JP2022138072A - ロボット装置、手術マニピュレータ、並びにシステム - Google Patents

Abstract

【課題】複数のリンクをヒンジ結合した構造からなり、ヒンジ部分での信号及び電力伝送用の配線を簡易化したロボット装置を提供する。
【解決手段】ロボット装置は、複数のリンクと、隣接するリンク間を接続する、変形可能な信号伝送部からなるヒンジ部を具備する。信号を伝送する信号伝送路層と信号伝送路層間を絶縁する低剛性の絶縁層とを積層して構成されるフレキシブル回路基板を有し、前記複数のリンクは、それぞれ前記フレキシブル回路基板の両側又は少なくとも片側に強剛性材料を接合して構成され、前記ヒンジ部は、前記フレキシブル基板の両側に強剛性材料を接合せずに構成される。
【選択図】 図９

Description

本明細書で開示する技術（以下、「本開示」とする）は、複数のリンクをヒンジ結合したロボット装置、手術マニピュレータ、並びにシステムに関する。

最近、手術システムにロボティックス技術を取り入れてきているが、その主な目的として、術者の手の振戦の抑止、操作支援や術者間の技量の相違の吸収、遠隔からの手術の実施などが挙げられる。

ここで、複数のリンクをヒンジ結合した構成の手術マニピュレータにおいては、信号や電力伝送のための配線を引き回す必要があるために、以下のような問題が生じる。
（１）機構設計上の構造レイアウトが大きく制約される。
（２）線材剛性により、ロボット動作時に制御系へ悪影響を及ぼす。
（３）アセンブリ難易度が上昇する。
（４）エンドエフェクタ装着時に配線の接続を誤るリスクがある。
（５）洗浄や滅菌といった医療要件への対応が難化する。

例えば、一枚板に複数の層をラミネート氏部分的に切断することで、折り紙のような３次元形状に展開する３次元構造の製作方法が提案されている（特許文献１を参照のこと）。この製作方法に基づいて、ロボットの製造が簡易化されるが、一方で、メカニカルグランドから離れた遠位端に駆動部をマウントする場合、電気配線を外部から引き回す必要があるため、電気配線の剛性や張力によって制御性能に悪影響を及ぼすことが懸念される。

特表２０１４－５１２９７３号公報

本開示の目的は、複数のリンクをヒンジ結合した構造からなり、ヒンジ部分での信号及び電力伝送用の配線を簡易化したロボット装置、リンク構造体からなり術具を装着する手術マニピュレータ、並びにシステムを提供することにある。

本開示は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、
複数のリンクと、
隣接するリンク間を接続する、変形可能な信号伝送部からなるヒンジ部と、
を具備するロボット装置である。

信号を伝送する信号伝送路層と信号伝送路層間を絶縁する低剛性の絶縁層とを積層して構成されるフレキシブル回路基板を有する。そして、前記複数のリンクは、それぞれ前記フレキシブル回路基板の両側又は少なくとも片側に強剛性材料を接合して構成される。また、前記ヒンジ部は、前記フレキシブル基板の両側に強剛性材料を接合せずに構成される。

前記信号伝送路層は、電気信号を伝送する導電層からなる。そして、第１の側面に係るロボット装置が開リンク構造からなる場合、前記フレキシブル基板の両端に、前記信号伝送路層が露出して形成される電気信号授受用の電極パッドを含む。また、第１の側面に係るロボット装置が閉リンク構造からなる場合、少なくとも一部のリンクに接合された強剛性材料は開口部を有し、前記開口部を介して前記信号伝送路層が露出して形成される電気信号授受用の電極パッドを含む。

また、前記閉リンク構造を複数連結して、第１の側面に係るロボット装置を構成することもできる。

また、本開示の第２の側面は、
術具と、
複数のリンクと、変形可能な信号伝送部を含み隣接するリンク間を接続するヒンジ部とからなり、遠位端のリンクで前記術具を装着するリンク構造体と、
を具備する手術マニピュレータである。

前記リンク構造体は、前記術具の軸線上の所定のトロッカー挿入点を固定して前記術具をピボット操作することができる。

また、本開示の第３の側面は、
複数のリンクと、隣接するリンク間を接続する変形可能な信号伝送部からなるヒンジ部からなり、遠位端のリンクにエンドエフェクタを装着するロボット装置と、
エンドエフェクタの認証を行う認証サーバと、
を具備し、
前記ロボット装置は、前記エンドエフェクタから前記信号伝送部を介して読み出した識別情報を前記認証サーバに送信し、
前記認証サーバは、前記ロボット装置から受信した識別情報に基づいて前記エンドエフェクタの認証処理を行い、前記エンドエフェクタ用の構成データを取得する、
システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

本開示によれば、複数のリンクをヒンジ結合した構造からなり、ヒンジ内部を信号及び電力伝送用の配線が経由することにより、配線の引き回しを簡易化したロボット装置、配線の引き回しを簡易化したリンク構造体からなり術具を装着する手術マニピュレータ、並びに、手術マニピュレータに装着された術具の認証などの処理を行うシステムを提供することができる。

なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本開示によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本開示が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。

本開示のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、本開示に適用される電気回路基板１００の断面構成例を示した図である。 図２は、ＦＣＢを利用して構成される開リンク構造体２００の一例を示した図である。 図３は、ＦＣＢを利用して構成される閉リンク構造体３００の一例を示した図である。 図４は、ＦＣＢを利用して構成される開リンク構造体４００の他の例を示した図である。 図５は、ＦＣＢを利用して構成される閉リンク構造体５００の他の例を示した図である。 図６は、図３及び図５に示した閉リンク構造体の自由度構成を示した図である。 図７は、平行リンク機構からなる自由度構成モデル６００の動作例を示した図である。 図８は、平行リンク機構からなる自由度構成モデル６００の動作例を示した図である。 図９は、マニピュレータ９００の構成例を示した図である。 図１０は、マニピュレータ９００の自由度構成モデルを示した図である。 図１１は、マニピュレータ９００の自由度構成モデルを示した図である。 図１２は、術具をマニピュレータ９００に装着して使用する例を示した図である。 図１３は、マニピュレータ９００が術具情報の取得を行うシステム１３００の構成例を示した図である。 図１４は、マニピュレータ１４００の３次元イメージ例を示した図である。

以下、図面を参照しながら本開示について、以下の順に従って説明する。

Ａ．概要
Ｂ．基本構成
Ｃ．マニピュレータの構成
Ｄ．マニピュレータのキネマティクス
Ｅ．術具の使用例
Ｆ．効果
Ｇ．変形例

Ａ．概要
マニピュレータの配線が困難になる１つの大きな原因として、ヒンジ構造がピンを軸とした回転構造をベースとしていることが挙げられる。多自由度ロボットアームのように、関節（回転軸）とリンクが直列又は並列に連なった構造をなす場合、アームの遠位端に接続されるエンドエフェクタへの配線を、できるだけ回転軸及びリンクの中心を通すように設計される。ところが、配線を中心に寄せるほど、組み立てや分解が困難になり、製造コストや故障リスクが高まる。

産業用ロボットアームのように、リンクから離れた位置で配線する空中配線によれば、組み立て及び分解のサービス性は向上するが、ケーブル剛性の低下による制御性能への悪影響や、ユーザによる製品運用時に誤って配線を切断するリスクが生じる。付言すれば、複数種類のエンドエフェクタを交換して運用する場合、交換の度に配線を行う必要があり、作業負担が過大である。

また、手術マニピュレータに用いられる場合、エンドエフェクタとしての術具の清潔性を確保するために、交換の度に術具を洗浄及び滅菌処理するとともに、清潔領域と非清潔領域を構造的に分離する必要がある。配線が煩雑であると、滅菌工程が困難になる。また、電気配線に精通しているとは限らない医療従事者が術具の交換作業を行うことを想定して、配線構造を分かり易くシンプルに構成する必要がある。

そこで、本開示は、複数のリンクで構成され、先端（又は、遠位端）に搭載するエンドエフェクタ（例えば、術具）の交換が容易で、且つ清潔領域と非清潔領域を構造的に分離することが可能となる配線構造を持つ手術マニピュレータを提案する。後述するように、本開示に係る手術マニピュレータは、リンク間を接続するヒンジ内部を経由する新しい配線構造と、複数のエンドエフェクタを簡便に切り替え可能なハードウェア及びシステム構成を備える。

Ｂ．基本構成
本開示に係る手術マニピュレータは、低剛性で且つ可撓性を有する柔軟な電気回路基板を利用して、複数のリンクと、リンク間を接続するヒンジを形成するものである。このような基本構成によれば、ヒンジ内部を経由する配線構造を実現することができる。

図１には、本開示に適用される電気回路基板１００の断面構成例を示している。同図から分かるように、電気回路基板１００は、高電子ポリマーやポリイミドからなる絶縁層と、銅やアルミなどの金属を蒸着して形成される導電層を含み、複数の絶縁層及び導電層の組を接着層で接合した多層構造体である。このような多層構造からなる電気回路基板１００の製造方法は特に限定されない。例えば、あらかじめ作成した導電層に対して接着層を設けることによって、絶縁層と導電層を接着する方法も挙げられる。

そして、最終的に、絶縁層、導電層及び接着層を含む多層構造を、ポリイミドなどからなる低剛性材料で被覆することによって、低剛性で且つ可撓性を有する電気回路基板１００が実現する。本明細書では、このような多層構造で低剛性及び可撓性を有する電気回路基板のことを、ＦＣＢ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）とも呼ぶことにする。ＦＣＢは、一般的なＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）と同じでもよい。

