JP4014792B2 - マニピュレータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレータに係り、とりわけ、機構が単純化されると共に操作性に優れる医療用マニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、胆のう摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、図２５に示すように、患者１５０の腹部に小さな穴１５１、１５２、１５３をいくつかあけ、それらにトラカール１５４を取り付け、トラカール１５４を介して、それらの孔に内視鏡１６１、鉗子１７１、１７２などを挿入し、術者（通常、外科医）１６０が内視鏡１６１の映像をモニタ１６２で見ながら手術を行っている。
【０００３】
このような手術方法は、開腹を必要としないため患者への負担が少なく、術後の開腹や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は、適用分野の拡大が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の腹腔鏡下手術は、患者１５０への負担が少ないという点で優れた手術方法である。しかし、術者１６０が実際に術部を見られないという点が、場合によっては問題となり得る。
【０００５】
また、鉗子１７１、１７２には、開閉するグリッパしか設けられておらず、グリッパの姿勢を自在に変えることは困難であり、操作性に乏しい。
【０００６】
以上の要因により、前述の手術方法で適切な処置を行えるのは、熟練した術者に限られている。また、手術方法に熟練するまでには、非常に長期間を要する。
【０００７】
このような課題に対して、マスタスレーブマニピュレータなどの遠隔操作型ロボット技術を医療分野へ応用する研究が行われている。
【０００８】
遠隔操作型ロボット技術は、術者が操作するマスタアームと実際に術部に操作を施すスレーブアームとが完全に分離したロボットシステムであり、マスタアームの指令値が電気信号としてスレーブアームに伝わるものである。したがって、通常、マスタアームとスレーブアームとは６自由度以上の関節数を有しており、それぞれの自由度に対応してコントローラが設けられており、電気的に多数の制御系、部品、配線を有する複雑なシステムとなっている。
【０００９】
複雑であるがゆえに、マスタスレーブマニピュレータシステムの操作に関する信頼性は、未だ十分に高いと言えるレベルにはない。また、システム自体が大掛かりであるため、購入費用やメンテナンス費用も高価である。さらに、マスタスレーブマニピュレータシステムでは、術者は患者から離れたところでマスタアームを操作するので、緊急時に直ちに患者に直接処置を施すことができない、という問題がある。
【００１０】
このような問題点を解決するために、本発明者らは、図２６に示すような、姿勢操作部２３と処置操作部２４とを有する操作指令部２０と、一端側が前記操作指令部２０に接続された連結部３０と、連結部３０の他端側に接続され、処置部１４と処置部１４を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部１５、１６とを有する作業部１０と、姿勢操作部２３からの操作指令を支持部１５，１６に送って処置部１４の姿勢を変更させるとともに、処置操作部２４からの操作指令を処置部１４に送って処置部１４を動作させる制御部（図示せず）と、を備えた医療用マニピュレータ１を提案している（特願平１１−１６５９６１号）。この提案による作業部１０および操作指令部２３は、ヨー軸とピッチ軸からなる支持部１５，１６とグリッパからなる処置部１４が示されている。
【００１１】
図２７に示すように、通常、縫合作業を行う場合、処置部１４で湾曲針１８０（糸：１８１）を把持し、縫合部１８２に湾曲針１８０を刺し、円弧状に湾曲針１８０を誘導する。しかし、図２６に示す従来の医療用マニピュレータでは、その動作と自由度の配置とが一致していないため、術者が操作しようとする方向に操作指令部２０がスムーズに動作せず、操作性が悪いという問題がある。
【００１２】
また、作業部１０や操作指令部２０の姿勢によっては、自由度が縮退する特異姿勢となり、特定の方向への操作性が極めて悪くなるという問題もある。さらに、処置部１４の把持力が十分に得られないという問題もある。
【００１３】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、機構を単純化して信頼性を向上させると共に、操作性に優れているマニピュレータを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のは、マニピュレータは、姿勢操作部と処置操作部とを有する操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続され、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部と、前記姿勢操作部からの操作指令を前記支持部に送って前記処置部の姿勢を変更させるとともに、前記処置操作部からの操作指令を前記処置部に送って前記処置部を動作させる制御部と、を備えたマニピュレータにおいて、前記支持部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、前記処置部の中心軸方向は、前記第２の回転軸の軸方向と概ね平行であり、前記姿勢操作部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第３の回転軸と、前記第３の回転軸に対して直交する回転軸を有する第４の回転軸とを有し、前記処置操作部は、操作者が前記処置操作部を把持する際の前記操作者の把持する指の方向と前記第４の回転軸の軸方向とは概ね平行であるように形成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、前記作業部は、前記第２の回転軸上に配置された２つの作業回転軸を有し、前記２つの作業回転軸を同方向に回転させることにより、前記第２の回転軸の回転動作を行わせ、前記２つの作業回転軸を逆方向に回転させることにより、前記処置部の開閉動作を行うことを特徴とする。
【００１６】
また、前記２つの作業回転軸のそれぞれに、前記２つの作業回転軸に対して平行および直交方向に回転自在に支持された作業リンクを配置し、前記作業リンクは、互いに回転自在に結合されていることを特徴とする。
【００１７】
また、前記第３の回転軸および前記第４の軸に直交する回転軸方向に加わる力を検出することが可能な前記操作指令部に設けられたセンサと、前記連結部の軸方向に回転トルクを与えることが可能な前記連結部に設けられたアクチュエータと、を備え、前記センサの検出値により前記アクチュエータを制御することを特徴とする。
【００１８】
また、前記第３の回転軸の角度位置の正負と前記センサによる検出値の正負との関係により、前記アクチュエータのトルクの正負を制御する
ことを特徴とする。
【００１９】
また、前記センサの検出値に比例するように、前記アクチュエータのトルクを制御することを特徴とする。
また、姿勢操作部と処置操作部とを有する操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続され、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部と、前記姿勢操作部からの操作指令を前記支持部に送って前記処置部の姿勢を変更させるとともに、前記処置操作部からの操作指令を前記処置部に送って前記処置部を動作させる制御部と、を備えたマニピュレータにおいて、前記支持部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、前記処置部の中心軸方向は、前記第２の回転軸の軸方向と概ね平行であることを特徴とする。
また、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部を備え、前記支持部は、第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、前記作業部は、前記第２の回転軸上に配置された２つの作業回転軸を有し、前記２つの作業回転軸を同方向に回転させることにより、前記第２の回転軸の回転動作を行わせ、前記２つの作業回転軸を逆方向に回転させることにより、前記処置部の開閉動作を行い、前記２つの作業回転軸のそれぞれに、前記２つの作業回転軸に対して平行および直交方向に回転自在に支持された作業リンクを配置し、前記作業リンクは、互いに回転自在に結合されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、支持部によって処置部の支持姿勢が２自由度以上に変更可能であるとともに、操作指令部と作業部とが連結部によって機械的に接続されているため、操作信頼性に優れているという先願（特願平１１−１６５９６１号）の特徴を損なうことなく、術者により実際に行われる処置時の動作、たとえば湾曲針による縫合作業時の動作方向と、マニピュレータの自由度の配置を一致させているため、術者が操作しようとする方向に操作指令部をスムーズに動作させることが可能であり、操作性に特に優れており、また、特異姿勢およびその近傍では、術者が操作したい方向に操作力がアシストされるため、特定の方向への操作性が極めて悪くなるということはなく、さらに、処置部の把持力を十分に得ることが可能であるという利点を有する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態によるマニピュレータを示す構成概略図である。図２、図３は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの自由度構成をスケルトン図で示した図およびその動作を説明する図である。
