JP5323578B2 - 医療用ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、人手によって操作されるマスタアームと、該マスタアームの動きに連動して電気的に駆動される多関節ロボットとを備える医療用ロボットシステムに関する。

腹腔鏡下手術においては、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、術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。

マニピュレータシステムは、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されているように、マニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体を制御する制御装置とから構成される。マニピュレータ本体は、人手によって操作される操作部と、操作部に対して交換自在に着脱される作業部とから構成される。

作業部は長い連結シャフトと、該連結シャフトの先端に設けられた先端動作部（エンドエフェクタとも呼ばれる。）とを有し、ワイヤによって先端の作業部を駆動するモータが操作部に設けられている。ワイヤは基端側でプーリに巻き掛けられている。制御装置は、操作部に設けられたモータを駆動して、プーリを介してワイヤを循環駆動する。

一方、医療用マニピュレータをロボットアームにより駆動する医療用ロボットシステム（例えば、特許文献３参照）が提案されている。このような医療用ロボットシステムでは、マスタアームによる遠隔操作が可能である。

医療用ロボットシステムでは、複数のロボットアームが設けられており、手技に応じてこれらのロボットアームを使い分けることができる。ロボットアームのうち１台には内視鏡が設けられ、体腔内を所定のモニタで確認することができる。

特開２００２−１０２２４８号公報 特開２００８−２５３４６３号公報 米国特許第７３７３２１９号公報

内視鏡下・腹腔鏡下手術に用いられている従来の一般的な鉗子では、先端動作部に加わる外力や把持する把持力等は、直接的ではないが、鉗子本体を介して手元に反作用として伝わることから、操作者はこれらの力をある程度は感じ取ることができ、適度によい操作性が得られる。しかしながら、従来の鉗子は自由度が少なく（例えば１自由度である。）、組織を把持する方向や切断する方向、縫合針の刺入方向が限られていて不便であると共に、操作に熟練性が要求される。

より高い自由度を得るためには、例えば、前記特許文献３記載の手術ロボットを適用することが考えられる。該ロボットは、高い自由度を有すると共に、患部に対して任意の方向からのアプローチが可能で、操作性に優れるという利点があるものの、先端動作部に加わる外力や把持力等はマスタ側には伝わらない。

マスタ・スレーブ方式のロボットにおいて、マスタ側で力感覚を得るためには、高感度な力覚センサシステムや高速なサンプリングタイムを有する計算機システムによる高度なバイラテラル制御が必須となり、高価で複雑なシステムとなる。また、バイラテラル制御は実用に値する十分な性能が得られていないのが現状である。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、高い自由度が得られ、しかも、操作者が先端動作部に加わる外力等をより確実且つ簡便に感知することのできる医療用ロボットシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る医療用ロボットシステムは、人手によって操作されるマスタアームと、前記マスタアームの動きに連動して電気的に駆動される多関節ロボットと、マスタアームと一体又はその近傍に設けられ、人手によって操作される機械式駆動部よりなる入力部と、前記多関節ロボットの先端部に設けられ、前記入力部と機械的に接続されて駆動される先端動作部とを有することを特徴とする。

これにより、高い自由度が得られ、しかも、操作者が先端動作部に加わる外力等をより確実且つ簡便に感知することができる。

前記多関節ロボットには、着脱可能なマニピュレータが設けられ、前記マニピュレータの先端動作部は、前記先端動作軸と、該先端動作軸の向きを変える１以上の姿勢軸とを有してもよい。

前記入力部と前記先端動作部は、動力伝達手段としてワイヤを介して接続されてもよい。

前記多関節ロボットは、前記マニピュレータを装着する装着部を備え、前記ワイヤは、前記装着部でロボット側ワイヤとマニピュレータ側ワイヤに分離され、前記マニピュレータを所定方向にスライドして前記装着部に装着することによって、前記ロボット側ワイヤ及び前記マニピュレータ側ワイヤのいずれか一方の係合部と他方の被係合部が係合してもよい。

前記装着部には、前記マスタアームの動きに基づいて前記姿勢軸を動作させる姿勢軸アクチュエータが設けられ、前記マニピュレータは、前記装着部に装着される基端部に設けられ、前記マニピュレータを所定方向にスライドして前記装着部に装着することによって前記姿勢軸アクチュエータに対して同軸状に接続されるプーリを有し、前記姿勢軸は前記プーリに巻き掛けられる可撓性部材を介して駆動されてもよい。

