JP4781492B2 - 多関節マニピュレータ装置及びそれを有する内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、複数のワイヤの牽引により関節を屈曲させる多関節マニピュレータ装置及びそれを有する内視鏡システムに関する。

一般に、アーム型ロボットの１つとして、複数のロッドを屈曲自在の関節部で連結したマニピュレータが知られている。この様なマニピュレータは、用途に応じて先端部に種々の機能部位が取り付けて用いられる。機能部位としては、例えば、物品を挟み持つ挟持部等が考えられる。マニピュレータの内部には、屈曲動作をさせるため、その一端が各関節部に連結されたワイヤが配設されている。１つの関節部に対して少なくとも２本のワイヤ必要であるため、少なくとも関節数の２倍の本数のワイヤが必要である。

マニピュレータの軽量化を図る手法として、プーリへの巻き掛けを工夫して、ワイヤを互いに干渉させて、ワイヤの本数を減らした構成が知られている。この様なワイヤを用いたマニピュレータの制御は、関節トルク制御系とワイヤ張力制御系が必要であり、繁雑である。例えば、特許文献１には、次のような制御を行う技術が開示されている。この技術では、まず、移動させるマニピュレータの先端の目的位置からワイヤの変位の目標位置を算出する。また、ワイヤの実変位を測定する。次に、ワイヤの変位の目標位置と実変位とを比較し、その比較に基づいてワイヤに掛ける張力を求めてマニピュレータを駆動制御する。

日本国 特開平６−３１６６２号公報

前述した様なマニピュレータは、多種多様な分野で用いられている。例えば、内視鏡装置の様に長く小径で且つ軽量化が求められるものもある。確保できる内径が限られているマニピュレータでは、自由度を増すためにワイヤ数を増加させると、限られたスペースに配設しなければならないワイヤの本数が増える。この様な場合、細いワイヤが用いられることとなる。同様に、より細いマニピュレータが求められる場合、スペースが減少するため、同じ数の関節を設けるには、より細いワイヤを採用することになる。

マニピュレータのワイヤに掛かる張力がワイヤの強度を超えた場合、そのワイヤは損傷するおそれがある。例えば内視鏡手術等に用いられるマニピュレータにおいてワイヤが損傷した場合、手術が中断される場合がある。これらのことを鑑みると、例えば内視鏡手術等に用いられるマニピュレータにおいては、スペースの観点から細いワイヤの使用が求められる一方で、損傷しない強度を有するワイヤを用いることが求められる。

ところで、ワイヤを用いた多関節マニピュレータにおいて、それぞれのワイヤに掛かる張力は異なる。また、マニピュレータの先端を同一の位置及び姿勢にするための関節の変位の組み合わせは複数ある。従って、マニピュレータの先端を目標の位置及び姿勢にするにあたり、複数のワイヤのうち掛かる張力が低いワイヤを優先的に牽引すれば、ワイヤに掛かる張力がワイヤの強度を超えることを防止できる。

そこで本発明は、ワイヤの損傷を避けるため、複数のワイヤのうち掛かる張力が低いワイヤを優先的に牽引してマニピュレータの先端を目標の位置及び姿勢に移動させる、ワイヤ駆動型の多関節マニピュレータ装置及びそれを有する内視鏡システムを提供することを目的とする。

上記目的を果たすため、本発明の多関節マニピュレータ装置の一態様は、複数の関節部を有する管状部材と、前記管状部材を挿通し、その一端が何れかの前記関節部近傍に固定された複数の線状動力伝達部材と、前記線状動力伝達部材の他端が固定されるとともに、前記管状部材を屈曲させるため該線状動力伝達部材を長手方向に移動させる駆動部と、前記駆動部によって移動させられる前記線状動力伝達部材の位置を検出する位置検出部と、前記線状動力伝達部材に掛かる張力を検出する張力検出部と、前記管状部材及び該管状部材に取り付けられた部材のうち注目する部分である注目点の目標とする位置と姿勢の入力を受ける操作部と、前記位置検出部が検出した前記線状動力伝達部材の位置から前記注目点の現在の位置と姿勢を算出し、複数の前記線状動力伝達部材における前記張力検出部が検出した前記張力が相対的に低い該線状動力伝達部材を優先して移動させるための該張力に基づく重み付け係数を算出し、前記注目点を、算出された前記現在の位置と姿勢から前記目標とする位置と姿勢へ移動させるための前記線状動力伝達部材の移動量を前記重み付け係数に基づいて算出し、前記移動量に基づいて前記駆動部に前記線状動力伝達部材を牽引させる、移動量算出部と、を具備することを特徴とする。