【００２２】
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態の医療用マニピュレータ１は、作業部１０と、操作指令部２０と、両端が作業部１０と操作指令部２０とに接続された連結部３０とを備えている。
【００２３】
作業部１０は支持部と術部に処置を施す処置部とを有し、支持部は連結部３０の中心軸方向３１に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸１１と第１の回転軸１１に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸１２からなり、処置部の把持動作１３を行うグリッパ１４の中心軸方向は第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行に配置されている。言いかえれば、作業部１０は、グリッパ１４を２自由度で姿勢変更に可能に支持する支持部としてのピッチ軸関節支持部１５およびロール軸関節支持部１６とを有している。
【００２４】
操作指令部２０は、連結部３０の中心軸方向３１に対して直交する回転軸を有する第３の回転軸２１と第３の回転軸２１に対して直交する回転軸を有する第４の回転軸２２からなる姿勢操作部２３と、処置操作部２４とを有している。処置操作部２４は、操作者が処置操作部２４を把持する際の操作者の把持する指の方向２０１ａ、２０２ａ（図２８参照）と第４の回転軸２２の軸方向２２ａとは概ね平行であるように形成されている。術部に処置を施す処置部１４の把持動作１３は、処置操作部２４の把持動作２５により行う。詳細は図７〜図１０及び図２８に後述する。
【００２５】
図１および図２では、連結部３０の中心軸方向３１と、第１の回転軸１１と、第２の回転軸１２とは１点で交差する位置関係にある。また、連結部３０の中心軸方向３１と、第３の回転軸２１と、第４の回転軸２２についても１点で交差する位置関係となっている。必ずしも１点で交差する必要はないが、処置部１４のオフセットが大きいと、姿勢操作の際、処置部１４が大きく振れまわったり、操作部のオフセットが大きい場合には位置操作に対して姿勢操作するような回転力を姿勢操作部２３に与えることになる。
【００２６】
操作部２０には、第３の回転軸２１と第４の回転軸２２の回転角を検出する角度検出センサ（エンコーダ、ポテンショメータなど）が配置されている。また、処置操作部２４には、操作者による処置部の把持指令動作を検出するセンサ（角度検出センサ、スイッチなど）が配置されている。これらのセンサにより姿勢操作部２０からの操作指令４１が制御装置４０へ送られる。制御装置４０では、入力された操作指令４１に対して、所定の制御演算を行い、第１の回転軸１１と第２の回転軸１２および把持動作１３の駆動制御を行う。
【００２７】
処置部１４の位置については、作業部１０と操作部２０が連結部３０で結合されているため、直接的に操作することが可能である。一方、処置部１４の姿勢については、連結部３０をロール軸とし、ピッチ軸（第１の回転軸１１）とロール軸（第２の回転軸１２）の３自由度により、処置部１４は任意の姿勢をとることができる。同様に処置操作部２４の姿勢については、連結部３０をロール軸とし、ピッチ軸（第３の回転軸２１）とロール軸（第４の回転軸２２）の３自由度により、処置操作部２４は任意の姿勢をとることができる。なお、連結部３０を共通のロール軸とすることで、医療用マニピュレータ１を低コスト化することが可能である。さらに、通常のマニピュレータでは、特異姿勢時には、演算上の問題や、特定の軸が非常に高速で動くという問題があるが、作業部１０と操作部２０とが同構造となっているために、そのような問題はない。
【００２８】
本実施の形態では、第１の回転軸１１の回転動作と第２の回転軸１２の回転動作および把持動作１３を駆動するための駆動部１０ｍ（例えばモータ・減速機など）は、連結部３０の操作指令部側に配置されている。図中の１０ｍは、駆動部の集合部分を示している。前述の制御装置４０の駆動制御により、駆動部１０内の対応する駆動部１１ｍ、１２ｍ、１３ｍが駆動され、その動力によって、図示しないワイヤ、プーリ、歯車などの動力伝達要素を介して、作業部１０の第１の回転軸１１の回転動作と第２の回転軸１２の回転動作および把持動作１３の駆動制御が行われる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、作業部１０の支持部の自由度構成（第１の回転軸１１と第２の回転軸１２）と、姿勢操作部２３の自由度構成（第３の回転軸２１と、第４の回転軸２２）は同構造のため、第３の回転軸２１と第１の回転軸１１、第４の回転軸２２と第２の回転軸１２の回転角度は等しくなるように制御されている。たとえば、図３に示すように、操作者が第３の回転軸２１を駆動するような姿勢操作を行った場合、作業部の第１の回転軸１１は、等しくなるように制御される。
【００３０】
本実施の形態の作業部１０および操作指令部２０では、術者により実際に行われる処置時の動作、たとえば湾曲針による縫合作業時の動作方向（図２７）と、医療用マニピュレータの自由度の配置が一致しているため、操作者が操作しようとする方向に操作指令部をスムーズに動作させることが可能である。すなわち、湾曲針を把持した状態で、湾曲針を縫合部に刺した後、操作者は湾曲針を円弧状に回転誘導させるが、その回転動作と第４の回転軸２２の回転軸方向は概ね一致しており、第３の回転軸２１や連結部を大幅に回転させる必要はないため、操作性が非常に良くなる。従来の実施例により同様の作業を行うためには、処置部の２自由度の動作と連結部の回転動作を組み合わせて実現することになり、湾曲針を操作者の意図する円弧状に誘導させるのは極めて困難である。
【００３１】
なお、医療用マニピュレータ１が非常に軽量の場合には、支持機構を特に設ける必要はないが、医療用マニピュレータ１の重量を術者が長時間支えるのが困難な場合や、医療用マニピュレータ１の保持ブレーキ機能や自重補償機構が必要な場合は、支持機構１００により支持する構成としても良い（図１中２点鎖線で図示）。医療用マニピュレータ１は、仮想回転中心１１０（不動点）に対して、２軸方向の回転運動および１軸方向（挿入方向）の直動運動（すなわち、極座標）が可能な状態で支持されている。たとえば、支持機構１００は、基部に対して上下左右動する位置調整機構１０１と、下端部に設けられた鉛直軸回りに回動する水平回動部１０２と、水平回動部１０２の外周に一端が接続された円弧アーム１０３とを有している。水平回動部１０２の回動軸は、連結部３０上の適宜の点１１０の略鉛直上方に位置している。円弧アーム１０３の他端には支持連結部１０４により連結部３０が支持されている。支持連結部１０４は円弧アーム１０３に回転運動可能に支持され円弧アーム１０３の円弧に沿って回転運動可能であり、連結部３０は支持連結部１０４へ挿入され中心軸方向３１に直動可能である。
【００３２】
図４〜図６は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの作業部１０、特に、処置部すなわちグリッパ１４の構成例を示した図である。図４は、蝶番状に開閉する場合、図５は、平行に開閉する場合、図６は、グリッパ１４が第２の回転軸１２に対してオフセットしている場合である。なお、グリッパ１４は、図４〜図６に示された形態だけでなく、基本的にその中心軸の方向が、第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行に配置されていればよい。
【００３３】
図７〜図１０及び図２８は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの操作指令部２０、特に、処置操作部２４の構成例を示した図である。
【００３４】
図７では、処置部１４の把持動作１３のための指令を、指操作部２６の把持動作２５により与える。指操作部２６は、操作者の親指と、人差し指乃至中指が挿入される２つの指挿入部２６ａ、２６ｂを有している。２つの指挿入部２６ａ、２６ｂは、指操作指示部２７に対して少なくとも一方が、蝶番状に可動に構成され、両者の間隔が任意に変更可能になっている。指挿入部２６ａ、２６ｂの間隔に対応して、グリッパ１４の間隔が制御される構成になっている。指挿入部２６ａ、２６ｂの間隔を角度として検出して、グリッパ１４の開閉角度を制御しても良いし、ＯＮ／ＯＦＦ的に検出して、グリッパ１４をＯＮ／ＯＦＦ的に開閉する制御を行っても良い。
【００３５】
図８は、指操作指示部２７にハンドル部２７ｂを設けた場合である。操作者は、中指乃至小指でハンドル部２７ｂを握ることで、安定に処置操作部を操作することができる。また、指操作部２６を付加しても良いし、付加しない場合は、開方向に作用するバネ力（図示せず）などを付加しても良い。また、把持状態を維持するようなロック機構を設けても良い。
【００３６】