前記先端動作部は、基端側に設けられ、前記ワイヤに接続される駆動部材と、前記駆動部材に一部が接続された環状の可撓性部材と、駆動部材より先端側に設けられたアイドル円柱体と、前記アイドル円柱体より先端側で、進退可能に設けられて前記先端動作部に連結された受動円柱体と、前記アイドル円柱体と前記受動円柱体との間に設けられたガイド円柱体と、を含むエンドエフェクタ駆動機構を有し、前記可撓性部材は、前記アイドル円柱体の両側方を通り、前記ガイド円柱体と前記受動円柱体との間で交差し、前記ガイド円柱体の両側方を軸方向にずれた位置で通り、前記受動円柱体に巻き掛けられていてもよい。

前記エンドエフェクタ駆動機構を第１エンドエフェクタ駆動機構とし、前記駆動部材、前記可撓性部材、前記アイドル円柱体、前記受動円柱体、前記ガイド円柱体に相当する部材を備える第２エンドエフェクタ駆動機構と、前記第１エンドエフェクタ駆動機構の前記駆動部材と前記第２エンドエフェクタの前記駆動部材を逆方向に進退させる駆動部材進退機構と、前記第２エンドエフェクタ駆動機構で、前記受動円柱体よりも先端側の折り返し円柱体とを有し、前記第２エンドエフェクタ駆動機構で、前記可撓性部材は、前記第２エンドエフェクタ機構の前記受動円柱体と前記折り返し円柱体とにわたって巻き掛けられ、前記第２エンドエフェクタ駆動機構の前記ガイド円柱体の軸と前記受動円柱体の軸は平行であってもよい。

本発明に係る医療用ロボットシステムによれば、高い自由度が得られ、しかも、操作者が先端動作部に加わる外力等をより確実且つ簡便に感知することができる。

本実施の形態に係る医療用ロボットシステムの斜視図である。 コンソールの斜視図である。 ジョイスティックの一部断面側面図である。 マニピュレータの一部断面側面図である。 マニピュレータの着脱部と、該着脱部が装着されるスライダの断面側面図である。 ワイヤコネクタの断面側面図である。 マニピュレータにおける関節の分解斜視図である。 マニピュレータの先端動作部の側面図である。 グリッパで対象物を把持した状態のマニピュレータからジョイスティックまでの模式図である。 第１の変形例に係るマスタアームの斜視図である。 第２の変形例に係るマスタアームの斜視図である。 第２の変形例に係るマスタアームの一部拡大斜視図である。 第１の変形例に係る着脱部と、該着脱部が装着されるスライダの模式側面図である。 第２の変形例に係る着脱部と、該着脱部が装着されるスライダの模式斜視図である。 トリガレバーの変形例である。 トリガレバーを十分に引いたときの、変形例に係る先端動作部の模式側面図である。 トリガレバーを押し出したときの、変形例に係る先端動作部の模式側面図である。 変形例に係る先端動作部の模式構造図である。 変形例に係る先端動作部の断面側面図である。 変形例に係る先端動作部の断面平面図である。 変形例に係る先端動作部で、グリッパを閉じた状態の断面側面図である。 変形例に係る先端動作部の分解斜視図である。 エンドエフェクタ駆動機構の一部を示す模式構造図である。 トリガレバーを操作しないときの、エンドエフェクタ駆動機構の模式側面図である。 受動ワイヤの端部の接続箇所の模式断面平面図である。 受動ワイヤの端部の接続箇所の模式断面側面図である。 トリガレバーを押し出したときの、第２エンドエフェクタ駆動機構の一部断面平面図である。 トリガレバーを十分に引いたとき、第２エンドエフェクタ駆動機構の一部断面平面図である。 トリガレバーを押し出したときの、第２エンドエフェクタ駆動機構の一部断面側面図である。

以下、本発明に係る医療用ロボットシステムについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図２９を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る医療用ロボットシステム１０は手術用であって、例えば患者１４の腹腔鏡下手術に適用される。

医療用ロボットシステム１０は、手術台１５の近傍に設けられたステーション１６と、該ステーション１６に設けられた４台のロボットアーム１８ａ、１８ｂ、１８ｃ及び１８ｄと、全体的な制御を行うコンソール（制御部）２０とを有する。コンソール２０は手術台１５及びステーション１６の比較的近傍に設けられている。

コンソール２０は、医療用ロボットシステム１０の全ての制御を負担している必要はなく、例えば、ロボットアーム１８ａ〜１８ｄのフィードバック制御は、それぞれのロボット側に設けられていてもよい。ロボットアーム１８ａ〜１８ｃは、コンソール２０の作用下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール２０に設けられたジョイスティック２１ａ〜２１ｃに倣った動作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。