図２には、ＦＣＢを利用して構成される開リンク構造体２００の一例を示している。図示の開リンク構造体２００は、低剛性のＦＣＢ２０１を中心に配置して、ＦＣＢ２０１に比べて大きな剛性を有する強剛性材料からなる１対の強剛性部２０２及び２０３をＦＣＢ２０１の表裏に接合して、剛性を有するリンク２１１を構成することができる。強剛性材料として、例えばチタン、ステンレス、鉄などの金属や、カーボン、アルミナなどのセラミックスを挙げることができる。また、ＦＣＢ２０１の表面及び裏面と強剛性部２０２及び２０３を接合する方法として、熱プレスや接着などを挙げることができる。もちろん、これら以外の接合方法を用いてもよい。

同様に、１対の強剛性部２０４及び２０５をＦＣＢ２０１の表裏に接合して剛性を有するリンク２１２を構成し、１対の強剛性部２０６及び２０７をＦＣＢ２０１の表裏に接合して剛性を有するリンク２１３を構成し、１対の強剛性部２０８ａ及び２０９ａをＦＣＢ２０１の表裏に接合して剛性を有するリンク２１４ａを構成し、１対の強剛性部２０８ｂ及び２０９ｂをＦＣＢ２０１の表裏に接合して剛性を有するリンク２１４ｂを構成することができる。なお、開リンク構造体２００の両端のリンク２１４ａ及び２１４ｂは、それぞれの端部に、ＦＣＢ２０１の導電層を外界に露出させた、電気接続用又は信号取り出し用の電極パッド２０１ａ及び２０１ｂを有する。

リンク２１１とリンク２１２間、リンク２１２とリンク２１３間、リンク２１３とリンク２１４ａ間、及びリンク２１４ｂとリンク２１１間は、ＦＣＢ２０１によって接続されるヒンジ部２２１、２２２、２２３、２２４を構成している。上述したようにＦＣＢ２０１は低剛性で且つ可撓性を有する柔軟な電気回路基板であることから、各ヒンジ部２２１、２２２、２２３、２２４は、それぞれ隣接するリンク間の回転自由度を付与する「関節」として機能することができる。

そして、各ヒンジ部２２１、２２２、２２３、２２４において、ＦＣＢ２０１内の導電層は関節（又は、回転軸）を通過するので、ヒンジ内部を経由する配線構造を実現すると言うことができる。リンク間で回転動作が発生しても、導電性に影響する張力や圧縮力などのストレスは低く抑えられるので、制御性能への悪影響や配線が切断するリスクは極めて低い。

図３には、ＦＣＢを利用して構成される閉リンク構造体３００の一例を示している。図示の閉リンク構造体３００は、図２に示した開リンク構造体２００の、積層された絶縁層、導電層、及び接着層からなるＦＣＢ２０１を折り曲げる。そして、両端のリンク２１４ａ及び２１４ｂを、それぞれ設けられた電極パッド２０１ａ及び２０１ｂ同士を接合させて、４つのリンク２１１～２１４からなる閉リンク構造を構成している。ここで、接合されたリンク２１４ａ及び２１４ｂを、新たにリンク２１４と定義する。リンク２１１とリンク２１２間はヒンジ２２１で接続され、リンク２１２とリンク２１３間はヒンジ２２２で接続され、リンク２１３とリンク２１４間はヒンジ２２３で接続され、リンク２１４とリンク２１１間はヒンジ２２４で接続されている。そして、対向するリンク２１１とリンク２１３の長さ、及びリンク２１２とリンク２１４の長さがそれぞれ等しいので、平行リンク機構（又は、４節リンク機構）を構成することができる。この場合、原動リンクが動くと従動リンクが同じ動きをし、対向するリンクの角度が常に維持される。

図４には、ＦＣＢを利用して構成される開リンク構造体４００の他の例を示している。図２に示した開リンク構造体２００と同様に、開リンク構造体４００は、低剛性のＦＣＢ４０１を中心に配置して、１対の強剛性部４０２及び４０３をＦＣＢ４０１の表裏に接合して剛性を有するリンク４１２を構成するとともに、１対の強剛性部４０６及び４０７をＦＣＢ４０１の表裏に接合して剛性を有するリンク４１３を構成し、１対の強剛性部４０８ａ及び４０９ａをＦＣＢ２０１の表裏に接合して剛性を有するリンク４１４ａを構成し、１対の強剛性部４０８ｂ及び４０９ｂをＦＣＢ４０１の表裏に接合して剛性を有するリンク４１４ｂを構成している。また、開リンク構造体４００の両端のリンク４１４ａ及び４１４ｂの各端部に電極パッド４０１ａ及び４０１ｂを有する点も、開リンク構造体２００と同様である。そして、リンク４１１とリンク４１２間、リンク４１２とリンク４１３間、リンク４１３とリンク４１４ａ間、及びリンク４１４ｂとリンク４１１間は、ＦＣＢ４０１によって接続されるヒンジ部４２１、４２２、４２３、４２４を構成している。