図９では、操作者は、ハンドル２９を握った状態で、処置部１４の把持動作１３のための指令を、スイッチ２８により与える。グリッパ１４をＯＮ／ＯＦＦ的に開閉するだけで良い場合は、このような構成にすることで処置操作部２４を単純化できる。図１０は、互いに平行に指挿入部２６ａ、２６ｂが開閉する構成である。
【００３７】
また、図２８は、図１における示す処置操作部２４を具体的に手２００で操作する場合を示す図である。操作者の親指２０１は指挿入部２６ａに挿入され、人差指２０２及び中指２０３が指挿入部２６ｂに挿入される。親指２０１は指挿入部２６ａに挿入され、人差２０２及び中指２０３が指挿入部２６ｂに挿入される。図２８に示されるように、処置操作部２４は、操作者が処置操作部２４を把持する際の操作者の把持する指の方向、例えば親指２０１の方向２０１ａや人差指２０２の方向２０２ａは第４の回転軸２２の軸方向２２ａとは概ね平行であるように形成されている。これらのことは、図７〜図１０に示す処置操作部２４に対しても、操作者が手２００で処置操作部２４を把持する際に操作者の把持する指の方向と第４の回転軸２２の軸方向２２ａとは概ね平行であるような関係にある。
【００３８】
図１１〜図１６は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの作業部１０の構成例を示した図である。いずれもグリッパ１４の開状態（図１１、図１３、図１５）と閉状態（図１２，図１４，図１６）を示している。
【００３９】
まず、図１１及び図１２について説明する。連結部３０に対して回転自在に支持、すなわち第１の回転軸１１に対して回転自在に支持された回転部材５０は、プーリ１１ｐと結合されており、駆動部１１ｍ（図１参照）の駆動力がワイヤ１１ｗにより伝達されることで、プーリ１１ｐが回転させられ、第１の回転軸１１が駆動される。プーリ１２ｐ、１３ｐは、回転部材５０に対して回転自在に支持されており、かつ、それぞれ傘歯車またはフェイスギヤ５１ａ、５２ａに固定されている。したがって、駆動部１２ｍ、１３ｍ（図１参照）の駆動力がワイヤ１２ｗ、１３ｗにより伝達されることで、傘歯車またはフェイスギヤ５１ｂ、５２ｂを回転させることができる。傘歯車またはフェイスギヤ５１ｂ、５２ｂは、回転部材５０の第１の回転軸１１と直交する方向、すなわち、第２の回転軸１２に対して回転自在に支持されている。すなわち、回転軸１２上に２つの回転軸１２ａ、１２ｂが配置されている。グリッパ１４ａ、１４ｂは、その中心軸方向が、第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行、すなわち、グリッパ１４のロール軸方向が、第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行になるように、連結部材５３、５４を介して、傘歯車またはフェイスギヤ５１ｂ、５２ｂに固定されている。したがって、駆動部１２ｍ、１３ｍを駆動することで、グリッパ１４ａ、１４ｂをそれぞれ独立に駆動することが可能である。回転軸１２ａ、１２ｂを同方向に回転させるように制御することにより、第２の回転軸１２の回転動作を、すなわち、グリッパ１４のロール動作を、回転軸１２ａ、１２ｂを逆方向に回転させるように制御することにより、グリッパ１４の開閉動作を行うことが可能である。駆動部１２ｍ、１３ｍの駆動量は、途中の動力伝達方法によって、容易に決めることができる。
【００４０】
図１３及び図１４では、グリッパ（作業リンク）１４ａ、１４ｂの下端は、回転軸１２ａ、１２ｂに対して平行方向（回転軸５５ａ、５５ｂ）および直交方向（回転軸５６ａ、５６ｂ）に回転自在となるように連結部材５３、５４に対して支持されており、かつ、グリッパ１４ａ、１４ｂは、互いに回転軸５７に対して回転自在に結合されている。したがって、駆動部１２ｍ、１３ｍを駆動することで、グリッパ１４ａ、１４ｂを駆動することが可能である。同様に回転軸１２ａ、１２ｂを同方向に回転させるように制御することにより、第２の回転軸１２の回転動作を、すなわち、グリッパ１４のロール動作を、回転軸１２ａ、１２ｂを逆方向に回転させるように制御することにより、グリッパ１４の開閉動作を行うことが可能である。グリッパ１４ａ、１４ｂの、回転軸５７に対する先端側の長さの比率を大きくすることで、グリッパの開閉量を大きくすることができる。
【００４１】
図１５及び図１６では、図１３及び図１４に対して、開閉の関係を逆にしている。連結部材５３、５４が近づいた時にグリッパ１４が開き、離れた時にグリッパ１４が閉じる構成となっている。この構成の場合、トグル機構による増力駆動となっているため、連結部材５３、５４が１８０度の位相関係に近い時には、把持する力を非常に大きくすることができる。これは、グリッパを開こうとする方向と、駆動する方向（グリッパ１４ａ、１４ｂの下端の回転する方向）とが直交方向に近くなるため、グリッパを開こうとする力を、駆動する方向で受けるのではなく、構造的に受ける構成になっているためである。このような構成は、縫合作業に使う細い針を強く把持する場合に適している。
【００４２】
図１１〜図１６では、回転軸１２上に２つの回転軸１２ａ、１２ｂを配置する構成として、ワイヤ、プーリと傘歯車またはフェイスギヤを用いていたが、図１７、図１８に他の方法を示す。
【００４３】
図１７は、ワイヤ、プーリのみで実現する方法である。ワイヤ１１ｗにより、第１の回転軸１１を駆動し、ワイヤ１２ｗ、１３ｗにより、回転軸１２ａ、１２ｂを実現する。プーリ５８、５９によってワイヤの向きを変えている。ワイヤのプーリの巻きつけ数は、駆動する角度によって決めれば良い。図１８は、トルクチューブにより実現する方法である。トルクチューブ１１ｔにより、第１の回転軸１１を駆動し、トルクチューブ１２ｔ、トルクチューブ１３ｔにより、回転軸１２ａ、１２ｂを実現する。
【００４４】
なお、図１１〜図１８で示した構成において、構造部材や軸、連結部材などの形状、支持の方法は、図に示した形態だけではなく、機能を損なわなければどのような構成としても良い。たとえば、軸側を固定して枠側を回転させても、枠側を固定して軸側を回転させても良い。
【００４５】
図１９は、本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータを示す構成概略図である。図２０は、本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの動作を説明する図である。
【００４６】
本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータでは、姿勢操作部２３が特異姿勢付近（連結部３０の中心軸方向３１と第４の回転軸２２方向が一致ないし平行の位置関係となった時）、すなわち、図１９の状態では、第３の回転軸２１および第４の回転軸２２に直交する回転軸方向（図では処置操作部を把持した手に対して左右方向）に姿勢を変化させるのは困難である。本発明の第２の実施の形態は、この特異姿勢付近での操作性を向上させるものである。
【００４７】
基本的な構成は、図１に示す本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータと同様である。第２の実施では、操作指令部２０に、第３の回転軸２１および第４の回転軸２２に直交する方向に加わる力を検出することが可能なセンサ６０が取り付けられている。センサ６０は、ひずみケージによる検出が最も簡易的である。図１９に示す位置（両面）にひずみケージを貼り付けることにより、第３の回転軸２１および第４の回転軸２２に直交する方向に加わる力を曲げ応力として検出することが可能である。
【００４８】
支持連結部１０４には、駆動部（アクチュエータ）６１が配置されており、ベルト６３、プーリ６２、６４を介し、連結部３０に対して、連結部３０の軸方向に回転トルクを与えることが可能な構成となっている。もちろん歯車のような動力伝達機構を使っても全く問題ない。そして、センサ６０の検出値結果を制御装置４０に取り込み、駆動部６１を制御する。
【００４９】
たとえば、図２０のような姿勢の時（この時の第３の回転軸２１を＋とする）に、操作者が操作部を図中１２０の方向（この方向を＋とする）に操作した場合、センサ６０は、曲げ応力を検出する（この時の出力を＋とする）。この時、駆動部６１により、図中１２１の方向（この方向を＋とする）に回転トルクを与えるように制御する。逆に、１２０の方向と逆方向（−方向）に操作した場合は、センサ６０は、−方向の曲げ応力を検出する。この時、駆動部６１により、図中１２１の逆方向（−方向）に回転トルクを与えるように制御する。
【００５０】
一方、図２１のような姿勢（第３の回転軸２１が−）の場合に、操作者が操作部を図中１２２の方向（＋方向）に操作した場合、センサ６０は、＋方向の曲げ応力を検出する。この時、駆動部６１により、図中１２３の方向（−方向）に回転トルクを与える。逆に、１２２の方向と逆方向（−方向）に操作した場合は、センサ６０は、−方向の曲げ応力を検出する。この時、駆動部６１により、図中１２３の逆方向（＋方向）に回転トルクを与える。
【００５１】
したがって、図２２に示すように、曲げ応力の方向とその時の姿勢操作部２３の第３の回転軸の位置（＋または−）によって、駆動部６１によって回転させる方向を決めることができる。第３の回転軸２１の位置がゼロ（特異姿勢）の場合には、どちらに回転させても良い。あらかじめ決めておいた方向に回転させれば良いし、連続的に回転させるために、最も最近の連結部の回転方向に回転させもてよい。