ロボットアーム１８ａ〜１８ｃは、各先端にマニピュレータ１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを有し、ロボットアーム１８ｄの先端には内視鏡２４が設けられている。マニピュレータ１２ａ〜１２ｃのシャフト及び内視鏡２４は、それぞれトラカール２５を介して体腔２７内に挿入される。ステーション１６は複数台であってもよい。マニピュレータ１２ａ〜１２ｃ及び内視鏡２４は、ロボットアーム１８ａ〜１８ｄに対して着脱可能に構成されている。

以下、必要に応じて、マニピュレータ１２ａ〜１２ｃ、ロボットアーム１８ａ〜１８ｃ及びジョイスティック２１ａ〜２１ｃを、代表的にマニピュレータ１２、ロボットアーム１８及びジョイスティック２１とも表す。

ロボットアーム１８ａ〜１８ｄは、多関節機構（例えば、独立的な６軸機構）を有し、コンソール２０によって制御され、マニピュレータ１２ａ〜１２ｃ及び内視鏡２４を動作範囲内における任意の位置で任意の姿勢に設定可能である。ロボットアーム１８ａ〜１８ｃの関節機構は、連結シャフト３０を中心としてマニピュレータ１２ａ〜１２ｃを回転させる回転機構２２を含む。ロボットアーム１８ａ〜１８ｄは、先端の軸に沿ってマニピュレータ１２ａ〜１２ｃ及び内視鏡２４を進退させるスライド機構２６と、ステーション１６に沿って移動する昇降機構２８とを有する。ロボットアーム１８ａ〜１８ｄは全て同じ構成であってもよいし、マニピュレータ１２ａ〜１２ｃ及び内視鏡２４の種類に応じて異なる構成であってもよい。

ロボットアーム１８ａ及び１８ｂに設けられたマニピュレータ１２ａ及び１２ｂは、主に患部に対して直接的な手技を施すためのものであり、先端作業部には、例えばグリッパ、鋏及び電気メス等が設けられる。ロボットアーム１８ｃに設けられたマニピュレータ１２ｃは、例えば、体腔２７の臓器等を所定の場所に退避させて広い術野を確保するためのリトラクタとして用いられる。

マニピュレータ１２ａ〜１２ｃとコンソール２０との間にはそれぞれ開閉ワイヤ３２が配設されている。設計条件により、開閉ワイヤ３２はロボットアーム１８ａ〜１８ｃの外に配設されていてもよいし、内部に配設されていてもよいが、可及的に最短距離で接続されていることが望ましい。開閉ワイヤ３２をロボットアーム１８ａ〜１８ｃの外に配置する際、所定の位置に設けられた案内輪３５を通し、又はロボットアーム１８ａ〜１８ｃ上の所定箇所で留めるとよい。若しくは、所定のアイドラプーリを介して導いてもよい。

各開閉ワイヤ３２は、コンソール２０からマニピュレータ１２ａ〜１２ｃまでの第１ワイヤ３４と、マニピュレータ１２ａ〜１２ｃ内に配設される第２ワイヤ３６（図９参照）とからなり、ワイヤコネクタ３７（図９参照）によって接続される。第１ワイヤ３４は、アウタワイヤ３４ａとインナワイヤ３４ｂ（図３参照）とからなる。インナワイヤ３４ｂ及び第２ワイヤ３６は、部分的にロッド等の非可撓性部材を用いてもよい。

開閉ワイヤ３２は、自転車のブレーキワイヤや、車のアクセルペダルとエンジンのスロットルを結ぶのに使われているのと類似のものが使用可能である。設計条件によっては、押し引き力を伝達可能なプッシュプルケーブルを用いてもよい。

図２に示すように、コンソール２０はテーブル型であって、人手によって操作されるマスタアームとしての３つのジョイスティック２１ａ、２１ｂ、２１ｃと、モニタ４０と、復帰スイッチ４２ａ、４２ｂとを有する。動作に応じて、補助的な入力手段としてトラックボールやマウス等を用いてもよい。モニタ４０には、内視鏡２４による画像の情報や、患者情報、機器状態情報等が表示される。