但し、開リンク構造体４００は、強剛性部４０３が中央に開口部を有し、その開口部を介してＦＣＢ４０１の導電層を外界に露出させることによって、リンク４１１が電気接続用又は信号取り出し用の電極パッド４３１を有し、強剛性部４０５が中央に開口部を有し、その開口部を介してＦＣＢ４０１の導電層を外界に露出させることによって、リンク４１２が電気接続用又は信号取り出し用の電極パッド４３２を有し、さらに強剛性部４０７が中央に開口部を有し、その開口部を介してＦＣＢ４０１の導電層を外界に露出させることによって、リンク４１３が電気接続用又は信号取り出し用の電極パッド４３３を有する点が、開リンク構造体２００とは相違する。

また、図５には、ＦＣＢを利用して構成される閉リンク構造体５００の一例を示している。図示の閉リンク構造体５００は、図４に示した開リンク構造体４００を構成するＦＣＢ４０１を折り曲げて、両端のリンク４１４ａ及び２４４ｂを、それぞれ設けられた電極パッド４０１ａ及び４０１ｂ同士を接合させて、閉リンク構造を構成している。そして、接合されたリンク４１４ａ及び４１４ｂを、新たにリンク４１４と定義する。

閉リンク構造体５００は、図３に示した閉リンク構造体３００と同様に、対向するリンク４１１とリンク４１３の長さ、及びリンク４１２とリンク４１４の長さがそれぞれ等しいので、平行リンク機構（又は、４節リンク機構）を構成することができる。したがって、原動リンクが動くと従動リンクが同じ動きをし、対向するリンクの角度が常に維持される。但し、開リンク構造体５００は、リンク４１１、４１２、４１３がそれぞれ電気接続用又は信号取り出し用の電極パッド４３１、４２２、電極パッド４３３を有する点が、開リンク構造体３００とは相違する。

図６には、図３及び図５に示した閉リンク構造体の自由度構成を模式的に示している。図６に示す自由度構成モデル６００は、４本のリンク６０１～６０４と、隣接するリンク間を接続する４個のジョイント６１１～６１４で構成される。これらリンク６０１～６０４及びジョイント６１１～６１４は、低剛性のＦＣＢを中心に配置したものであり、このうちリンク６０１～６０４はＦＣＢの表裏両側に強剛性材料からなる強剛性部を接合して構成される。

隣接するリンクは、リンク間のＦＣＢのみの部分で屈曲することで、角度が変化する。各ジョイント６１１～６１４は、ＦＣＢのみからなり、言い換えれば導電層は回転軸を通過するので、、ヒンジ内部を経由する配線構造を実現している。各ジョイント６１１～６１４は、それぞれ紙面に直交する軸回りに回転自由度を持つ受動関節とみなすことができる。

対向するリンク６０１とリンク６０３の長さ、及びリンク６０２とリンク６０４の長さがそれぞれ等しいので、自由度構成モデル６００は平行リンク機構（又は、４節リンク機構）を構成する。したがって、原動リンクが動くと従動リンクが同じ動きをし、対向するリンクの角度が常に維持される。図７及び図８には、リンク６０４を固定リンクとして、原動リンクとしてのリンク６０１と受動リンクとしてのリンク６０３が時計回り及び反時計回りに回転する様子を示している。

Ｃ．マニピュレータの構成
図９には、図５に示したような、少なくとも一部のリンクが電極パッドを備えた閉リンク構造体を複数連結させて構成される、パラレルリンク構造のマニピュレータ９００の構成例を示している。

マニピュレータ９００は、遠位端から順に、閉リンク構造体９１０、閉リンク構造体９２０、閉リンク構造体９３０の順に連結されている。このうち、近位端側の閉リンク構造体９３０の１つのリンク９３４がメカニカルグランド（又は、固定リンク）となっている。

リンク９３４の一端にヒンジ結合されるリンク９３１には、開リンク構造体９４０のリンク９４１が連結されている。また、開リンク構造体９４０のリンク９４２は、一端がメカニカルグランドとなっている直動アクチュエータ９５０によって紙面水平方向（又は、ｘ方向）に変位することができる。したがって、リンク９３１は、原動リンクとなる。また、リンク９３１に対向するリンク９３３は従動リンク、その他のリンク９３２は中間リンクとなる。

なお、各閉リンク構造体９１０～９３０、及び開リンク構造体９４０の具体的な構成は、図１～図６に示したものと同様なので、ここでは詳細な説明を省略する。

開リンク構造体９４０は、リンク９４２の１箇所に電極パッド９４３を有するとともに、リンク９４１の１箇所に電極パッド９４４を有している。電極パッド９４３は第１の信号Ｖ₁の入出力に使用され、電極パッド９４４は閉リンク構造体９３０側との間で第１の信号Ｖ₁の伝送に使用される。

