え部で選択的に切り換えることで、両関節を１つの操作棹１００に操作することが可能となるので、操作者にとって操作が容易となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。これまで説明した実施形態においては、操作棹１００の操作により、手動関節部３７０を動作させて、クラッチ１３０をいったん切断し、電動関節部３５０を操作した後、再び、クラッチ１３０を結合して手動関節部３７０の操作を行う場合、前回の手動関節部３７０の角度と操作棹１００の角度の関係性を復元するものではなく、問題であった。

これに対して、本実施形態では、クラッチ１３０が切断したときの、クラッチ板間の位置関係を保持するようにして、この問題を解消する。

クラッチ板間の位置関係を保持しておく方法として、物理的に保持する方法、又は電磁気的な記憶素子をもって保持する方法を挙げることができる。まず、前者の方法について、図９乃至図１１を参照して説明する。

本他の実施形態に係るマニピュレータ１０には、クラッチ１３０切断時のクラッチ板間の位置関係を保持するために、例えば、第１クラッチ板１３１に凸部１３７を設け、一方の第２クラッチ板１３２には、当該凸部１３７が嵌入することができる凹部１３８を設けるようにする。

上記のように構成することで、まず、操作棹１００の操作により、手動関節部３７０を動作させて、クラッチ１３０をいったん切断する際には、図９に示すように、第２クラッチ板１３２を有する第２回動基部１２０の位置が凹部１３８の位置によって保持されることとなる。

次に、電動関節部３５０を操作した後、再び、クラッチ１３０を結合して手動関節部３７０の操作を行おうとする場合、操作棹１００の位置が、例えば、図１０に示すような状態では、クラッチ１３０が結合しないようになる。

そこで、操作者は操作棹１００の位置を調整することで、図１１に示すような第２クラッチ板１３２の凹部１３８に、第１クラッチ板１３１の凸部１３７が嵌入し、クラッチ１３０が結合する位置を探すようにする。これにより、クラッチ１３０再接続時には、前回の手動関節部３７０の角度と操作棹１００の角度の関係性を復元することが可能となり、操作者はより直感的な操作を行うことができるようになる。

以上の実施形態においては、第１クラッチ板１３１に凸部１３７を、また、第２クラッチ板１３２に凹部１３８を設けることで、物理的にクラッチ板間の位置関係を保持するようにしたが、このためにクラッチ板に設ける構成は、凸部や凹部に限定されるものではない。

次に、クラッチ板間の位置関係を、電磁気的な記憶素子をもって保持する例について説明する。図１２は他の実施形態に係るマニピュレータ１０のブロック図である。

これまで説明した実施形態においては、クラッチ１３０を結合させるか、切断させるかは、不図示の機構により手動で行えるように構成したが、本実施形態においては、クラッチ１３０としては電磁クラッチを用い、クラッチ駆動部５３０により、クラッチ１３０の結合、切断を電磁的に行い得るようにする。

また、操作者がクラッチ１３０を結合させるか、切断させるかを選択するには、クラッチ駆動信号入力部５２０への指示を行うことで、これを行うようにする。

また、本実施形態においては、クラッチ１３０が切断したときの、ロータリーエンコーダー１５０で検出された変位量（本実施形態では、角度θ）を電磁気的に記憶する記憶部５１０を設けるようにしている。このような記憶部５１０としては、マイクロコンピューター内の記憶エリアを用いてもよいし、別途、メモリーを用意するようにしてもよい。

上記のような構成において、まず、操作棹１００の操作により、手動関節部３７０を動作させて、クラッチ１３０をいったん切断する際には、記憶部５１０にロータリーエンコーダー１５０で検出された角度θを記憶することで、第２クラッチ板１３２を有する第２回動基部１２０の位置が保持されることとなる。

次に、電動関節部３５０を操作した後、再び、クラッチ１３０を結合するために、操作者がクラッチ駆動信号入力部５２０に対して、クラッチ１３０の結合を指示する。このとき、クラッチ駆動部５３０は、記憶部５１０に記憶された角度θに基づく位置関係に操作棹１００が戻らない限り、クラッチ１３０を結合しないようにさせないように設定する。

上記のような設定においては、操作者がクラッチ駆動信号入力部５２０に対して、クラッチ１３０の結合を指示した後、操作棹１００を操作しつつ、記憶部５１０に記憶された角度θに基づく位置関係を探すようにする。