上記目的を果たすため、本発明の内視鏡システムの一態様は、前記多関節マニピュレータ装置に外被が被覆され、一端が前記駆動部に接続された体腔挿入部と、前記駆動部が配設されている端と別の端である前記体腔挿入部の先端に備えられた撮像部と、前記体腔挿入部の前記先端に備えられた照明部と、前記撮像部が撮像した画像を表示する表示部と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、ワイヤの損傷を避けるため、ワイヤに掛かる張力に基づく重み付けを考慮した制御により、複数のワイヤのうち掛かる張力が低いワイヤを優先的に牽引してマニピュレータの先端を目標の位置及び姿勢に移動させる、ワイヤ駆動型の多関節マニピュレータ装置及びそれを有する内視鏡システムを提供できる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る多関節マニピュレータ装置の全体構成例を示すブロック図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係る多関節マニピュレータの構成例の外観の概要を示す図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る多関節マニピュレータの構成例の断面の概要を示す図である。 図３Ａは、本発明の第１の実施形態に係る多関節マニピュレータの構成、座標、パラメータの例を示す図であり、マニピュレータが延伸している状態の概略を示す図である。 図３Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る多関節マニピュレータの構成、座標、パラメータの例を示す図であり、マニピュレータが屈曲している状態の概略を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る多関節マニピュレータ装置の動作処理例を示すフローチャートである。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る多関節マニピュレータ装置を適用した内視鏡システムの構成例を示す図である。

［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る多関節マニピュレータ装置１は、マスタースレーブ型装置である。多関節マニピュレータ装置１は、図１に示す通り、大別して、多関節マニピュレータ２と、多関節マニピュレータ２の駆動制御を行う装置本体３と、ユーザの操作量に応じた操作信号を生成するマスタ部４と、多関節マニピュレータ２を駆動するマニピュレータ駆動部５とを有する。

多関節マニピュレータ２の外観の概略を図２Ａに、断面の概要を図２Ｂに、それぞれ示す。これら図に示す通り、挟持部１６と、複数の円筒形状の湾曲駒１７（１７−１，１７−２，…，１７−ｎ）と、複数のリベット形状の軸部材１８（１８−１，１８−２，…，１８−ｎ）と、複数のワイヤ（又は、アングルワイヤ）１９（１９−１，１９−２，…，１９−ｎ）とを有する。挟持部１６は、多関節マニピュレータ２の先端部に設けられている。リベット形状の軸部材１８（１８−１，１８−２，…，１８−ｎ）は、各湾曲駒１７間を折曲自在に連結して関節を形成している。ワイヤ１９（１９−１，１９−２，…，１９−ｎ）は、その一端が湾曲駒１７の関節近傍にロウ付け等で固着され、その移動により、軸部材１８を回転軸として、湾曲駒１７を回動させる。尚、図２Ａ及び図２Ｂには、例として関節数が４であるマニピュレータを図示している。また、以下の説明では、多関節マニピュレータ２において、挟持部１６等の機能部位等を取り付ける側を先端とし、装置等に固定される側を基端とする。多関節マニピュレータ２は更に、可撓管１５と、連結部材２２と、可撓性コイル２１（２１−１，２１−２，…，２１−ｎ）とを有している。可撓管１５は、多関節マニピュレータ２の基端側に配置され、比較的柔らかに弾性的に曲がり得る。連結部材２２は、可撓管１５及び基端側の湾曲駒１７−１を連結する。可撓性コイル２１（２１−１，２１−２，…，２１−ｎ）は、湾曲駒１７から、可撓管１５の基端側まで貫くように設けられている。その一端が湾曲駒１７に固定された各ワイヤ１９は、可撓性コイル２１（２１−１，２１−２，…，２１−ｎ）の中を挿通されている。また、湾曲駒１７から可撓管１２の基端側まで貫くように設けられる可撓管２０には、挟持部１６を開閉させて挟持動作を行わせるための操作ワイヤ２３が挿通されている。