ジョイスティック２１ａ〜２１ｃの操作により、ロボットアーム１８ａ〜１８ｃを個別に操作が可能である。ロボットアーム１８ｄは、図示しない別の入力手段により操作され、又は所定の入力切換操作の後にジョイスティック２１ｃによって操作される。ジョイスティック２１ａ、２１ｂは、両手で操作しやすい左右位置に設けられており、ジョイスティック２１ｃは、中央のやや奥の位置に設けられている。

ジョイスティック２１ａ〜２１ｃは、上下動作、捻り動作、及び全方向への傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてロボットアーム１８ａ〜１８ｃを動かすことができる。ジョイスティック２１ａ〜２１ｃは、手を離すと対応するロボットアーム１８ａ〜１８ｃの姿勢が保持されたまま所定の基準状態に復帰する。ジョイスティック２１ａ〜２１ｃは、基本的に同構造であり、人手によって握るハンドルグリップ４４と、主に人差し指、中指によって操作されるトリガレバー（入力部、機械式駆動部）４６と、主に親指によって操作される複合入力部４８とを有する。

複合入力部４８は、中央に設けられた十字形状のシーソー型スイッチ５０ａ及び５０ｂとを有する。横方向のシーソー型スイッチ５０ａを操作することにより、関節６２（図４参照）においてヨー方向の傾動動作が可能になる。縦方向のシーソー型スイッチ５０ｂを操作することにより関節６２においてピッチ方向の傾動動作が可能になる。

図３に示すように、トリガレバー４６は、ジョイスティック２１ａの背面における上部を基点に傾動可能なように斜め下方に向かって延在しており、ジョイスティック２１ａの背面に近づけるように握ると、開閉ワイヤ３２を引くことができる。後述するように、開閉ワイヤ３２を引くことにより、グリッパ（先端動作軸）５２を開閉させることができる。トリガレバー４６には、引き込み状態を維持・解除させるラッチ機構５４が設けられている。ハンドルグリップ４４の内部には、インナワイヤ３４ｂの突出量を調整する調整部５５が設けられている。

ロボットアーム１８ａ〜１８ｃは、例えば絶対座標（ワールド座標）動作モードやツール座標動作モードで動作が可能である。

絶対座標モードでは、ジョイスティック２１ａの操作に基づき、マニピュレータ１２ａは、接続されたロボットアーム１８ａと協動する。このとき、先端動作部５６（図８参照）の位置はハンドルグリップ４４の移動により絶対座標に基づいて設定され、先端動作部５６の向きは、シーソー型スイッチ５０ａ及び５０ｂの操作に基づいて設定される。

ツール座標動作モードでは、ジョイスティック２１ａの操作に基づき、マニピュレータ１２ａは、接続されたロボットアーム１８ａと協動し、先端動作部５６の姿勢を基準としたツール座標系に基づいて、該先端動作部５６を、姿勢を一定にしながら進退させることができる。

次に、マニピュレータ１２ａ及び該マニピュレータ１２ａとロボットアーム１８ｃとの接続部の構成について説明をする。マニピュレータ１２ａについて、幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向及び、連結シャフト３０の延在方向をＺ方向と規定する。また、右方をＸ１方向、左方をＸ２方向、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向、前方をＺ１方向、後方をＺ２方向と規定する。

図４に示すように、マニピュレータ１２ａは、ロボットアーム１８ｃの先端におけるスライダ５８に対して着脱自在な構成になっている。スライダ５８は、スライド機構２６によってＺ方向にスライド可能である。スライダ５８には、２つのモータ６０ａ及び６０ｂがＺ方向に並列している。モータ６０ａ及び６０ｂ関節６２の駆動用である。

マニピュレータ１２ａは、接続ブロック６４と、該接続ブロック６４からＺ１方向に延在する中空の連結シャフト３０と、該連結シャフト３０の先端に設けられた先端動作部５６とを有する。接続ブロック６４は、所定の着脱機構によりスライダ５８に対して着脱及び交換が可能である。

図５に示すように、接続ブロック６４は、モータ６０ａ及び６０ｂに係合するプーリ６６ａ及び６６ｂがＺ方向に並列している。モータ６０ａ及び６０ｂとプーリ６６ａ及び６６ｂは、一方に非円形の凸部があり、他方に該凸部に係合する凹部が設けられており、回転が伝達される。