クラッチ駆動部５３０は、角度θに基づく位置関係に操作棹１００がくると、クラッチ１３０を結合する。

以上により、クラッチ１３０再接続時には、前回の手動関節部３７０の操作状態を復元することが可能となり、操作者はより直感的な操作を行うことができるようになる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図１３は他の実施形態に係るマニピュレータ１０の概略の構成を示す図であり、図１４は他の実施形態に係るマニピュレータ１０のブロック図である。

図１乃至図８で説明した実施形態では、電動関節部３５０を１つのみ設けた構成であったが、本実施形態に係るマニピュレータ１０は、電動関節部３５０に加え、第２の電動関節部３６０を有している。

本実施形態に係るマニピュレータ１０は、電動関節部３５０を駆動する第１モーター２１１及び第２モーター２１２に相当する、第２の電動関節部３６０を駆動する第３モーター２１３及び第４モーター２１４を設けている。

なお、図１３には、ワイヤ２５７にて第２の電動関節部３６０を駆動する第３モーター２１３及び第４モーター２１４などの構成については図示省略しているが、第２の電動関節部３６０に係る構成も、電動関節部３５０と同様のものを採用することができる。

また、本実施形態に係るマニピュレータ１０は、動作させる電動関節部を、第１の電動関節部３５０とするか、又は、第２の電動関節部３６０とするかを選択する電動関節選択スイッチ５５０（電動関節部選択スイッチ）を操作棹１００に有している。電動関節選択スイッチ５５０からの出力は、主制御部５００に入力されるようになっている。主制御部５００は、電動関節選択スイッチ５５０からの出力に応じて、第１の電動関節部３５０を駆動するために第１モーター２１１及び第２モーター２１２を制御するか、第２の電動関節部３６０を駆動するために第３モーター２１３及び第４モーター２１４を制御するか、の選択を行う。

本実施形態では、電動関節部を２つ設ける構成としたが、マニピュレータ１０に採用する電動関節部の数は、これに限定されるものではない。

以上のような実施形態によれば、操作棹１００に設けられた電動関節選択スイッチ５５０の切り換えで、1つの操作棹１００で複数の電動関節部を操作することが可能となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態も、図１３及び図１４に示した実施形態と同様、複数の電動関節部を有するものであり、マニピュレータ１０の概略の構成としては図１３にしめしたものと同様のものを用いることができる。

一方、マニピュレータ１０の制御のためには、図１５に示すブロック図のものを用いるようにする。このブロック図が、図１４に示したブロック図と異なる点は、電動関節選択スイッチ５５０の代わりに、逆運動学解析アルゴリズム記憶部５７０が設けられている点である。

逆運動学解析アルゴリズム記憶部５７０に記憶されているプログラムは、主制御部５００が、第１モーター２１１、第２モーター２１２、第３モーター２１３、第４モーター２１４を制御するときに参照するものである。逆運動学解析アルゴリズム記憶部５７０としては、マイクロコンピューター内の記憶エリアを用いてもよいし、別途、独立したメモリーを用意するようにしてもよい。

逆運動学解析アルゴリズム記憶部５７０に記憶されるプログラムにより、主制御部５００は、操作棹１００の操作に応じて検出される角度θに基づいて、逆運動学を解くことで、第１の電動関節部３５０を駆動する第１モーター２１１及び第２モーター２１２の制御量、及び、第２の電動関節部３６０を駆動する第３モーター２１３及び第４モーター２１４の制御量を決定する。

本実施形態では、電動関節部を２つ設ける構成としたが、マニピュレータ１０に採用する電動関節部の数は、これに限定されるものではない。

以上のような実施形態によれば、操作棹１００のみで、複数の電動関節部を容易に操作することが可能となる。

なお、複数の電動関節部を設け、操作する電動関節部を選択する電動関節選択スイッチ５５０を用いることに代えて、複数の手動関節部を設け、後述する手動関節選択スイッチ５６０を用いるようにすることもできる。この場合、操作棹１００の変位を、手動関節部に伝達するクラッチを複数設けるようにする。

複数の手動関節部のうち、どの手動関節部を操作するかを選択する手動関節選択スイッチ５６０（手動関節部選択スイッチ）として、クラッチを用いることもできるが、以下の例では、クラッチの代わりに、ラック及びピニオンによる機構を採用する場合について説明する。