閉リンク構造体９３０のリンク９３１は、電極パッド９４４と対向する位置に、１箇所の電極パッド９３５を有している。そして、導電性の接合部９６１を介して電極パッド９４４と電極パッド９３５の通電性を確保しながら、開リンク構造体９４０のリンク９４１が閉リンク構造体９３０側のリンク９３１に固定されている。したがって、閉リンク構造体９３０は、開リンク構造体９４０との間で第１の信号Ｖ₁の伝送が可能である。また、閉リンク構造体９３０は、リンク９３４の１箇所に電極パッド９３６を有している。電極パッド９３６は、第２の信号Ｖ₂の入出力に使用される。

閉リンク構造体９３０は、リンク９３２の２箇所に、それぞれ第１の信号及び第２の信号用の電極パッド９３７及び９３８を有している。また、閉リンク構造体９２０側の、リンク９３２に連結されるリンク９２４は、電極パッド９３７及び９３８の各々と対向する位置に、２箇所の電極パッド９２５及び９２６を有している。そして、それぞれ導電性を有する接合部９６２及び９６３を介して電極パッド９２５と電極パッド９３７間、及び電極パッド９２６と電極パッド９３８間の通電性を確保しながら、リンク９２４がリンク９３２に固定されている。したがって、閉リンク構造体９３０と閉リンク構造体９２０の間で、第１の信号Ｖ₁及び第２の信号Ｖ₂の伝送が可能である。

閉リンク構造体９２０は、リンク９２３の２箇所に、それぞれ第１の信号Ｖ₁及び第２の信号Ｖ₂用の電極パッド９２７及び９２８を有している。また、閉リンク構造体９１０側の、リンク９２３に連結されるリンク９１１は、電極パッド９２７及び９２８の各々と対向する位置に、２箇所の電極パッド９１５及び９１６を有している。そして、それぞれ導電性を有する接合部９６４及び９６５を介して電極パッド９１５と電極パッド９２７間、及び電極パッド９１６と電極パッド９２８間の通電性を確保しながら、リンク９１１がリンク９２２に固定されている。したがって、閉リンク構造体９２０と閉リンク構造体９１０の間で、第１の信号Ｖ₁及び第２の信号Ｖ₂の伝送が可能である。

閉リンク構造体９１１のリンク９１３、マニピュレータ９００の遠位端のリンクに相当し、鉗子などの術具からなるエンドエフェクタ（図９には図示しない）の装着部を構成している。そして、リンク９１３の２箇所に、それぞれ第１の信号Ｖ₁及び第２の信号Ｖ₂用の電極パッド９１７及び９１８を有している。したがって、マニピュレータ９００は、遠位端に装着されたエンドエフェクタとの間で、第１の信号Ｖ₁及び第２の信号Ｖ₂の伝送が可能である。

マニピュレータ９００に装着して用いられる術具は、例えば、術具の種類や仕様、性能、又は個体情報を識別するための術具識別ＩＤや、マニピュレータ９００上で使用の是非を判定するための認証情報、術具を操作する際の校正データなどを記憶するメモリを保持している。そして、マニピュレータ９００は、遠位端の電極パッド９１７及び９１８からなる電気的インターフェースを通じて術具にアクセスして、術具識別ＩＤをメモリから読み取って、該当する認証情報や校正データなどを術具内のメモリに伝送することができる。

本実施形態に係るマニピュレータ９００においては、第１の信号Ｖ₁及び第２の信号Ｖ₂の伝送に使用される信号線がヒンジ内部を経由する配線構造である。このため、マニピュレータ９００が動作してリンク間で回転動作が発生しても、導電性に影響する張力や圧縮力などのストレスは低く抑えられるので、制御性能への悪影響や配線が切断するリスクは極めて低い。

信号伝送路上では、エンドエフェクタである術具への制御信号や電力、術具内のメモリから読み出した情報の信号などが伝送される。

なお、図９には、マニピュレータ９００は第１の信号Ｖ₁及び第２の信号Ｖ₂の２ビットからなる信号伝送路を有する実施例を示したが、信号伝送路のビット幅を３ビット以上に容易に拡張することができる。

図９では、説明の便宜上、マニピュレータ９００を真横から見た平面図とし、各リンクを線材のように描いて説明した。実際には、リンクはＦＣＢを基材とするため、一定の幅を持つ剛体である。図１４には、図９に示したマニピュレータ９００と同じ自由度からなるマニピュレータ１４００の３次元イメージ例を示している。

図１４では、マニピュレータ１４００の遠位端のリンクに、鉗子などの術具からなるエンドエフェクタが取り付けられている様子を示している。エンドエフェクタの装着部からメカニカルグランドまでの配線の引き回しを容易にすることができる。特に、エンドエフェクタ周りの空中配線を省略することによって、清潔領域と非清潔領域の分離や洗浄・滅菌作業が容易になる。また、リンク部分に取り付けられる強剛性部に開口を穿設することによって、マニピュレータの任意の位置で電気信号を入出力するための電極パッドを設けることが可能であることから、機械設計の自由度が向上する。