湾曲駒１７と軸部材１８との連結形態について説明する。多関節マニピュレータ２における先端側と基端側に配置される湾曲駒を除く各湾曲駒１７には、その先端側には湾曲駒の円筒中心を挟んで設けられる舌片状の２つの先端側突出部が、その基端側には先端側突出部と直交する方向（９０度回転させた方向）で湾曲駒の円筒中心を挟んで設けられる舌片状の２つの基端側突出部が、それぞれに設けられている。湾曲駒の連結構成は、例えば、次の様である。図２Ａに示すように、例えば、湾曲駒１７−２と湾曲駒１７−３とは、湾曲駒１７−２の基端側突出部に開けられた穴と、湾曲駒１７−３の先端側突起部に開けられた穴とを重ね合わせ、その穴にリベット形状の軸部材１８を嵌装させて回動自在に連結されている。このような湾曲駒１７間の軸部材１８による自在接ぎ手連結を複数段行うと、湾曲駒１７の前後で９０度ずれた連結形態となる。

このように湾曲駒１７の軸部材１８の接続位置が交互に９０度ずれた自在接ぎ手接続の形態において、所望する湾曲駒１７に接続されている一対のワイヤ１９のうちの一方を引くと、２つの軸部材１８を中心軸として、その湾曲駒１７が振り動かされる。従って、所望する湾曲駒１７に接続されているワイヤ１９の引き具合により、各湾曲駒１７間を自在に折曲又は延伸させることで、多関節マニピュレータ２の先端の挟持部１６を、３次元的に所望する位置及び姿勢に変位させることができる。

マスタ部４は、図１に示す通り、ユーザが操作指示を入力する入力部位となる操作部６と、操作部６の操作量に応じた操作信号を生成する操作信号生成部７とを有する。マスタ部４による操作指示は、多関節マニピュレータ２に対して主従の関係を持ち、主となるマスタ部４による操作指示に従って、従となる多関節マニピュレータ２が湾曲動作する。操作部６は、例えば、一般的な入力機器である、ボタンスイッチ、ジョイスティック、キーボード、マウス等の入力装置である。例えば、２本のマニピュレータを備えた多関節マニピュレータ装置１であれば、操作部６は、各多関節マニピュレータ２用に、２つのジョイスティックを備えても良い。操作信号生成部７は、操作部６から入力された指示に基づき、操作信号を生成し、装置本体３に出力する。

マニピュレータ駆動部５は、ワイヤ１９の駆動源となる複数のアクチュエータ２５（２５−１，２５−２，…，２５−ｎ）と、各ワイヤ１９に掛かる張力を検出する複数の張力センサ２７（２７−１，２７−２，…，２７−ｎ）と、各ワイヤ１９の変位を検出する複数の位置センサ２６（２６−１，２６−２，…，２６−ｎ）とを有する。各アクチュエータ２５は、一例として、プーリ（図示せず）が回転軸に嵌装されたモータ（図示せず）を有する。前述したように１つの湾曲駒１７には、少なくとも２本のワイヤ１９の一端が固着されている。これらのワイヤ１９の他端は、それぞれプーリに連結又は巻架されている。前記モータが回転することにより、プーリが回転し、一方のワイヤ１９を牽引し、他方のワイヤ１９を送り出す。このようなワイヤ１９の動きにより、軸部材１８を中心として湾曲駒１７が回動する。

装置本体３は、制御部８と、操作信号処理部９と、駆動制御部１３とを有する。操作信号処理部９は、操作信号生成部７から入力された操作信号に対して、デジタル化処理を含む種々の信号処理を施し、処理後の信号を制御部８に出力する。制御部８は、演算部１０と、牽引量算出部１１とを含む。演算部１０は、多関節マニピュレータ装置１の各部の制御等に関する演算を行う。牽引量算出部１１は、張力センサ２７から入力されたワイヤ１９の張力と、位置センサ２６から入力されたワイヤ１９の位置と、演算部１０から入力された操作者による操作指示とに基づいて、操作者が指示した多関節マニピュレータ２の先端が目標とする位置及び姿勢に達するために必要なワイヤ１９の牽引量を算出する。牽引量算出部１１は、算出したワイヤ１９の牽引量を演算部１０に出力する。演算部１０は、この牽引量を、駆動制御部１３に出力する。駆動制御部１３は演算部１０から入力された、ワイヤ１９の牽引量に基づく制御信号に従って、アクチュエータ２５の駆動を制御する。