プーリ６６ａ及び６６ｂには、ワイヤ６８ａ及び６８ｂが巻き掛けられている。ワイヤ６８ａ及び６８ｂは環状であって、滑り止めのため一部がプーリ６６ａ及び６６ｂに固定されて、所定数だけ巻き掛けられて、連結シャフト３０内がＺ１方向に延在しており、プーリ６６ａ及び６６ｂが回転することにより、左右から延在する２本のうち一方が巻き取られ、他方が巻き出される。ワイヤ６８ａ及び６８ｂは、相互の干渉がないように適度にずれて配置されており、その巻数によりワイヤ６８ａの２本は略Ｘ方向に配列され、ワイヤ６８ｂの２本は略Ｙ方向に配列されている。

連結シャフト３０は、接続ブロック６４からＺ１方向に延在し、先端に先端動作部５６が設けられている。先端動作部５６は、グリッパ５２及び関節６２を含む。関節６２は、ワイヤ６８ａ及び６８ｂが進退することにより屈曲する。

接続ブロック６４のＺ２方向端面には、ワイヤコネクタ３７を装着するレセプタクル７０が設けられ、第２ワイヤ３６が支持されている。第２ワイヤ３６のＺ２方向端部には被係合片７２が設けられＺ２側に露呈している。第２ワイヤ３６は、先端動作部５６のトーションばね７４（図８参照）によってＺ１方向に向けて弾性付勢されており、被係合片７２は接続ブロック６４の端面に接している。被係合片７２には、係合凹部７６が設けられている。

図６に示すように、ワイヤコネクタ３７は、ハウジング７８と、該ハウジング７８内でスライド可能な係合部８０と、該係合部８０をＺ１方向に弾性付勢するばね８１と、リリースノブ８２とを有する。ハウジング７８のＺ２方向面には、第１ワイヤ３４のアウタワイヤ３４ａが接続され、インナワイヤ３４ｂはハウジング７８を通って枠体８４に固定されている。

係合部８０は、Ｚ１方向側が開口した枠体８４と、該枠体８４内に設けられた爪８６と、該爪８６を係合方向に付勢する爪ばね８８と、リリースノブ８２の下端部が挿通するＺ方向に長い長孔９０とを有する。リリースノブ８２の上部は、ハウジング７８の外に出ており、該上部を押下することにより、爪ばね８８の力に抗して爪８６の一部を押し下げることができる。

図６に示すように、ワイヤコネクタ３７をＺ１方向に押し込むとレセプタクル７０に対して装着され、爪８６の先端部は被係合片７２の端部を乗り越えて係合凹部７６に係合する。これにより、開閉ワイヤ３２と第２ワイヤ３６が接続されることになり、トリガレバー４６を引き込む操作をすることにより、開閉ワイヤ３２と第２ワイヤ３６が一体的に引き込まれる。ワイヤコネクタ３７を取り外す場合には、リリースノブ８２を押下することにより、爪８６と被係合片７２との係合が開放されるので、ワイヤコネクタ３７をＺ２方向に引き出せばよい。

図７に示すように、関節６２は、相互に回動し得る複数の関節輪９２が積層されている。なお、図７では、３個の関節輪９２を例示して関節６２を説明するが、関節輪９２の設置数はこれに限定されず、例えば、４〜３０個程度であってもよい。

各関節輪９２の一方の面には、関節輪９２の中心を介して対向する一対のＶ字状の溝９４が形成され、他方の面には、関節輪９２の中心を介して対向する一対の半円柱状の突部９６が前記溝９４と９０°ずれた位置に形成されている。この場合、隣接する関節輪９２同士は、それらの溝９４同士が互いに９０°ずれた姿勢で配置され、一方の関節輪９２の両突部９６が他方の関節輪９２の対応する両溝９４内に挿入されるようにして各関節輪９２が接合される。

また、各関節輪９２において、両溝９４及び両突部９６が形成された位置には、それぞれ貫通孔９７が形成されており、各関節輪９２の対応する貫通孔９７には、ワイヤ６８ａ、６８ａ及びワイヤ６８ｂ、６８ｂがそれぞれ挿通すると共に、当該ワイヤ６８ａ、６８ａ、６８ｂ、６８ｂの先端が関節６２の先端側（Ｚ１側）に配列された関節輪９２に連結されている。これにより、各関節輪９２が集合され略一体的に構成される。

このような関節６２において、突部９６が溝９４に挿入された状態では、隣接する関節輪９２の間には隙間が形成されるため、突部９６が溝９４内で回動することができ、これにより、隣接する関節輪９２同士が回動することができる。この場合、隣接する１組の関節輪９２同士の回動角度は小さいが、その角度が複数組の関節輪９２について累積すると、湾曲部全体として所望の湾曲（例えば６０〜１２０°程度）を得ることができ、先端動作部５６を連結シャフト３０の長尺軸と非平行な状態に曲げることができる。