Ｄ．マニピュレータのキネマティクス
このＤ項では、上記Ｃ項において図９を参照しながら説明したマニピュレータ９００のキネマティクスについて説明する。

マニピュレータ９００が遠位端に装着した術具を操作して外科手術を行う場合、低侵襲の都合から、術具を挿通させたトロッカー付近に対してできるだけ小さな負荷で手術が行われるようにする必要があり、このため、トロッカー挿入点を支点として（又は、トロッカー挿入点を固定して）術具をピボット操作することで、トロッカー挿入点に発生する力積をゼロにする操作を行うことが理想的である。

図１０には、図９に示したマニピュレータ９００の自由度構成モデルを示している。但し、図１０では、高剛性の各リンクを太線で描き、リンク間を接続するヒンジ部分を回転軸と同軸の円で示している。また、隣接する閉リンク構造体の接合部分のリンクも簡素化のため１本の太線で描いている。

図１０中、閉リンク構造体９３０のリンク（固定リンク）９３４の軸線と、遠位端の閉リンク構造体９１０の術具の装着場所であるリンク９１３の軸線は、点Ａで交差する。

図１１には、直動アクチュエータ９５０をｘ方向に変位させることによって、開リンク構造体９４０を介して、閉リンク構造体９３０の原動リンクであるリンク９３１を紙面反時計回りに回転させた様子を示している。他の閉リンク構造体９２０及び閉リンク構造体９１０の各リンクが、それぞれ閉リンク構造体９３０の対応するリンクとの平行な関係が保たれていることを想定すると、閉リンク構造体９３０のリンク（固定リンク）９３４の軸線と、遠位端の閉リンク構造体９１０の術具の装着場所であるリンク９１３の軸線は、同じく点Ａで交差する。すなわち、交点Ａが不動点となる。

したがって、交点Ａがトロッカー挿入点となるように設定することによって、リンク９１３に装着した術具を用いて低侵襲手術を実現することができる。

Ｅ．術具の使用例
図１２には、術具をマニピュレータ９００に装着して使用する例を示している。図示の術具１２００は、マニピュレータ９００の遠位端のリンク９１３側の電極パッド９１７及び９１８の各々と電気接続する２個の電極パッド１２０１及び１２０２を有している。したがって、術具１２００は、マニピュレータ９００との間で、第１の信号Ｖ₁及び第２の信号Ｖ₂の伝送が可能である。

術具は、例えば、術具の種類や仕様、性能、又は個体情報を識別するための術具識別ＩＤや、マニピュレータ９００上で使用の是非を判定するための認証情報、術具を操作する際の校正データ、製造年月日などを記憶するメモリを保持している。そして、マニピュレータ９００は、遠位端の電極パッド９１７及び９１８からなる電気的インターフェースを通じて術具にアクセスして、術具識別ＩＤをメモリから読み取って、該当する認証情報や校正データなどを術具内のメモリに伝送することができる。

図１３には、マニピュレータ９００が、遠位端に装着した術具１２００の認証と、校正データなどの術具情報の取得を行うシステム１３００の構成例を示している。

病院などの手術施設１３１０内には、術具を装着したマニピュレータ９００と、マニピュレータ９００に装着された術具の認証処理を行う認証サーバ１３１１が配置されている。

マニピュレータ９００は、装着中の術具から読み出した術具識別ＩＤを認証サーバ１３１１に転送する。

認証サーバ１３１１は、マニピュレータ９００から取得した術具識別ＩＤをクラウド１３２０にアップロードして、クラウド１３２０とマニピュレータ９００間に介在して、術具の認証処理を行う。

そして、認証サーバ１３１１は、認証処理に成功すると、クラウド１３２０から術具の校正データをダウンロードして、マニピュレータ９００に転送する。マニピュレータ９００は、認証サーバ１３１１から受け取った校正データを、第１の信号及び第２の信号の伝送路を通じて遠位端の術具に伝送して、術具内のメモリに書き込む。この結果、マニピュレータ９００が術具を用いて外科手術を行うことが可能な状態になる。

Ｆ．効果
このＦ項では、本開示を適用したマニピュレータによってもたらされる効果について説明する。

（１）本開示によれば、マニピュレータの遠位端のエンドエフェクタの装着部からメカニカルグランドまでの配線の引き回しを容易にすることができる。特に、マニピュレータを手術ロボットに適用した場合、エンドエフェクタ周りの空中配線を省略することによって、清潔領域と非清潔領域の分離や洗浄・滅菌作業が容易になる。また、また、リンク部分に取り付けられる強剛性部に開口を穿設することによって、ロボットアームの任意の位置で電気信号を入出力するための電極パッドを設けることが可能であることから、機械設計の自由度が向上する。ロボットアームの任意の位置で電気信号を入出力