図１６はラック及びピニオンを用いた手動関節選択スイッチ５６０の構成例を示す図である。なお、図１６に示す手動関節選択スイッチ５６０は、手動関節部を駆動するか、又は、電動関節部を駆動するか、の切り換えも行い得るものである。また、図１７はマニピュレータ１０に手動関節選択スイッチ５６０を用いたときの制御系のブロック図である。

本実施形態に係るマニピュレータ１０は、不図示の第１手動関節部、及び、第２手動関節部を有するものである。第３ワイヤ２５３の一端は第１ラック４１０に、また、第４ワイヤ２５４の一端は第２ラック４２０に固着されている。一方、第３ワイヤ２５３の他端、及び、第４ワイヤ２５４の他端は不図示の第１手動関節部に固着されている。第１手動関節部は、第３ワイヤ２５３及び第４ワイヤ２５４の変位によって動作する。

同様に、第５ワイヤ２５５の一端は第３ラック４３０に、また、第６ワイヤ２５６の一端は第４ラック４４０に固着されている。一方、第５ワイヤ２５５の他端、及び、第６ワイヤ２５６の他端は不図示の第２手動関節部に固着されている。第２手動関節部は、第５ワイヤ２５５及び第６ワイヤ２５６の変位によって動作する。

第１ピニオン４５０は、互いに対向する第１ラック４１０及び第２ラック４２０の両方に噛み合っており、第１ピニオン４５０が回転すると、第３ワイヤ２５３、第４ワイヤ２５４を変位させることができる。

また、第２ピニオン４６０は、互いに対向する第３ラック４３０及び第４ラック４４０の両方に噛み合っており、第２ピニオン４６０が回転すると、第５ワイヤ２５５、第６ワイヤ２５６を変位させることができる。

操作棹１００には、操作棹ピニオン４００が設けられている。操作棹ピニオン４００の回転軸は、操作棹１００の回動中心と重なるようになっている。

また、操作棹１００はスライドすることで、図１６の上下に動くことができるようになっている。

操作棹１００は（Ａ）側にスライドすることで、操作棹ピニオン４００が第１ラック４１０と噛み合った状態となる。

また、操作棹１００は（Ｂ）側にスライドすることで、操作棹ピニオン４００が第４ラック４４０と噛み合った状態となる。

このような操作棹１００のスライドにより、操作棹１００により、第１手動関節部、又は、第２手動関節部のいずれかを選択して操作することができるようになっている。

また、操作棹１００が、図１６に示す（Ｃ）のポジションにあるときは、操作棹位置検出部５８０がこれを検出して、操作棹１００の変位量をロータリーエンコーダー１５０によって検出する。

上記変位量に基づいて、主制御部５００は、電動関節部３５０を駆動するデバイスである第１モーター２１１及び第２モーター２１２に対して制御指令信号を送信し、電動関節部３５０の動作を制御する。

以上のように構成される他の実施形態に係るマニピュレータ１０の操作例を図１８乃至図２０に基づいて説明する。

図１８は、操作棹１００を（Ａ）側にスライドし、操作棹ピニオン４００が第１ラック４１０と噛み合った状態を示しており、これにより、操作棹１００で第１手動関節部を動作させている状態を示している。

この状態から、操作棹１００をスライドして、第１ラック４１０、第４ラック４４０のいずれのラックとも噛み合っていない状態に遷移させたものが図１９である。このとき、操作棹１００による操作により、電動関節部３５０が動作する。

さらに、図２０は、操作棹１００を（Ｂ）側にスライドし、操作棹ピニオン４００が第４ラック４４０と噛み合った状態を示しており、これにより、操作棹１００で第２手動関節部を動作させている状態を示している。

以上のような実施形態によれば、手動関節部が複数あり、複雑な構造であったとしても、１つの操作棹１００で操作することが可能であるので、操作が容易となる。

本発明に係るマニピュレータは、操作棹部の変位により直接駆動され、先端動作部における外力を知覚することが可能な手動関節と、電気エネルギーで動作するデバイスにより駆動され、先端動作部における外力を知覚することができない電動関節と、の双方を切り換え部で選択的に切り換えることで、両関節を１つの操作棹部に操作することが可能となるので、操作者にとって操作が容易となり、この発明の産業上の利用性は非常に大きい。