そこで、コンソール２０の制御下に、プーリ６６ａ及び６６ｂが適宜回転駆動されると各ワイヤ６８ａ及び６８ｂがそれぞれ所定距離だけ進退移動され、これにより、関節６２を連結シャフト３０の横断面上で上下（前後）左右に所望の角度で屈曲させることができる。すなわち、関節６２は、ワイヤ６８ａ、６８ａ、６８ｂ、６８ｂによる牽引により能動的に屈曲又は湾曲する。この場合、湾曲方向やその数（自由度）は、特に限定されるものではなく、また、図示されていないが、各関節輪９２の外周を、例えば、弾性または可撓性を有する材料で構成された層で被覆することも可能である。

各関節輪９２の中央には、中心に開閉ワイヤ３２が挿通する案内孔９８を備える案内板１００が設けられている。関節６２が非屈曲の状態においては、第２ワイヤ３６はほとんど屈曲せず直線状に配置される。案内板１００は、３つの関節輪９２のうち少なくとも１つに設けられているとよい。

関節６２が屈曲させた場合に、開閉ワイヤ３２は、案内孔９８に案内されて過度に移動又は屈曲することがなく、しかも互いに接触することがなく、適切な位置に配置することができる。

関節６２は、蛇腹形状又は柔軟で屈曲可能な部材により覆われている。連結シャフト３０における関節６２以外の箇所は硬質な部材で構成されている。関節６２は、ギアなどがない簡便構成である。

図８に示すように、先端動作部５６は、連結シャフト３０の先端に設けられており、開閉するグリッパ５２が形成されている。グリッパ５２は片開き式であって、Ｚ１方向に延在する固定部材１０２とＬ字形状の可動部材１０４とを有する。可動部材１０４のＬ字屈曲部は基端側のグリッパ軸１０６に軸支されており、基端部は第２ワイヤ３６に接続されている。グリッパ軸１０６にはトーションばね７４が設けられており、可動部材１０４を開く方向に付勢している。すなわち、トリガレバー４６（図３参照）が操作されていない初期状態においては、グリッパ５２は開状態に維持される。

トーションばね７４のように可動部材１０４を弾性付勢する手段の配置はグリッパ軸１０６の箇所に限らず、例えば、第２ワイヤ３６がロッドのような剛体である場合にはその途中に設け、そのロッドを介して付勢してもよい。

このように構成される、医療用ロボットシステム１０によれば、ロボットアーム１８はジョイスティック２１の操作によって動作し、関節６２は複合入力部４８の操作によって傾動し、高い自由度が得られる。また、グリッパ５２の操作は機械的に伝達されてグリッパ５２の開閉が行われる。

図９に示すように、人手によりトリガレバー４６をある程度引いたときに、グリッパ５２が対象物（手術器具や生体組織等）Ｗを把持すると、グリッパ５２はそれ以上はあまり動かなくなる。つまり、ワイヤ３２等の弾性変形分及び対象物Ｗの弾性変形分に相当する量しか動かなくなる。これにより、第２ワイヤ３６、及びトリガレバー４６もそれ以上Ｚ２方向に動かなくなり、操作者はグリッパ５２が対象物Ｗを把持したことを指先で知覚することができる。

また、対象物Ｗが手術器具等の硬いものであるときには、トリガレバー４６はほとんど動かなくなり、硬いものを把持したことを知覚できるとともに、対象物Ｗを強い力で確実に把持することができる。電磁力を介さずに人手による力を機械的且つ直接的にグリッパ５２に伝達できるからである。

対象物Ｗが生体組織等の柔らかいものであるときには、トリガレバー４６は対象物Ｗの弾性に応じて引き込み方向にやや変位可能であり、柔らかいものを把持したことを知覚できるとともに、柔らかさの程度が分かり、しかも対象物Ｗを把持する力を調整することができる。

医療用ロボットシステム１０では、開閉ワイヤ３２等が摩耗又は劣化した場合においても、摩擦等が増加してトリガレバー４６に伝達され、これらの状態変化や駆動系の異常状態等を操作者が感知することができ、メンテナンス等の時期をより適切に判断することができる。

次に、医療用ロボットシステム１０の各部の変形例について説明する。すなわち、ジョイスティック２１ａ〜２１ｃの変形例として、第１の変形例に係るマスタアーム１２０ａを図１０に示し、第２の変形例に係るマスタアーム１２０ｂを図１１及び図１２に示す。接続ブロック６４の変形例として、第１の変形例に係る接続ブロック６４ａを図１３に示し、第２の変形例に係る接続ブロック６４ｂを図１４に示す。先端動作部５６（つまり、グリッパ５２及び関節６２）の変形例に係る先端動作部１２００を図１５〜図２９を用いて説明する。