【００５２】
特異姿勢に近ければ近いほど曲げ応力は大きくなる、また、回転速度も上げる必要もあるため、曲げ応力に比例した回転トルクを発生するようにしても良い。曲げ応力と回転トルクとの関係は、適宜、操作性の良い範囲に設定すればよい。なお、特異姿勢から離れた位置では、曲げ応力は当然小さくなるため、回転トルクは自動的に小さくなるため安全である。場合によっては、第３の回転軸２１の位置がゼロ付近（例えば±１０度の範囲）のみ、回転トルクをあたえる制御を行っても良い。
【００５３】
なお、第３の回転軸２１の位置がゼロ付近（例えば±１０の範囲）で、連結部３０に回転トルクが与えられても、作業部１０と操作指令部２０の自由度構成が同構造なため、基本的に操作者の与える姿勢が、作業部２０の目標姿勢になるので、作業部２０が急激な動作をすることはなく安全である。
【００５４】
駆動部６１を連結部３０の中心軸方向３１回りの自重補償用のアクチュエータとして用いても良い。医療用マニピュレータ１の各軸の姿勢により、自重による中心軸方向３１回りのトルクを算出し、補償することは容易に行える。
【００５５】
図２３は、連結部３０の軸方向に回転トルクを与える方法の一例を示す図である。医療用マニピュレータ１は、支持連結部１０４で、連結部３０の軸方向に回転および直動可能な状態で支持されている。図２３では、連結部３０は、直動軸受け６５および回転軸受け６６によって支持されている。連結部３０の断面は、Ｄ形状となっている。駆動部６１は、ベルト６３、プーリ６２、６４により、直動軸受け部分６７を回転させる構成となっている。このような構成にすることにより、支持連結部１０４を直動支持するとともに、回転支持し、さらに、連結部３０に回転トルクを与えることが可能となる。
【００５６】
なお、上述の第１の実施形態及び第２の実施形態では、第１の回転軸１１または第３の回転軸２１をピッチ軸として説明したが、第１の回転軸１１または第３の回転軸２１をピッチ軸と限定する必要はなく、図２９に示すように、第１の回転軸１１または第３の回転軸２１をヨー軸として構成してもよく、同様の効果が得られる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、支持部によって処置部の支持姿勢が２自由度以上に変更可能であるとともに、操作指令部と作業部とが連結部によって機械的に接続されているため、操作信頼性に優れているという特徴を損なうことなく、術者により実際に行われる処置時の動作、たとえば湾曲針による縫合作業時の動作方向とマニピュレータの自由度の配置とを一致させているため、術者が操作しようとする方向に操作指令部をスムーズに動作させることが可能であり、操作性に特に優れている。また、特異姿勢およびその近傍では、術者が操作したい方向に操作力がアシストされるため、特定の方向への操作性が極めて悪くなるということはなく、さらに、処置部の把持力を十分に得ることが可能であるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータを示す概略斜視図。
【図２】図１のスケルトン図。
【図３】図１の動作を説明するスケルトン図。
【図４】図１の作業部の構成の例を示す概略斜視図。
【図５】図１の作業部の構成の例を示す概略斜視図。
【図６】図１の作業部の構成の例を示す概略斜視図。
【図７】図１の操作部の構成の例を示す概略斜視図。
【図８】図１の操作部の構成の例を示す概略斜視図。
【図９】図１の操作部の構成の例を示す概略斜視図。
【図１０】図１の操作部の構成の例を示す概略斜視図。
【図１１】図１の開状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１２】図１の閉状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１３】図１の開状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１４】図１の閉状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１５】図１の開状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１６】図１の閉状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１７】作業部の動力伝達方法の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１８】作業部の動力伝達方法の例を示す側面図。
【図１９】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータヲ示す概略斜視図。
【図２０】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの制御方法を説明する図。
【図２１】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの制御方法を説明する図。
【図２２】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの制御方法を説明する表。
【図２３】図１９の詳細の例を示す側面図。
【図２４】図２３の支持連結部の断面図。
【図２５】従来の医療マニピュレータ（鉗子）を示す概略図。
【図２６】従来（先願）の医療マニピュレータを示す概略図。
【図２７】縫合作業の説明図。
【図２８】操作者が処置操作部を把持する際の操作者の把持する指の方向と第４の回転軸の軸方向との関係を示す図。
【図２９】第１の回転軸または第３の回転軸をピッチ軸とせずにヨー軸とする構成を示す図。
【符号の説明】
１ 医療マニピュレータ
１０ 作業部
１０ｍ、１１ｍ、１２ｍ、１３ｍ，６１ 駆動部
１１ｗ、１１ｗ、１２ｗ ワイヤ
１１ｐ、１１ｐ、１２ｐ，６２，６４ プーリ
１１ 第１の回転軸
１２ 第２の回転軸
１３，２５ 把持動作
１４ グリッパ
１５ ピッチ軸関節支持部
１６ ロール軸関節支持部
２０ 操作指令部
２１ 第３の回転軸
２２ 第４の回転軸
２３ 姿勢操作部
２４ 処置操作部
２６ 指操作部
２７ 指操作支持部
３０ 連結部
３１ 連結部３０の中心軸方向
４０ 制御装置
４１ 操作指令
６０ センサ
６３ ベルト
１００ 支持機構
１０１ 位置調整機構
１０２ 水平回動部
１０３ 円弧アーム
１０４ 支持連結部
１１０ 仮想回転中心（不動点）
２０１ａ、２０２ａ 指の方向
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレータに係り、とりわけ、機構が単純化されると共に操作性に優れる医療用マニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、胆のう摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、図２５に示すように、患者１５０の腹部に小さな穴１５１、１５２、１５３をいくつかあけ、それらにトラカール１５４を取り付け、トラカール１５４を介して、それらの孔に内視鏡１６１、鉗子１７１、１７２などを挿入し、術者（通常、外科医）１６０が内視鏡１６１の映像をモニタ１６２で見ながら手術を行っている。
【０００３】
このような手術方法は、開腹を必要としないため患者への負担が少なく、術後の開腹や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は、適用分野の拡大が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の腹腔鏡下手術は、患者１５０への負担が少ないという点で優れた手術方法である。しかし、術者１６０が実際に術部を見られないという点が、場合によっては問題となり得る。
【０００５】
また、鉗子１７１、１７２には、開閉するグリッパしか設けられておらず、グリッパの姿勢を自在に変えることは困難であり、操作性に乏しい。
【０００６】
以上の要因により、前述の手術方法で適切な処置を行えるのは、熟練した術者に限られている。また、手術方法に熟練するまでには、非常に長期間を要する。
【０００７】
このような課題に対して、マスタスレーブマニピュレータなどの遠隔操作型ロボット技術を医療分野へ応用する研究が行われている。
【０００８】
遠隔操作型ロボット技術は、術者が操作するマスタアームと実際に術部に操作を施すスレーブアームとが完全に分離したロボットシステムであり、マスタアームの指令値が電気信号としてスレーブアームに伝わるものである。したがって、通常、マスタアームとスレーブアームとは６自由度以上の関節数を有しており、それぞれの自由度に対応してコントローラが設けられており、電気的に多数の制御系、部品、配線を有する複雑なシステムとなっている。
【０００９】
複雑であるがゆえに、マスタスレーブマニピュレータシステムの操作に関する信頼性は、未だ十分に高いと言えるレベルにはない。また、システム自体が大掛かりであるため、購入費用やメンテナンス費用も高価である。さらに、マスタスレーブマニピュレータシステムでは、術者は患者から離れたところでマスタアームを操作するので、緊急時に直ちに患者に直接処置を施すことができない、という問題がある。
【００１０】