１０：マニピュレータ
１００：操作棹（操作部）
１０１：回動中心
１１０：第１回動基部
１２０：第２回動基部
１３０：クラッチ（切り換え部）
１３１：第１クラッチ板
１３２：第２クラッチ板
１３７：凸部
１３８：凹部
１４０：クラッチ状態検出部
１５０：ロータリーエンコーダー（検出部）
１９０：基部ケース
２１１：第１モーター
２１２：第２モーター
２１３：第３モーター
２１４：第４モーター
２３１：第１駆動プーリ
２３２：第２駆動プーリ
２３３：第３駆動プーリ
２５１：第１ワイヤ
２５２：第２ワイヤ
２５３：第３ワイヤ
２５４：第４ワイヤ
２５５：第５ワイヤ
２５６：第６ワイヤ
２５７：ワイヤ
２７１：第１従動プーリ
２７２：第２従動プーリ
３１０：第１硬性管
３２０：第２硬性管
３５０：（第１）電動関節部
３５３：関節輪
３５７：軸部材
３６０：（第２）電動関節部
３６３：関節輪
３６７：軸部材
３７０：手動関節部
３７３：関節輪
３７５：先端関節輪
３７７：軸部材
４００：操作棹ピニオン
４１０：第１ラック
４２０：第２ラック
４３０：第３ラック
４４０：第４ラック
４５０：第１ピニオン
４６０：第２ピニオン
５００：主制御部
５１０：記憶部
５２０：クラッチ駆動信号入力部
５３０：クラッチ駆動部
５５０：電動関節選択スイッチ（電動関節部選択スイッチ）
５６０：手動関節選択スイッチ（手動関節部選択スイッチ）
５７０：逆運動学解析アルゴリズム記憶部
５８０：操作棹位置検出部

Claims (13)

1. 操作部と、
   前記操作部の変位により直接駆動される手動関節部と、
   前記操作部の変位量を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された変位量に応じて動作するデバイスと、
   前記デバイスにより駆動される電動関節部と、
   前記電動関節部を駆動するか否かを選択して切り換える切り換え部と、を有するマニピュレータ。
2. 前記切り換え部がクラッチである請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記切り換え部で、前記手動関節部を駆動することが選択されている場合に、
   前記クラッチは結合しており、前記クラッチが前記操作部の変位を前記手動関節部に伝達する請求項２に記載のマニピュレータ。
4. 前記切り換え部で、前記電動関節部を駆動することが選択されている場合に、
   前記クラッチは切断しており、前記検出部で検出された変位量に応じ前記デバイスを動作する請求項２又は請求項３に記載のマニピュレータ。
5. 前記クラッチが切断したときの、クラッチ板間の位置関係を保持する切断位置関係保持部を有する請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
6. 前記切断位置関係保持部は、一方のクラッチ板に設けられる凸部と、他方のクラッチ板に設けられる凹部である請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
7. 前記切断位置関係保持部は、前記クラッチが切断したときの、前記検出部で検出された変位量を電磁気的に記憶する記憶部である請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
8. 前記電動関節部を複数有し、
   複数の前記電動関節部のうち、駆動させる前記電動関節部を選択する電動関節部選択スイッチを有する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
9. 前記電動関節部を複数有し、
   複数の前記電動関節部のそれぞれに対応する前記デバイスを複数有し、
   前記検出部で検出された変位量に基づいて演算を行い、複数の前記デバイスに対しそれぞれの駆動量を指令する制御部を有する請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
10. 前記演算が逆運動学を解く演算である請求項９に記載のマニピュレータ。
11. 前記手動関節部を複数有し、
    複数の前記手動関節部のうち、駆動させる前記手動関節部を選択する手動関節部選択スイッチを有する請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
12. 操作部と、
    前記操作部の変位により直接駆動される複数の手動関節部と、
    前記操作部の変位量を検出する検出部と、
    前記検出部で検出された変位量に応じて動作するデバイスと、
    前記デバイスにより駆動される電動関節部と、
    複数の前記手動関節部を駆動するか、又は、前記電動関節部を駆動するかを選択して切り換える切り換え部と、を有するマニピュレータ。
13. 前記切り換え部がラック及びピニオンとからなる請求項１２に記載のマニピュレータ。

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