以下の説明では、医療用ロボットシステム１０の各部と同構成の部分については同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１０に示すように、第１の変形例に係るマスタアーム１２０ａは、支軸１２２と、第１Ｕ字部材１２４と、第２Ｕ字部材１２６と、一対の開閉部材１２８とを有する。第１Ｕ字部材１２４は、上方が開口する向きで支軸１２２の上端において、水平面で回転自在に設けられている。支軸１２２に対する第１Ｕ字部材１２４の回転角度は、回転センサ１３０によって検出される。

第２Ｕ字部材１２６は第１Ｕ字部材１２４よりも小さく、該第１Ｕ字部材１２４の内側に設けられている。第２Ｕ字部材１２６と第１Ｕ字部材１２４の両端部は回転自在に接続されており、第２Ｕ字部材１２６は鉛直面で回転自在に設けられている。第１Ｕ字部材１２４に対する第２Ｕ字部材１２６の回転角度は、回転センサ１３２によって検出される。回転センサ１３０及び１３２によって検出された角度は先端動作部５６の向きに反映される。

一対の開閉部材１２８は、軸１３４を介して第２Ｕ字部材１２６の底部に回転自在に設けられている。第２Ｕ字部材１２６に対する軸１３４の回転角度は、回転センサ１３６によって検出され、回転機構２２（図１参照）の動作に反映される。軸１３８には、第１ワイヤ３４のインナワイヤ３４ｂの端部が巻き掛けられている。一対の開閉部材１２８は、軸１３８を基準として開閉可能であり、開閉によってインナワイヤ３４ｂの巻き取り量が変化して、グリッパ５２の開閉動作に反映される。

マスタアーム１２０ａは、全体として図１０におけるＸ、Ｙ及びＺ方向に変位可能であり、図示しないセンサによって、コンソール２０に対するＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置を検出可能である。Ｘ方向及びＹ方向については、傾動する機構を適用してもよい。検出されたＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置は、先端動作部５６の座標に反映される。つまり、マスタアーム１２０ａによれば、先端動作部５６の位置及び向きに係る６つのパラメータを指示することができるとともに、グリッパ５２の開閉動作の指示が可能である。

マスタアーム１２０ａは、手を離すと、対応するロボットアーム１８ａ〜１８ｃの姿勢が保持されたまま、図示しない弾性体の作用により図１０に示す基準状態に復帰させるようにしてもよい。

図１１に示すように、第２の変形例に係るマスタアーム１２０ｂは、ベース１４０に懸架されており、多関節のアーム１４２と、その先端に設けられたジンバル１４４とを有する。アーム１４２の状態に合わせてロボットアーム１８ａ〜１８ｃが動作をする。

図１２に示すように、ジンバル１４４はリンク構成であり、軸１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃと、人手によって把持する円柱形状の把持部１４８と、該把持部１４８に設けられた開閉可能な一対のグリップメンバ１４９とを有する。軸１４６ａ及び１４６ｂの回転状態は、関節６２の向きに反映され、軸１４６ｃの回転状態は、回転機構２２の向きに反映される。把持部１４８には第１ワイヤ３４が接続されており、グリップメンバ１４９の開閉によりインナワイヤ３４ｂの突出量が調整され、グリッパ５２を開閉させることができる。

図１３に示すように、第１の変形例に係る接続ブロック６４ａには、基端側に被係合片７２をＺ方向に移動自在に支持する上レール１５０が設けられている。被係合片７２には下方に開口した係合孔７２ａが設けられている。接続ブロック６４ａに対応するスライダ５８ａの基端側には、第１ワイヤ３４が接続されており、突出したインナワイヤ３４ｂの先端には係合片１５２が設けられている。係合片１５２は、ばね１５４によってＺ１方向に付勢されており、その上面にはピン１５５が設けられている。係合片１５２は、スライダ５８ａに設けられた下レール１５７によってＺ方向に移動自在に支持されている。

このような接続ブロック６４ａは、スライダ５８ａに対してＹ２方向に押して装着することにより、モータ６０ａ、６０ｂがプーリ６６ａ、６６ｂに接続されるとともに、係合片１５２は、ピン１５５が係合孔７２ａに挿入されることによって被係合片７２に接続される。これによって、第１ワイヤ３４と第２ワイヤ３６が接続されることになり、ワンタッチで接続ブロック６４ａの着脱ができる。