この様に、例えば可撓管１５、湾曲駒１７、軸部材１８、可撓性コイル２１、及び連結部材２２を含む多関節マニピュレータ２は、複数の関節部を有する管状部材として機能し、例えば湾曲駒１７の関節近傍にロウ付け等で固着されたワイヤ１９は、管状部材を挿通し、その一端が何れかの関節部近傍に固定された複数の線状動力伝達部材として機能し、例えばアクチュエータ２５は、線状動力伝達部材の他端が固定され、管状部材を屈曲させるため線状動力伝達部材を長手方向に移動させる駆動部として機能し、例えば位置センサ２６は、線状動力伝達部材の位置を検出する位置検出器として機能し、例えば張力センサ２７は、線状動力伝達部材に掛かる張力を検出する張力検出器として機能し、例えば操作部６は、管状部材及び管状部材に取り付けられた部材のうち注目する部分である注目部位の目標とする位置及び姿勢の入力を受ける操作部として機能し、例えば牽引量算出部１１は、位置検出器が検出した線状動力伝達部材の位置に基づいて注目部位の現在の位置及び姿勢を算出し、現在の位置及び姿勢から目標とする位置及び姿勢に注目部位を移動させるために必要な線状動力伝達部材の移動量を、張力検出器が検出した線状動力伝達部材に掛かる張力に基づいて算出する移動量算出部として機能する。

次に、このように構成された多関節マニピュレータ２の屈曲動作について説明する。図３Ａ及び図３Ｂに、４つの回転関節を有する多関節マニピュレータ２の多関節構造モデルを示す。ここでは簡単のため、回転関節が４つの場合を例に挙げ説明するが、勿論関節数はいくつでも良いし、直動関節などを用いても良い。

図３Ａは、多関節マニピュレータ２が直線的に延伸した状態を示している。基端側から５つの湾曲駒１７−１乃至湾曲駒１７−５が並んでいる。これら湾曲駒１７−１乃至湾曲駒１７−５は、４つの軸部材１８−１乃至軸部材１８−４によって連結されている。各軸の軸部材１８において、この図に示す様に、互いに直交するローカルなｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定する。軸部材１８−１及び軸部材１８−３は、ｙ軸を回転軸とする回転運動を行い、軸部材１８−２及び軸部材１８−４はｘ軸を回転軸とする回転運動を行う。

図３Ｂは、軸部材１８−１及び軸部材１８−３においてそれぞれ回動し、湾曲駒１７−１と湾曲駒１７−２の間、及び湾曲駒１７−３と湾曲駒１７−４の間が屈曲された状態の多関節マニピュレータ２の例を示す。図３Ｂに示す例では、軸部材１８−１の折曲角度θ_１は、−αであり、軸部材１８−３の折曲角度θ_３は、βである。

次に図４を参照して制御部８で行う処理を説明する。
ステップＳ１において、牽引量算出部１１は、図示しないタイマをスタートさせる。
ステップＳ２において、牽引量算出部１１は、位置センサ２６が取得したワイヤ１９の変位から、ワイヤ１９の変位と多関節マニピュレータ２の関節角度との関係式を用いて、多関節マニピュレータ２の現在の関節角度Φ_nowを算出する。ｎ自由度を有する多関節マニピュレータ２の関節角度Φ_nowは、次式（１）で表される。

ここでθ_1,now，θ_2,now，…，θ_n,nowは、それぞれ関節１，関節２，…，関節ｎの角度を表す。

ステップＳ３において、牽引量算出部１１は、ステップＳ２で算出した現在の関節角度Φ_nowに基づいて、挟持部１６等多関節マニピュレータ２の先端部にあるエンドエフェクタの現在の位置及び姿勢Ｅ_nowを、位置及び姿勢Ｅと関節角度Φとの関係式Ｅ＝Ａ（Φ）を用いて次式（２）により算出する。

ここでｘ_now，ｙ_now，ｚ_now，Ｒｏｌｌ_now，Ｙａｗ_now，Ｐｉｔｃｈ_nowは、それぞれエンドエフェクタの現在のｘ軸方向位置、ｙ軸方向位置、ｚ軸方向位置、ロール、ヨー、及びピッチを表す。

ステップＳ４において、牽引量算出部１１は、操作者が操作部６を用いて入力し、操作信号生成部７で生成されたエンドエフェクタの目標とする位置及び姿勢Ｅ_targetを、操作信号処理部９及び演算部１０を介して取得する。ここで、エンドエフェクタの目標とする位置及び姿勢Ｅ_targetは、次式（３）で表される。

ここでｘ_target，ｙ_target，ｚ_target，Ｒｏｌｌ_target，Ｙａｗ_target，Ｐｉｔｃｈ_targetは、それぞれエンドエフェクタの目標とするｘ軸方向位置、ｙ軸方向位置、ｚ軸方向位置、ロール、ヨー、及びピッチを表す。