（２）一般に手術ロボットは、一度の手術で複数種類の術具を交換する必要がある。本開示によれば、術具内のメモリに保持されている術具識別ＩＤなどの情報を読み出して、認証処理を行ったり、術具識別ＩＤに基づいて対応する構成データなどの情報を取得して、術具のメモリに書き込んだり、手術ロボットの制御コンピュータに伝送したりすることができる。

Ｇ．変形例
このＧ項では、上述した実施形態について説明する。

（１）上述した実施形態では、マニピュレータの基材となるＦＣＢに敷設する配線は電気配線であったが、信号の伝送媒体は特に限定されない。例えば、光ファイバを敷設したＦＣＢを基材としてマニピュレータを構成するようにしてもよい。例えば、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）のような光ファイバ式歪みセンサをヒンジ部分に内包してリンクの歪みを計測することで、例えばエンドエフェクタの先端に外力が加わったときに生じるロボットアームの歪みを計測し、その計測結果に基づいて外力を推定することができる。

（２）基材となるＦＣＢには、チップ抵抗器やＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの電気部品をマウントすることによって、ロボットアーム上に直接、制御用又はその他の用途の電気回路を構成することができる。

（３）ＦＣＢの信号入出力用に、電気パッドではなく、非接触式アンテナなどを用いてもよい。

（４）ロボットアームの遠位端に装着した術具の認証データや構成データを、クラウド（又は、手術施設外のデータサーバ）が伝送されることもある。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本開示について詳細に説明してきた。しかしながら、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本開示は、主に網膜手術などの眼球手術に適用することができるが、トロッカーを介して術具を体内に挿入して行うさまざまな手術にも、同様に適用することができる。また、本開示は、例えばマスタスレーブ方式のロボットを用いた遠隔操作又は操作支援や、手術ロボットの自律制御にも適用することができる。

また、本開示に係るマニピュレータに装着される術具は、鉗子以外にも、攝子、気腹チューブ、エネルギー処置具、顕微鏡や内視鏡（腹腔鏡や関節鏡などの硬性内視鏡、消化管用内視鏡や気管支鏡などの軟性内視鏡）などの医療用観察装置でもよい。

要するに、例示という形態により本開示について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

なお、本開示は、以下のような構成をとることも可能である。

（１）複数のリンクと、
隣接するリンク間を接続する、変形可能な信号伝送部からなるヒンジ部と、
を具備するロボット装置。

（２）信号を伝送する信号伝送路層と信号伝送路層間を絶縁する低剛性の絶縁層とを積層して構成されるフレキシブル回路基板を有し、
前記複数のリンクは、それぞれ前記フレキシブル回路基板の両側又は少なくとも片側に強剛性材料を接合して構成され、
前記ヒンジ部は、前記フレキシブル基板の両側に強剛性材料を接合せずに構成される、
上記（１）に記載のロボット装置。

（３）前記信号伝送路層は、電気信号を伝送する導電層からなる、
上記（２）に記載のロボット装置。

（４）開リンク構造からなり、
前記フレキシブル基板の両端に、前記信号伝送路層が露出して形成される電気信号授受用の電極パッドを含む、
上記（３）に記載のロボット装置。

（５）閉リンク構造からなり、少なくとも一部のリンクに接合された強剛性材料は開口部を有し、前記開口部を介して前記信号伝送路層が露出して形成される電気信号授受用の電極パッドを含む、
上記（３）に記載のロボット装置。

（６）前記閉リンク構造を複数連結して構成される、
上記（５）に記載のロボット装置。

（７）遠位端のリンクは、接合された強剛性材料に設けられた開口部を介して前記信号伝送路層が露出して形成される、前記遠位端に装着されるエンドエフェクタとの電気信号授受用の電極パッドを含む、
上記（６）に記載のロボット装置。

（８）少なくとも一部のリンクに動力が伝達されるように構成される、
上記（６）又は（７）のいずれかに記載のロボット装置。

（９）遠位端から離れた閉リンク構造の一部のリンクがメカニカルグランドであり、
メカニカルグランドに隣接するリンクに動力が伝達されるように構成される、
上記（８）に記載のロボット装置。

（１０）前記信号伝送路層は、光信号を伝送する光ファイバを含む層からなる、
上記（２）に記載のロボット装置。

（１１）少なくとも一部のヒンジ部は光ファイバ式歪みセンサを含む、
上記（１０）に記載のロボット装置。

（１２）術具と、
複数のリンクと、変形可能な信号伝送部を含み隣接するリンク間を接続するヒンジ部とからなり、遠位端のリンクで前記術具を装着するリンク構造体と、
を具備する手術マニピュレータ。

（１３）前記リンク構造体は、前記術具の軸線上の所定のトロッカー挿入点を固定して前記術具をピボット操作する、
上記（１２）に記載の手術マニピュレータ。

（１４）複数のリンクと、隣接するリンク間を接続する変形可能な信号伝送部からなるヒンジ部からなり、遠位端のリンクにエンドエフェクタを装着するロボット装置と、
エンドエフェクタの認証を行う認証サーバと、
を具備し、
前記ロボット装置は、前記エンドエフェクタから前記信号伝送部を介して読み出した識別情報を前記認証サーバに送信し、
前記認証サーバは、前記ロボット装置から受信した識別情報に基づいて前記エンドエフェクタの認証処理を行い、前記エンドエフェクタ用の構成データを取得する、
システム。