このような問題点を解決するために、本発明者らは、図２６に示すような、姿勢操作部２３と処置操作部２４とを有する操作指令部２０と、一端側が前記操作指令部２０に接続された連結部３０と、連結部３０の他端側に接続され、処置部１４と処置部１４を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部１５、１６とを有する作業部１０と、姿勢操作部２３からの操作指令を支持部１５，１６に送って処置部１４の姿勢を変更させるとともに、処置操作部２４からの操作指令を処置部１４に送って処置部１４を動作させる制御部（図示せず）と、を備えた医療用マニピュレータ１を提案している（特願平１１−１６５９６１号）。この提案による作業部１０および操作指令部２３は、ヨー軸とピッチ軸からなる支持部１５，１６とグリッパからなる処置部１４が示されている。
【００１１】
図２７に示すように、通常、縫合作業を行う場合、処置部１４で湾曲針１８０（糸：１８１）を把持し、縫合部１８２に湾曲針１８０を刺し、円弧状に湾曲針１８０を誘導する。しかし、図２６に示す従来の医療用マニピュレータでは、その動作と自由度の配置とが一致していないため、術者が操作しようとする方向に操作指令部２０がスムーズに動作せず、操作性が悪いという問題がある。
【００１２】
また、作業部１０や操作指令部２０の姿勢によっては、自由度が縮退する特異姿勢となり、特定の方向への操作性が極めて悪くなるという問題もある。さらに、処置部１４の把持力が十分に得られないという問題もある。
【００１３】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、機構を単純化して信頼性を向上させると共に、操作性に優れているマニピュレータを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のは、マニピュレータは、姿勢操作部と処置操作部とを有する操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続され、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部と、前記姿勢操作部からの操作指令を前記支持部に送って前記処置部の姿勢を変更させるとともに、前記処置操作部からの操作指令を前記処置部に送って前記処置部を動作させる制御部と、を備えたマニピュレータにおいて、前記支持部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、前記処置部の中心軸方向は、前記第２の回転軸の軸方向と概ね平行であり、前記姿勢操作部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第３の回転軸と、前記第３の回転軸に対して直交する回転軸を有する第４の回転軸とを有し、前記処置操作部は、操作者が前記処置操作部を把持する際の前記操作者の把持する指の方向と前記第４の回転軸の軸方向とは概ね平行であるように形成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、前記作業部は、前記第２の回転軸上に配置された２つの作業回転軸を有し、前記２つの作業回転軸を同方向に回転させることにより、前記第２の回転軸の回転動作を行わせ、前記２つの作業回転軸を逆方向に回転させることにより、前記処置部の開閉動作を行うことを特徴とする。
【００１６】
また、前記２つの作業回転軸のそれぞれに、前記２つの作業回転軸に対して平行および直交方向に回転自在に支持された作業リンクを配置し、前記作業リンクは、互いに回転自在に結合されていることを特徴とする。
【００１７】
また、前記第３の回転軸および前記第４の軸に直交する回転軸方向に加わる力を検出することが可能な前記操作指令部に設けられたセンサと、前記連結部の軸方向に回転トルクを与えることが可能な前記連結部に設けられたアクチュエータと、を備え、前記センサの検出値により前記アクチュエータを制御することを特徴とする。
【００１８】
また、前記第３の回転軸の角度位置の正負と前記センサによる検出値の正負との関係により、前記アクチュエータのトルクの正負を制御する
ことを特徴とする。
【００１９】
また、前記センサの検出値に比例するように、前記アクチュエータのトルクを制御することを特徴とする。
また、姿勢操作部と処置操作部とを有する操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続され、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部と、前記姿勢操作部からの操作指令を前記支持部に送って前記処置部の姿勢を変更させるとともに、前記処置操作部からの操作指令を前記処置部に送って前記処置部を動作させる制御部と、を備えたマニピュレータにおいて、前記支持部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、前記処置部の中心軸方向は、前記第２の回転軸の軸方向と概ね平行であることを特徴とする。
また、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部を備え、前記支持部は、第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、前記作業部は、前記第２の回転軸上に配置された２つの作業回転軸を有し、前記２つの作業回転軸を同方向に回転させることにより、前記第２の回転軸の回転動作を行わせ、前記２つの作業回転軸を逆方向に回転させることにより、前記処置部の開閉動作を行い、前記２つの作業回転軸のそれぞれに、前記２つの作業回転軸に対して平行および直交方向に回転自在に支持された作業リンクを配置し、前記作業リンクは、互いに回転自在に結合されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、支持部によって処置部の支持姿勢が２自由度以上に変更可能であるとともに、操作指令部と作業部とが連結部によって機械的に接続されているため、操作信頼性に優れているという先願（特願平１１−１６５９６１号）の特徴を損なうことなく、術者により実際に行われる処置時の動作、たとえば湾曲針による縫合作業時の動作方向と、マニピュレータの自由度の配置を一致させているため、術者が操作しようとする方向に操作指令部をスムーズに動作させることが可能であり、操作性に特に優れており、また、特異姿勢およびその近傍では、術者が操作したい方向に操作力がアシストされるため、特定の方向への操作性が極めて悪くなるということはなく、さらに、処置部の把持力を十分に得ることが可能であるという利点を有する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態によるマニピュレータを示す構成概略図である。図２、図３は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの自由度構成をスケルトン図で示した図およびその動作を説明する図である。
【００２２】
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態の医療用マニピュレータ１は、作業部１０と、操作指令部２０と、両端が作業部１０と操作指令部２０とに接続された連結部３０とを備えている。
【００２３】
作業部１０は支持部と術部に処置を施す処置部とを有し、支持部は連結部３０の中心軸方向３１に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸１１と第１の回転軸１１に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸１２からなり、処置部の把持動作１３を行うグリッパ１４の中心軸方向は第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行に配置されている。言いかえれば、作業部１０は、グリッパ１４を２自由度で姿勢変更に可能に支持する支持部としてのピッチ軸関節支持部１５およびロール軸関節支持部１６とを有している。
【００２４】
操作指令部２０は、連結部３０の中心軸方向３１に対して直交する回転軸を有する第３の回転軸２１と第３の回転軸２１に対して直交する回転軸を有する第４の回転軸２２からなる姿勢操作部２３と、処置操作部２４とを有している。処置操作部２４は、操作者が処置操作部２４を把持する際の操作者の把持する指の方向２０１ａ、２０２ａ（図２８参照）と第４の回転軸２２の軸方向２２ａとは概ね平行であるように形成されている。術部に処置を施す処置部１４の把持動作１３は、処置操作部２４の把持動作２５により行う。詳細は図７〜図１０及び図２８に後述する。
【００２５】
図１および図２では、連結部３０の中心軸方向３１と、第１の回転軸１１と、第２の回転軸１２とは１点で交差する位置関係にある。また、連結部３０の中心軸方向３１と、第３の回転軸２１と、第４の回転軸２２についても１点で交差する位置関係となっている。必ずしも１点で交差する必要はないが、処置部１４のオフセットが大きいと、姿勢操作の際、処置部１４が大きく振れまわったり、操作部のオフセットが大きい場合には位置操作に対して姿勢操作するような回転力を姿勢操作部２３に与えることになる。
【００２６】