ステップＳ５において、牽引量算出部１１は、張力センサ２７より関節ｉ用のワイヤ１９の張力Ｔ_iを取得する。ここで、ｉ＝１，２，…,ｎを表す。

ステップＳ６において、牽引量算出部１１は、張力Ｔ_iに基づいて次式（４）を用いて、重み付け係数αを算出する。

ここで、Ｂ_iは定数、Ｔ_aveは全張力Ｔ_iの平均値を表す。

ステップＳ７において、牽引量算出部１１は、エンドエフェクタを現在の位置及び姿勢Ｅ_nowから目標とする位置及び姿勢Ｅ_targetに変位させるために必要な関節角度の変位量、即ちＥ_target＝Ａ（Φ_now＋ΔΦ）を満たす関節角度変位ΔΦを数値計算により算出する。当該数値計算には次式（５）で表されるヤコビ行列Ｊ(Φ)を用いる。

まず、数値計算において、初期値Ｅ₁に現在の位置及び姿勢Ｅ_nowを設定する。次に次式（６）の計算を、関節角度Φが収束するまで繰り返し行う。

その結果得られる関節角度Φの収束値が求めたい関節角度変位ΔΦである。尚、関節角度変位ΔΦは次式（７）で表される。

ここでΔθ₁，Δθ₂，…，Δθ_nは、エンドエフェクタを現在の位置及び姿勢Ｅ_nowから目標とする位置及び姿勢Ｅ_targetに変位させるために必要な関節１，関節２，…，関節ｎそれぞれの関節角度の変位量を表す。

ステップＳ８において、牽引量算出部１１は、関節１，関節２，…，関節ｎそれぞれの関節角度の変位Δθ₁，Δθ₂，…，Δθ_nに必要な、各ワイヤの変位量を算出する。

ステップＳ９において、牽引量算出部１１は、ステップＳ８において算出した各ワイヤの変位量に基づいて各アクチュエータ２５を駆動させる指令を、演算部１０を介して駆動制御部１３に出力する。駆動制御部１３は、演算部１０から入力された指令に基づいて、各アクチュエータ２５を動作させる。また、牽引量算出部１１は、Ｓ１において開始したタイマの時間が所定値になったら、タイマをリセットし再スタートさせてＳ２に移る。

以上の様に動作させることで、複数あるワイヤ１９のうち、掛かる張力が小さいワイヤ１９を優先的に牽引し、操作者が指示したエンドエフェクタを目標とする位置及び姿勢に移動させることができる。即ち、ステップＳ７で実施する数値計算で用いる式（６）においては、ステップＳ６で設定されたその時点でワイヤ１９に掛かっている張力に基づくαの値が考慮されている。この計算においてαの値は、掛かっている張力が小さいワイヤ１９に関連する関節のΔθの値を大きくする効果を有する。従って、掛かっている張力が小さいワイヤ１９に関連する関節が優先的に動かされる一方で、掛かっている張力が大きいワイヤ１９に関連する関節のΔθの値を小さくする効果を有する。即ち、掛かっている張力が大きいワイヤ１９に関連する関節の動きは抑制される。その結果、ワイヤ１９の損傷の可能性を低減することができる。

また、ステップＳ５において取得したワイヤ１９の張力Ｔ_iのうち、予め設定した閾値を越えるものがあった場合、ステップＳ６において算出する重み付け係数αのうち、当該ワイヤ１９に関する値を０として制御しても良い。即ち、例えばワイヤ１９−ｘ（ｘはｎ以下の自然数）に掛かる張力が予め設定した閾値を超えた場合、ステップＳ６において算出する重み付け係数の、ワイヤ１９−ｘに関するａ_ｘの値を０とする。すると、ステップＳ７における数値計算の結果得られるΔΦのΔθ_ｘの値が０となる。即ち、当該ワイヤ１９−ｘに関する軸部材１８−ｘはエンドエフェクタの移動に用いられない。つまり、ワイヤ１９−ｘは、それ以上牽引されないことになる。以上の様なステップを追加することで、ワイヤ１９が損傷する可能性がある状態で、更にそのワイヤ１９に掛かる張力を大きくすることを避けられる。その結果、ワイヤ１９の損傷防止効果を更に大きくすることができる。

尚、ステップＳ２及びステップＳ３によるエンドエフェクタの現在の位置及び姿勢Ｅ_nowの取得、ステップＳ４よるエンドエフェクタの目標とする位置及び姿勢Ｅ_targetの取得、並びに、ステップＳ５及びステップＳ６による重み付け係数αの算出の順序は任意で良い。従って、これらのステップの順番は互いに入れ替えても良い。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、前述した第１の実施形態の多関節マニピュレータ装置を内視鏡システムにおける内視鏡本体の湾曲部と内視鏡内に配設される処置具の湾曲駆動部に適用した実施形態である。