１００…電気回路基板（ＦＣＢ）
２００…開リンク構造体、２０１…ＦＣＢ
２０１ａ、２０１ｂ…電極パッド
２０２～２０７、２０８ａ、２０８ｂ、２０９ａ、２０９ｂ…強剛性部
２１１～２１４、２１４ａ、２１４ｂ…リンク
２２１～２２４…ヒンジ、３００…閉リンク構造体
４００開リンク構造体、４０１…ＦＣＢ
２０２～２０７、２０８ａ、２０８ｂ、２０９ａ、２０９ｂ…強剛性部
４１１～４１４、４１４ａ、４１４ｂ…リンク
４２１～４２４…ヒンジ、４３１～４３３…電極パッド
５００…閉リンク構造体
６００…閉リンク構造体の自由度構成モデル
６０１～６０４…リンク、６１１～６１４…ジョイント
９００…マニピュレータ、９１０…閉リンク構造体
９１０…閉リンク構造体、９１１～９１４…リンク
９１５～９１８…電極パッド
９２０…閉リンク構造体、９２１～９２４…リンク
９２５～９２８…電極パッド
９３０…閉リンク構造体、９３１～９３４…リンク
９３５～９３８…電極パッド
９４０…開リンク構造体、９４１、９４２…リンク
９４３、９４４…電極パッド
９５０…直動アクチュエータ、９６１～９６５…接合部
１２００…術具、１２０１、１２０２…電極パッド

Claims (14)

1. 複数のリンクと、
   隣接するリンク間を接続する、変形可能な信号伝送部からなるヒンジ部と、
   を具備するロボット装置。
2. 信号を伝送する信号伝送路層と信号伝送路層間を絶縁する低剛性の絶縁層とを積層して構成されるフレキシブル回路基板を有し、
   前記複数のリンクは、それぞれ前記フレキシブル回路基板の両側又は少なくとも片側に強剛性材料を接合して構成され、
   前記ヒンジ部は、前記フレキシブル基板の両側に強剛性材料を接合せずに構成される、
   請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記信号伝送路層は、電気信号を伝送する導電層からなる、
   請求項２に記載のロボット装置。
4. 開リンク構造からなり、
   前記フレキシブル基板の両端に、前記信号伝送路層が露出して形成される電気信号授受用の電極パッドを含む、
   請求項３に記載のロボット装置。
5. 閉リンク構造からなり、少なくとも一部のリンクに接合された強剛性材料は開口部を有し、前記開口部を介して前記信号伝送路層が露出して形成される電気信号授受用の電極パッドを含む、
   請求項３に記載のロボット装置。
6. 前記閉リンク構造を複数連結して構成される、
   請求項５に記載のロボット装置。
7. 遠位端のリンクは、接合された強剛性材料に設けられた開口部を介して前記信号伝送路層が露出して形成される、前記遠位端に装着されるエンドエフェクタとの電気信号授受用の電極パッドを含む、
   請求項６に記載のロボット装置。
8. 少なくとも一部のリンクに動力が伝達されるように構成される、
   請求項６に記載のロボット装置。
9. 遠位端から離れた閉リンク構造の一部のリンクがメカニカルグランドであり、
   メカニカルグランドに隣接するリンクに動力が伝達されるように構成される、
   請求項８に記載のロボット装置。
10. 前記信号伝送路層は、光信号を伝送する光ファイバを含む層からなる、
    請求項２に記載のロボット装置。
11. 少なくとも一部のヒンジ部は光ファイバ式歪みセンサを含む、
    請求項１０に記載のロボット装置。
12. 術具と、
    複数のリンクと、変形可能な信号伝送部を含み隣接するリンク間を接続するヒンジ部とからなり、遠位端のリンクで前記術具を装着するリンク構造体と、
    を具備する手術マニピュレータ。
13. 前記リンク構造体は、前記術具の軸線上の所定のトロッカー挿入点を固定して前記術具をピボット操作する、
    請求項１２に記載の手術マニピュレータ。
14. 複数のリンクと、隣接するリンク間を接続する変形可能な信号伝送部からなるヒンジ部からなり、遠位端のリンクにエンドエフェクタを装着するロボット装置と、
    エンドエフェクタの認証を行う認証サーバと、
    を具備し、
    前記ロボット装置は、前記エンドエフェクタから前記信号伝送部を介して読み出した識別情報を前記認証サーバに送信し、
    前記認証サーバは、前記ロボット装置から受信した識別情報に基づいて前記エンドエフェクタの認証処理を行い、前記エンドエフェクタ用の構成データを取得する、
    システム。

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