操作部２０には、第３の回転軸２１と第４の回転軸２２の回転角を検出する角度検出センサ（エンコーダ、ポテンショメータなど）が配置されている。また、処置操作部２４には、操作者による処置部の把持指令動作を検出するセンサ（角度検出センサ、スイッチなど）が配置されている。これらのセンサにより姿勢操作部２０からの操作指令４１が制御装置４０へ送られる。制御装置４０では、入力された操作指令４１に対して、所定の制御演算を行い、第１の回転軸１１と第２の回転軸１２および把持動作１３の駆動制御を行う。
【００２７】
処置部１４の位置については、作業部１０と操作部２０が連結部３０で結合されているため、直接的に操作することが可能である。一方、処置部１４の姿勢については、連結部３０をロール軸とし、ピッチ軸（第１の回転軸１１）とロール軸（第２の回転軸１２）の３自由度により、処置部１４は任意の姿勢をとることができる。同様に処置操作部２４の姿勢については、連結部３０をロール軸とし、ピッチ軸（第３の回転軸２１）とロール軸（第４の回転軸２２）の３自由度により、処置操作部２４は任意の姿勢をとることができる。なお、連結部３０を共通のロール軸とすることで、医療用マニピュレータ１を低コスト化することが可能である。さらに、通常のマニピュレータでは、特異姿勢時には、演算上の問題や、特定の軸が非常に高速で動くという問題があるが、作業部１０と操作部２０とが同構造となっているために、そのような問題はない。
【００２８】
本実施の形態では、第１の回転軸１１の回転動作と第２の回転軸１２の回転動作および把持動作１３を駆動するための駆動部１０ｍ（例えばモータ・減速機など）は、連結部３０の操作指令部側に配置されている。図中の１０ｍは、駆動部の集合部分を示している。前述の制御装置４０の駆動制御により、駆動部１０内の対応する駆動部１１ｍ、１２ｍ、１３ｍが駆動され、その動力によって、図示しないワイヤ、プーリ、歯車などの動力伝達要素を介して、作業部１０の第１の回転軸１１の回転動作と第２の回転軸１２の回転動作および把持動作１３の駆動制御が行われる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、作業部１０の支持部の自由度構成（第１の回転軸１１と第２の回転軸１２）と、姿勢操作部２３の自由度構成（第３の回転軸２１と、第４の回転軸２２）は同構造のため、第３の回転軸２１と第１の回転軸１１、第４の回転軸２２と第２の回転軸１２の回転角度は等しくなるように制御されている。たとえば、図３に示すように、操作者が第３の回転軸２１を駆動するような姿勢操作を行った場合、作業部の第１の回転軸１１は、等しくなるように制御される。
【００３０】
本実施の形態の作業部１０および操作指令部２０では、術者により実際に行われる処置時の動作、たとえば湾曲針による縫合作業時の動作方向（図２７）と、医療用マニピュレータの自由度の配置が一致しているため、操作者が操作しようとする方向に操作指令部をスムーズに動作させることが可能である。すなわち、湾曲針を把持した状態で、湾曲針を縫合部に刺した後、操作者は湾曲針を円弧状に回転誘導させるが、その回転動作と第４の回転軸２２の回転軸方向は概ね一致しており、第３の回転軸２１や連結部を大幅に回転させる必要はないため、操作性が非常に良くなる。従来の実施例により同様の作業を行うためには、処置部の２自由度の動作と連結部の回転動作を組み合わせて実現することになり、湾曲針を操作者の意図する円弧状に誘導させるのは極めて困難である。
【００３１】
なお、医療用マニピュレータ１が非常に軽量の場合には、支持機構を特に設ける必要はないが、医療用マニピュレータ１の重量を術者が長時間支えるのが困難な場合や、医療用マニピュレータ１の保持ブレーキ機能や自重補償機構が必要な場合は、支持機構１００により支持する構成としても良い（図１中２点鎖線で図示）。医療用マニピュレータ１は、仮想回転中心１１０（不動点）に対して、２軸方向の回転運動および１軸方向（挿入方向）の直動運動（すなわち、極座標）が可能な状態で支持されている。たとえば、支持機構１００は、基部に対して上下左右動する位置調整機構１０１と、下端部に設けられた鉛直軸回りに回動する水平回動部１０２と、水平回動部１０２の外周に一端が接続された円弧アーム１０３とを有している。水平回動部１０２の回動軸は、連結部３０上の適宜の点１１０の略鉛直上方に位置している。円弧アーム１０３の他端には支持連結部１０４により連結部３０が支持されている。支持連結部１０４は円弧アーム１０３に回転運動可能に支持され円弧アーム１０３の円弧に沿って回転運動可能であり、連結部３０は支持連結部１０４へ挿入され中心軸方向３１に直動可能である。
【００３２】
図４〜図６は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの作業部１０、特に、処置部すなわちグリッパ１４の構成例を示した図である。図４は、蝶番状に開閉する場合、図５は、平行に開閉する場合、図６は、グリッパ１４が第２の回転軸１２に対してオフセットしている場合である。なお、グリッパ１４は、図４〜図６に示された形態だけでなく、基本的にその中心軸の方向が、第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行に配置されていればよい。
【００３３】
図７〜図１０及び図２８は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの操作指令部２０、特に、処置操作部２４の構成例を示した図である。
【００３４】
図７では、処置部１４の把持動作１３のための指令を、指操作部２６の把持動作２５により与える。指操作部２６は、操作者の親指と、人差し指乃至中指が挿入される２つの指挿入部２６ａ、２６ｂを有している。２つの指挿入部２６ａ、２６ｂは、指操作指示部２７に対して少なくとも一方が、蝶番状に可動に構成され、両者の間隔が任意に変更可能になっている。指挿入部２６ａ、２６ｂの間隔に対応して、グリッパ１４の間隔が制御される構成になっている。指挿入部２６ａ、２６ｂの間隔を角度として検出して、グリッパ１４の開閉角度を制御しても良いし、ＯＮ／ＯＦＦ的に検出して、グリッパ１４をＯＮ／ＯＦＦ的に開閉する制御を行っても良い。
【００３５】
図８は、指操作指示部２７にハンドル部２７ｂを設けた場合である。操作者は、中指乃至小指でハンドル部２７ｂを握ることで、安定に処置操作部を操作することができる。また、指操作部２６を付加しても良いし、付加しない場合は、開方向に作用するバネ力（図示せず）などを付加しても良い。また、把持状態を維持するようなロック機構を設けても良い。
【００３６】
図９では、操作者は、ハンドル２９を握った状態で、処置部１４の把持動作１３のための指令を、スイッチ２８により与える。グリッパ１４をＯＮ／ＯＦＦ的に開閉するだけで良い場合は、このような構成にすることで処置操作部２４を単純化できる。図１０は、互いに平行に指挿入部２６ａ、２６ｂが開閉する構成である。
【００３７】
また、図２８は、図１における示す処置操作部２４を具体的に手２００で操作する場合を示す図である。操作者の親指２０１は指挿入部２６ａに挿入され、人差指２０２及び中指２０３が指挿入部２６ｂに挿入される。親指２０１は指挿入部２６ａに挿入され、人差２０２及び中指２０３が指挿入部２６ｂに挿入される。図２８に示されるように、処置操作部２４は、操作者が処置操作部２４を把持する際の操作者の把持する指の方向、例えば親指２０１の方向２０１ａや人差指２０２の方向２０２ａは第４の回転軸２２の軸方向２２ａとは概ね平行であるように形成されている。これらのことは、図７〜図１０に示す処置操作部２４に対しても、操作者が手２００で処置操作部２４を把持する際に操作者の把持する指の方向と第４の回転軸２２の軸方向２２ａとは概ね平行であるような関係にある。
【００３８】
図１１〜図１６は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの作業部１０の構成例を示した図である。いずれもグリッパ１４の開状態（図１１、図１３、図１５）と閉状態（図１２，図１４，図１６）を示している。
【００３９】
まず、図１１及び図１２について説明する。連結部３０に対して回転自在に支持、すなわち第１の回転軸１１に対して回転自在に支持された回転部材５０は、プーリ１１ｐと結合されており、駆動部１１ｍ（図１参照）の駆動力がワイヤ１１ｗにより伝達されることで、プーリ１１ｐが回転させられ、第１の回転軸１１が駆動される。プーリ１２ｐ、１３ｐは、回転部材５０に対して回転自在に支持されており、かつ、それぞれ傘歯車またはフェイスギヤ５１ａ、５２ａに固定されている。したがって、駆動部１２ｍ、１３ｍ（図１参照）の駆動力がワイヤ１２ｗ、１３ｗにより伝達されることで、傘歯車またはフェイスギヤ５１ｂ、５２ｂを回転させることができる。傘歯車またはフェイスギヤ５１ｂ、５２ｂは、回転部材５０の第１の回転軸１１と直交する方向、すなわち、第２の回転軸１２に対して回転自在に支持されている。すなわち、回転軸１２上に２つの回転軸１２ａ、１２ｂが配置されている。グリッパ１４ａ、１４ｂは、その中心軸方向が、第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行、すなわち、グリッパ１４のロール軸方向が、第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行になるように、連結部材５３、５４を介して、傘歯車またはフェイスギヤ５１ｂ、５２ｂに固定されている。したがって、駆動部１２ｍ、１３ｍを駆動することで、グリッパ１４ａ、１４ｂをそれぞれ独立に駆動することが可能である。回転軸１２ａ、１２ｂを同方向に回転させるように制御することにより、第２の回転軸１２の回転動作を、すなわち、グリッパ１４のロール動作を、回転軸１２ａ、１２ｂを逆方向に回転させるように制御することにより、グリッパ１４の開閉動作を行うことが可能である。駆動部１２ｍ、１３ｍの駆動量は、途中の動力伝達方法によって、容易に決めることができる。