図５は、本実施形態の内視鏡システム３１を手術室内に設置した構成例を示す。この手術室内の中央には、被験体が仰臥される手術台３２が配置されている。手術台３２の近傍には、体腔内の病変の診断及び処置を行うための診断・処置装置３３と、この診断・処置装置３３の操作装置３４とが配設されている。これらと対峙するように手術台３２の反対側の近傍には、内視鏡制御装置３５と、処置具制御装置３６とが配設されている。

診断・処置装置３３は、内視鏡支持装置３７と、この内視鏡支持装置３７に支持されている前述した多関節マニピュレータ２を用いた内視鏡３８と、第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂとを有する。これらの第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂは、前述した多関節マニピュレータ２を用いた多関節構造のロボティクス処置具である。

内視鏡支持装置３７は、移動又は固定可能にローラが設けられた架台４０と、架台４０に備え付けられた多段アーム構造の支持アーム４１とを有する。操作装置３４は、内視鏡３８を操作する内視鏡操作ユニット４２と、処置具操作ユニット４３とを有する。

内視鏡操作ユニット４２は、移動可能なスタンド４４と、スタンド４４上に備え付けられた内視鏡コントローラ４５とを有する。内視鏡コントローラ４５は、内視鏡３８の湾曲動作を操作する例えばジョイスティックを有する。

処置具操作ユニット４３は、移動可能なスタンド４６と、スタンド４６上に備え付けられた第１，第２の指示入力部４７，４８とを有する。第１，第２の指示入力部４７，４８は、第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂに対して、主になる主従関係（マスタースレーブ方式）を持つ。第１，第２の指示入力部４７，４８は、複数のロッドと関節部とを有するアーム機構のマスタ型アクチュエータである。

内視鏡制御装置３５は、光源装置５０と、カメラコントロールユニットである表示用プロセッサ５１と、表示装置５２とを有する。処置具制御装置３６は、電気メスの制御部５３と、把持鉗子の制御部５４と、第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂの制御画像の表示装置５５とを有する。尚、内視鏡画像の表示装置５２と、第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂの制御画像の表示装置５５とは共通のモニタを使用してもよい。

内視鏡支持装置３７の支持アーム４１は、水平アーム４１ａと、第１垂直アーム４１ｂと、第２垂直アーム４１ｃと、２つ（第１，第２）の平行リンクアーム４１ｄ，４１ｅと、アーム支持体４１ｆとを有する。水平アーム４１ａは、架台４０上部に第１垂直軸Ｏ１を中心に回動可能に一端が連結されている。第１垂直アーム４１ｂは、その下端が水平アーム４１ａの他端に、第２垂直軸Ｏ２を中心に回動可能に連結されている。第２垂直アーム４１ｃは、第１垂直アーム４１ｂと平行に配置されている。第１，第２の平行リンクアーム４１ｄ，４１ｅは、第１垂直アーム４１ｂと第２垂直アーム４１ｃとの間に架設されている。アーム支持体４１ｆは、第３垂直軸Ｏ３を中心に第２垂直アーム４１ｃを回動可能に支持する水平アーム４１ａには、第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂの第１，第２の能動機構６１，６２が取り付けられている。

第１，第２の平行リンクアーム４１ｄ，４１ｅの各一端は、第１垂直アーム４１ｂの上端に水平軸Ｏ４，Ｏ５を中心に回動可能に連結されている。第１，第２の平行リンクアーム４１ｄ，４１ｅの各他端は、アーム支持体４１ｆに水平軸Ｏ６，Ｏ７を中心に回動可能に連結されている。これにより、第１垂直アーム４１ｂと、第１，第２の平行リンクアーム４１ｄ，４１ｅと、アーム支持体４１ｆとによって、第２垂直アーム４１ｃを上下方向に平行移動可能に支持する平行四辺形リンクが形成されている。

第２垂直アーム４１ｃの下端には水平方向に屈曲された屈曲部４１ｃ１が形成されている。この屈曲部４１ｃ１には、内視鏡ホルダ６３が水平軸Ｏ８を中心に回動可能に支持されている。内視鏡ホルダ６３には、内視鏡３８の基端部が第４垂直軸Ｏ９を中心に回動可能に、かつ着脱可能に支持されている。

内視鏡３８は、体内に挿入される細長い挿入部３８ａと、この挿入部３８ａの基端部に連結された手元側端部３８ｂとを有する。この挿入部３８ａは、細長い可撓管部３８ａ１と、可撓管部３８ａ１の先端に連結された前述した図２Ａに示すような多関節マニピュレータ２に外被を被覆させた湾曲部３８ａ２と、湾曲部３８ａ２の先端に連結された公知な先端硬性部３８ａ３とを有する。

この先端硬性部３８ａ３の先端面には、１つの観察窓部と、２つの照明部３８ａ４と、２つの処置具挿通用のチャンネルの開口部（図示せず）と、が設けられている。その観察窓部の内側には、対物レンズ等の光学系及びＣＣＤ等の撮像素子を備えた撮像部３８ａ５が配設されている。この撮像部によって体腔内の病変部等が撮像される。そして、内視鏡３８の撮像部で得られた撮像信号は接続ケーブルを通じて表示用プロセッサ５１に送られ、映像信号に変換され、この映像信号によって内視鏡３８で撮影した像を表示装置５２に映し出すようになっている。

湾曲部３８ａ２は、内視鏡コントローラ４５のジョイスティックを傾動操作することにより遠隔的に湾曲動作される。この湾曲動作は、第１の実施形態の説明において述べた通り、掛かる張力が小さいワイヤを優先的に牽引して、軸部材で連結する湾曲駒を折曲させる。この湾曲部３８ａ２を湾曲させる動作により、所望の観察対象物（病変部等）を観察視野（又は、撮像視野）内に捉えることができる。

手元側端部３８ｂと挿入部３８ａとの連結部の近傍には、２つの処置具挿通用のチャンネルとそれぞれ連通する２つのチャンネル口が形成されている。内視鏡の基端側から、それぞれ挿入された第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂが、これらのチャンネル口から延出している。第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂにおいて、チャンネル口から延出する湾曲駆動部は、前述の内視鏡３８と同様に、多関節マニピュレータ２を用いている。これらの先端には処置具として例えば、電気メス６６や病変部を把持する把持部６７が取り付けられている。

本実施形態では２つの挿通用チャンネルに第１，第２の能動処置具３９ａ，３９ｂをそれぞれ１つずつ挿通する構成を示したが、複数の内視鏡用処置具を１つの挿通用チャンネルに挿入してもよい。また、手元側端部３８ｂに、湾曲部３８ａ２を湾曲させるジョイスティックや、十字キーなどの湾曲操作部６４を設けても良い。

この様に、例えば湾曲部３８ａ２は、多関節マニピュレータ装置に外被を被覆した体腔挿入部として機能し、例えば撮像部３８ａ５は、その一端に駆動部が配設されている体腔挿入部の他端に備えられた撮像部として機能し、例えば照明部３８ａ４は、体腔挿入部の他端に備えられた照明部として機能し、例えば表示装置５２は、撮像部が撮像した画像を表示する表示部として機能し、例えば第１の能動処置具３９ａ、及び第２の能動処置具３９ｂは、多関節マニピュレータ装置である処置具用マニピュレータとして機能し、例えば電気メス６６及び把持部６７は、処置具用マニピュレータの先端に備えられた処置具として機能する。

以上説明したように、本実施形態においては、本発明の多関節マニピュレータ２を、内視鏡システムの内視鏡本体の能動する湾曲部と、処置具の能動するロボットアーム（湾曲駆動部）とに用いている。本発明の多関節マニピュレータ２を用いることにより、術者がワイヤ張力を考慮せずに操作をしても、ワイヤに掛かる張力が小さいワイヤを優先して牽引し、マニピュレータを駆動させて目標とする位置及び姿勢に移動させる。この様に、ワイヤに掛かる張力が小さいワイヤを優先的に用いることで、ワイヤの損傷の可能性を低減できる。

尚、本実施形態の説明では、能動処置具３９ａ、３９ｂの先端に電気メス６６や把持部６７が配設されている例を示したが、能動電気メスや把持部に限らず、例えば超音波照射装置等、他の各種処置具等を用いるように構成しても勿論良い。