【００４０】
図１３及び図１４では、グリッパ（作業リンク）１４ａ、１４ｂの下端は、回転軸１２ａ、１２ｂに対して平行方向（回転軸５５ａ、５５ｂ）および直交方向（回転軸５６ａ、５６ｂ）に回転自在となるように連結部材５３、５４に対して支持されており、かつ、グリッパ１４ａ、１４ｂは、互いに回転軸５７に対して回転自在に結合されている。したがって、駆動部１２ｍ、１３ｍを駆動することで、グリッパ１４ａ、１４ｂを駆動することが可能である。同様に回転軸１２ａ、１２ｂを同方向に回転させるように制御することにより、第２の回転軸１２の回転動作を、すなわち、グリッパ１４のロール動作を、回転軸１２ａ、１２ｂを逆方向に回転させるように制御することにより、グリッパ１４の開閉動作を行うことが可能である。グリッパ１４ａ、１４ｂの、回転軸５７に対する先端側の長さの比率を大きくすることで、グリッパの開閉量を大きくすることができる。
【００４１】
図１５及び図１６では、図１３及び図１４に対して、開閉の関係を逆にしている。連結部材５３、５４が近づいた時にグリッパ１４が開き、離れた時にグリッパ１４が閉じる構成となっている。この構成の場合、トグル機構による増力駆動となっているため、連結部材５３、５４が１８０度の位相関係に近い時には、把持する力を非常に大きくすることができる。これは、グリッパを開こうとする方向と、駆動する方向（グリッパ１４ａ、１４ｂの下端の回転する方向）とが直交方向に近くなるため、グリッパを開こうとする力を、駆動する方向で受けるのではなく、構造的に受ける構成になっているためである。このような構成は、縫合作業に使う細い針を強く把持する場合に適している。
【００４２】
図１１〜図１６では、回転軸１２上に２つの回転軸１２ａ、１２ｂを配置する構成として、ワイヤ、プーリと傘歯車またはフェイスギヤを用いていたが、図１７、図１８に他の方法を示す。
【００４３】
図１７は、ワイヤ、プーリのみで実現する方法である。ワイヤ１１ｗにより、第１の回転軸１１を駆動し、ワイヤ１２ｗ、１３ｗにより、回転軸１２ａ、１２ｂを実現する。プーリ５８、５９によってワイヤの向きを変えている。ワイヤのプーリの巻きつけ数は、駆動する角度によって決めれば良い。図１８は、トルクチューブにより実現する方法である。トルクチューブ１１ｔにより、第１の回転軸１１を駆動し、トルクチューブ１２ｔ、トルクチューブ１３ｔにより、回転軸１２ａ、１２ｂを実現する。
【００４４】
なお、図１１〜図１８で示した構成において、構造部材や軸、連結部材などの形状、支持の方法は、図に示した形態だけではなく、機能を損なわなければどのような構成としても良い。たとえば、軸側を固定して枠側を回転させても、枠側を固定して軸側を回転させても良い。
【００４５】
図１９は、本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータを示す構成概略図である。図２０は、本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの動作を説明する図である。
【００４６】
本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータでは、姿勢操作部２３が特異姿勢付近（連結部３０の中心軸方向３１と第４の回転軸２２方向が一致ないし平行の位置関係となった時）、すなわち、図１９の状態では、第３の回転軸２１および第４の回転軸２２に直交する回転軸方向（図では処置操作部を把持した手に対して左右方向）に姿勢を変化させるのは困難である。本発明の第２の実施の形態は、この特異姿勢付近での操作性を向上させるものである。
【００４７】
基本的な構成は、図１に示す本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータと同様である。第２の実施では、操作指令部２０に、第３の回転軸２１および第４の回転軸２２に直交する方向に加わる力を検出することが可能なセンサ６０が取り付けられている。センサ６０は、ひずみケージによる検出が最も簡易的である。図１９に示す位置（両面）にひずみケージを貼り付けることにより、第３の回転軸２１および第４の回転軸２２に直交する方向に加わる力を曲げ応力として検出することが可能である。
【００４８】
支持連結部１０４には、駆動部（アクチュエータ）６１が配置されており、ベルト６３、プーリ６２、６４を介し、連結部３０に対して、連結部３０の軸方向に回転トルクを与えることが可能な構成となっている。もちろん歯車のような動力伝達機構を使っても全く問題ない。そして、センサ６０の検出値結果を制御装置４０に取り込み、駆動部６１を制御する。
【００４９】
たとえば、図２０のような姿勢の時（この時の第３の回転軸２１を＋とする）に、操作者が操作部を図中１２０の方向（この方向を＋とする）に操作した場合、センサ６０は、曲げ応力を検出する（この時の出力を＋とする）。この時、駆動部６１により、図中１２１の方向（この方向を＋とする）に回転トルクを与えるように制御する。逆に、１２０の方向と逆方向（−方向）に操作した場合は、センサ６０は、−方向の曲げ応力を検出する。この時、駆動部６１により、図中１２１の逆方向（−方向）に回転トルクを与えるように制御する。
【００５０】
一方、図２１のような姿勢（第３の回転軸２１が−）の場合に、操作者が操作部を図中１２２の方向（＋方向）に操作した場合、センサ６０は、＋方向の曲げ応力を検出する。この時、駆動部６１により、図中１２３の方向（−方向）に回転トルクを与える。逆に、１２２の方向と逆方向（−方向）に操作した場合は、センサ６０は、−方向の曲げ応力を検出する。この時、駆動部６１により、図中１２３の逆方向（＋方向）に回転トルクを与える。
【００５１】
したがって、図２２に示すように、曲げ応力の方向とその時の姿勢操作部２３の第３の回転軸の位置（＋または−）によって、駆動部６１によって回転させる方向を決めることができる。第３の回転軸２１の位置がゼロ（特異姿勢）の場合には、どちらに回転させても良い。あらかじめ決めておいた方向に回転させれば良いし、連続的に回転させるために、最も最近の連結部の回転方向に回転させもてよい。
【００５２】
特異姿勢に近ければ近いほど曲げ応力は大きくなる、また、回転速度も上げる必要もあるため、曲げ応力に比例した回転トルクを発生するようにしても良い。曲げ応力と回転トルクとの関係は、適宜、操作性の良い範囲に設定すればよい。なお、特異姿勢から離れた位置では、曲げ応力は当然小さくなるため、回転トルクは自動的に小さくなるため安全である。場合によっては、第３の回転軸２１の位置がゼロ付近（例えば±１０度の範囲）のみ、回転トルクをあたえる制御を行っても良い。
【００５３】
なお、第３の回転軸２１の位置がゼロ付近（例えば±１０の範囲）で、連結部３０に回転トルクが与えられても、作業部１０と操作指令部２０の自由度構成が同構造なため、基本的に操作者の与える姿勢が、作業部２０の目標姿勢になるので、作業部２０が急激な動作をすることはなく安全である。
【００５４】
駆動部６１を連結部３０の中心軸方向３１回りの自重補償用のアクチュエータとして用いても良い。医療用マニピュレータ１の各軸の姿勢により、自重による中心軸方向３１回りのトルクを算出し、補償することは容易に行える。
【００５５】
図２３は、連結部３０の軸方向に回転トルクを与える方法の一例を示す図である。医療用マニピュレータ１は、支持連結部１０４で、連結部３０の軸方向に回転および直動可能な状態で支持されている。図２３では、連結部３０は、直動軸受け６５および回転軸受け６６によって支持されている。連結部３０の断面は、Ｄ形状となっている。駆動部６１は、ベルト６３、プーリ６２、６４により、直動軸受け部分６７を回転させる構成となっている。このような構成にすることにより、支持連結部１０４を直動支持するとともに、回転支持し、さらに、連結部３０に回転トルクを与えることが可能となる。
【００５６】
なお、上述の第１の実施形態及び第２の実施形態では、第１の回転軸１１または第３の回転軸２１をピッチ軸として説明したが、第１の回転軸１１または第３の回転軸２１をピッチ軸と限定する必要はなく、図２９に示すように、第１の回転軸１１または第３の回転軸２１をヨー軸として構成してもよく、同様の効果が得られる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、支持部によって処置部の支持姿勢が２自由度以上に変更可能であるとともに、操作指令部と作業部とが連結部によって機械的に接続されているため、操作信頼性に優れているという特徴を損なうことなく、術者により実際に行われる処置時の動作、たとえば湾曲針による縫合作業時の動作方向とマニピュレータの自由度の配置とを一致させているため、術者が操作しようとする方向に操作指令部をスムーズに動作させることが可能であり、操作性に特に優れている。また、特異姿勢およびその近傍では、術者が操作したい方向に操作力がアシストされるため、特定の方向への操作性が極めて悪くなるということはなく、さらに、処置部の把持力を十分に得ることが可能であるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータを示す概略斜視図。