以上の通り、本発明の多関節マニピュレータ装置は、内視鏡装置の湾曲部やロボティクス処置具の湾曲駆動部に適用することができる。また、これ以外にも、工業用ロボットのアーム機構に用いることができる。例えば、自動車等の工業製品の組み立てロボット、発電所における核燃料のペレットの装填及び搬出を行う遠隔操作ロボット、物品の積み込み及び積み卸し用のロボット、宇宙空間で物品を移動や搬送する搬送ロボット等、種々のロボットに搭載することができる。本発明の多関節マニピュレータ装置は、ワイヤの損傷を抑制できることから、操作者と遠隔した場所に配設されたロボットの駆動に用いることは特に有用である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…多関節マニピュレータ装置、２…多関節マニピュレータ、３…装置本体、４…マスタ部、５…マニピュレータ駆動部、６…操作部、７…操作信号生成部、８…制御部、９…操作信号処理部、１０…演算部、１１…牽引量算出部、１３…駆動制御部、１５…可撓管、１６…挟持部、１７…湾曲駒、１８…軸部材、１９…ワイヤ、２０…可撓管、２１…可撓性コイル、２２…連結部材、２３操作ワイヤ、２５…アクチュエータ、２６…位置センサ、２７…張力センサ、３１…内視鏡システム、３２…手術台、３３…診断・処置装置、３４…操作装置、３５…内視鏡制御装置、３６…処置具制御装置、３７…内視鏡支持装置、３８…内視鏡、３８ａ…挿入部、３８ａ１…可撓管部、３８ａ２…湾曲部、３８ａ３…先端硬性部、３８ａ４…照明部、３８ａ５…撮像部、３９ａ，３９ｂ…第１，第２の能動処置具、４０…架台、４１…支持アーム、４２…内視鏡操作ユニット、４３…処置具操作ユニット、４４…移動可能なスタンド、４５…内視鏡コントローラ、４６…移動可能なスタンド、４７，４８…第１，第２の指示入力部、５０…光源装置、５１…表示用プロセッサ、５２…表示装置、５３…電気メスの制御部、５４…把持鉗子の制御部、５５…表示装置、６１，６２…第１，第２の能動機構、６３…内視鏡ホルダ、６４…湾曲操作部、６６…電気メス、６７…把持部。

Claims (5)

1. 複数の関節部を有する管状部材と、
   前記管状部材を挿通し、その一端が何れかの前記関節部近傍に固定された複数の線状動力伝達部材と、
   前記線状動力伝達部材の他端が固定されるとともに、前記管状部材を屈曲させるため該線状動力伝達部材を長手方向に移動させる駆動部と、
   前記駆動部によって移動させられる前記線状動力伝達部材の位置を検出する位置検出部と、
   前記線状動力伝達部材に掛かる張力を検出する張力検出部と、
   前記管状部材及び該管状部材に取り付けられた部材のうち注目する部分である注目点の目標とする位置と姿勢の入力を受ける操作部と、
   前記位置検出部が検出した前記線状動力伝達部材の位置から前記注目点の現在の位置と姿勢を算出し、
   複数の前記線状動力伝達部材における前記張力検出部が検出した前記張力が相対的に低い該線状動力伝達部材を優先して移動させるための該張力に基づく重み付け係数を算出し、
   前記注目点を、算出された前記現在の位置と姿勢から前記目標とする位置と姿勢へ移動させるための前記線状動力伝達部材の移動量を前記重み付け係数に基づいて算出し、
   前記移動量に基づいて前記駆動部に前記線状動力伝達部材を牽引させる、
   移動量算出部と、
   を具備することを特徴とする多関節マニピュレータ装置。
2. 前記移動量算出部は、前記線状動力伝達部材に掛かる前記張力が予め設定した張力以上の場合、該線状動力伝達部材の前記移動量を零とすることを特徴とする請求項１に記載の多関節マニピュレータ装置。
3. 前記移動量算出部は、前記注目点の位置及び姿勢と前記関節部の変位とに関するヤコビ行列を用いた収束数値計算によって、前記線状動力伝達部材の移動量を算出することを特徴とする請求項１に記載の多関節マニピュレータ装置。
4. 請求項１の多関節マニピュレータ装置に外被が被覆され、一端が前記駆動部に接続された体腔挿入部と、
   前記駆動部が配設されている端と別の端である前記体腔挿入部の先端に備えられた撮像部と、
   前記体腔挿入部の前記先端に備えられた照明部と、
   前記撮像部が撮像した画像を表示する表示部と、
   を具備することを特徴とする内視鏡システム。
5. 前記体腔挿入部内を挿通し、該体腔挿入部の前記先端から延出する請求項１に記載の多関節マニピュレータ装置である処置具用マニピュレータと、
   前記処置具用マニピュレータの先端に備えられた処置具と、
   を更に具備することを特徴とする請求項４に記載の内視鏡システム。

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