【図２】図１のスケルトン図。
【図３】図１の動作を説明するスケルトン図。
【図４】図１の作業部の構成の例を示す概略斜視図。
【図５】図１の作業部の構成の例を示す概略斜視図。
【図６】図１の作業部の構成の例を示す概略斜視図。
【図７】図１の操作部の構成の例を示す概略斜視図。
【図８】図１の操作部の構成の例を示す概略斜視図。
【図９】図１の操作部の構成の例を示す概略斜視図。
【図１０】図１の操作部の構成の例を示す概略斜視図。
【図１１】図１の開状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１２】図１の閉状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１３】図１の開状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１４】図１の閉状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１５】図１の開状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１６】図１の閉状態にある作業部の詳細の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１７】作業部の動力伝達方法の例を示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）。
【図１８】作業部の動力伝達方法の例を示す側面図。
【図１９】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータヲ示す概略斜視図。
【図２０】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの制御方法を説明する図。
【図２１】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの制御方法を説明する図。
【図２２】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータの制御方法を説明する表。
【図２３】図１９の詳細の例を示す側面図。
【図２４】図２３の支持連結部の断面図。
【図２５】従来の医療マニピュレータ（鉗子）を示す概略図。
【図２６】従来（先願）の医療マニピュレータを示す概略図。
【図２７】縫合作業の説明図。
【図２８】操作者が処置操作部を把持する際の操作者の把持する指の方向と第４の回転軸の軸方向との関係を示す図。
【図２９】第１の回転軸または第３の回転軸をピッチ軸とせずにヨー軸とする構成を示す図。
【符号の説明】
１ 医療マニピュレータ
１０ 作業部
１０ｍ、１１ｍ、１２ｍ、１３ｍ，６１ 駆動部
１１ｗ、１１ｗ、１２ｗ ワイヤ
１１ｐ、１１ｐ、１２ｐ，６２，６４ プーリ
１１ 第１の回転軸
１２ 第２の回転軸
１３，２５ 把持動作
１４ グリッパ
１５ ピッチ軸関節支持部
１６ ロール軸関節支持部
２０ 操作指令部
２１ 第３の回転軸
２２ 第４の回転軸
２３ 姿勢操作部
２４ 処置操作部
２６ 指操作部
２７ 指操作支持部
３０ 連結部
３１ 連結部３０の中心軸方向
４０ 制御装置
４１ 操作指令
６０ センサ
６３ ベルト
１００ 支持機構
１０１ 位置調整機構
１０２ 水平回動部
１０３ 円弧アーム
１０４ 支持連結部
１１０ 仮想回転中心（不動点）
２０１ａ、２０２ａ 指の方向
Claims (8)
- 姿勢操作部と処置操作部とを有する操作指令部と、
一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、
前記連結部の他端側に接続され、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部と、
前記姿勢操作部からの操作指令を前記支持部に送って前記処置部の姿勢を変更させるとともに、前記処置操作部からの操作指令を前記処置部に送って前記処置部を動作させる制御部と、を備えた医療用マニピュレータにおいて、
前記連結部はトラカールの孔に挿入可能であり、
前記支持部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、
前記処置部の中心軸方向は、前記第２の回転軸の軸方向と概ね平行であり、
前記支持部は、前記第１の回転軸の回りに回転可能な一対の第１ギアと前記一対の第１ギアに連動して前記第２の回転軸の回りに回転可能な一対の第２ギアとを有し、
前記一対の第２ギアが前記第２の回転軸の回りに回転することに伴い前記処置部が開閉動作を行う
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。 - 前記連結部の中心軸と前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とは、一点で交差する
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。 - 姿勢操作部と処置操作部とを有する操作指令部と、
一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、
前記連結部の他端側に接続され、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部と、
前記姿勢操作部からの操作指令を前記支持部に送って前記処置部の姿勢を変更させるとともに、前記処置操作部からの操作指令を前記処置部に送って前記処置部を動作させる制御部と、を備えた医療用マニピュレータにおいて、
前記連結部はトラカールの孔に挿入可能であり、
前記支持部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、
前記処置操作部は指によって把持されるハンドルを有し、前記ハンドルの長手方向は前記第２の回転軸の軸方向と概ね平行であり、
前記支持部は、前記第１の回転軸の回りに回転可能な一対の第１ギアと前記一対の第１ギアに連動して前記第２の回転軸の回りに回転可能な一対の第２ギアとを有し、
前記一対の第２ギアが前記第２の回転軸の回りに回転することに伴い前記処置部が開閉動作を行う
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。 - 前記処置部は中心軸を有し、
前記処置部の中心軸と前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とは、一点で交差する
ことを特徴とする請求項３記載の医療用マニピュレータ。 - 姿勢操作部と処置操作部とを有する操作指令部と、
一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、
前記連結部の他端側に接続され、処置部と前記処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する作業部と、
前記姿勢操作部からの操作指令を前記支持部に送って前記処置部の姿勢を変更させるとともに、前記処置操作部からの操作指令を前記処置部に送って前記処置部を動作させる制御部と、を備えた医療用マニピュレータにおいて、
前記連結部はトラカールの孔に挿入可能であり、
駆動ユニットを備え、前記駆動ユニットは第１駆動部と第２駆動部と第３駆動部とを有し、前記第１駆動部と前記第２駆動部と前記第３駆動部の各々は柱形状を有し、前記柱形状の軸は前記第１駆動部と前記第２駆動部と前記第３駆動部の間で互いに平行であり、
前記支持部は、前記連結部の中心軸方向に対して直交する回転軸を有する第１の回転軸と、前記第１の回転軸に対して直交する回転軸を有する第２の回転軸とを有し、
前記駆動ユニットは、前記第１の回転軸の回転動作、前記第２の回転軸の回転動作、及び前記処置部の動作を駆動し、
前記支持部は、前記第１の回転軸の回りに回転可能な一対の第１ギアと前記一対の第１ギアに連動して前記第２の回転軸の回りに回転可能な一対の第２ギアとを有し、
前記一対の第２ギアが前記第２の回転軸の回りに回転することに伴い前記処置部が開閉動作を行う
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。 - 前記処置部は中心軸を有し、
前記処置部の中心軸と前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とは、一点で交差する
ことを特徴とする請求項５記載の医療用マニピュレータ。 - 前記駆動ユニットは、前記操作指令部と前記連結部の間に配設されている
ことを特徴とする請求項５記載の医療用マニピュレータ。 - 前記支持部は一対の連結部材を有し、
前記処置部は、前記一対の第２ギアが前記第２の回転軸の回りに回転することに伴い前記一対の連結部材を介して開閉動作を行い、
前記一対の連結部材が互いに近づく場合に前記処置部は開き、前記一対の連結部材が互いがに離れる場合に前記処置部は閉じる
ことを特徴とする請求項１、３、５のいずれか一項に記載の医療用マニピュレータ。
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