図１４に示すように、第２の変形例に係る接続ブロック６４ｂはやや薄型であって、４つの受動プーリ１６０が設けられている。これらの受動プーリ１６０には、ワイヤ６８ａ、６８ｂの両端部が固定されている。接続ブロック６４ｂの基端部には第１ワイヤ３４のワイヤコネクタ３７が接続され、内部の第２ワイヤ３６と接続される。

接続ブロック６４ｂに対応するスライダ５８ｂには、受動プーリ１６０の底面に係合する４つのアーム１６２が設けられている。各アーム１６２は、駆動プーリ１６４によって駆動される。駆動プーリ１６４はワイヤ１６６を介して図示しないモータによって駆動される。スライダ５８ｂが進退するスライド機構１６８は箱形であって、先端に連結シャフト３０が挿通する孔１６８ａが設けられている。スライド機構１６８は前記のスライド機構２６に相当する。

次に、先端動作部５６の変形例である先端動作部１２００について図１５〜図２９を参照しながら説明する。先端動作部１２００は、両開き式のグリッパを備えるとともにその姿勢を変えるヨー軸及びロール軸を有する３軸構成である。グリッパについては、開き方向及び閉じ方向とも機械的に接続された直接操作が可能となっている。ヨー軸及びロール軸の操作は、複合入力部４８（図２参照）によって操作される。

先端動作部１２００の操作には、図１５に示すトリガレバー４６ａを用いる。トリガレバー４６ａは、閉じるときに第１ワイヤ１７０を引き、開くときに第１ワイヤ１７２を引くことができ、第１ワイヤ１７０と第１ワイヤ１７２は逆位相で動作する。第１ワイヤ１７０及び１７２は、前記の第１ワイヤ３４と同様の構成であり、アウタワイヤ１７０ａ、１７２ａとインナワイヤ１７０ｂ、１７２ｂを有する。トリガレバー４６ａには、開き動作用に指輪が設けられている。

図１６に示すように、先端動作部１２００には、ロッド１９２ａ、受動ワイヤ１２５２ａ、アイドルプーリ１１４０ａ、ガイドプーリ１１４２ａ、受動プーリ１１５６ａを含む第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａと、これに対応した第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂが設けられている。第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａ及び第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂは、グリッパ１３００を開閉させる基本的な構成である。

第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａにおける構成要素には符号にａを付し、第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂにおける構成要素には符号にｂを付して区別する。第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａにおける構成要素と第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂにおける構成要素で同じ機能のものについては、煩雑とならないよう、代表的に第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａについてのみ説明する場合がある。

ロッド１９２ａ及び１９２ｂは、第１ワイヤ１７０及び１７２に接続されている。接続には、前記のワイヤコネクタ３７を用いればよい。

図１６、図１７においては、理解が容易となるように、第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａと第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂを紙面上で並列して示すが、実際のマニピュレータ１２に適用する場合には、図１８に示すように、各プーリの軸方向（つまりＹ方向）に並列させ、アイドルプーリ（円柱部材、伝達部材）１１４０ａ及び１１４０ｂと、ガイドプーリ（円柱部材、伝達部材）１１４２ａと１１４２ｂの回転軸は、それぞれ同軸上に配置するとよい。つまり、アイドルプーリ１１４０ａ及び１１４０ｂは軸１１１０（図１８参照）に共通的に軸支することができ、ガイドプーリ１１４２ａと１１４２ｂは軸１１１２に共通的に軸支することができる。ガイドプーリ１１４２ａとガイドプーリ１１４２ｂを同軸構成とすることにより、ヨー軸動作機構が簡便になる。

図１９、図２０、図２１、図２２に示すように、先端動作部１２００は、ワイヤ受動部１１００と、複合機構部１１０２と、グリッパ１３００とを有し、Ｙ方向の第１回転軸Ｏｙを中心にして、それよりも先の部分がヨー方向に回動する第１自由度と、第２回転軸Ｏｒを中心にしてロール方向に回動する第２自由度と、第３回転軸Ｏｇを中心として先端のグリッパ１３００を開閉させる第３自由度とを有する合計３自由度の機構となっている。

第１自由度の機構である第１回転軸Ｏｙは、連結シャフト３０の基端側から先端側に延在する軸線Ｃと非平行に回動可能に設定するとよい。第２自由度の機構である第２回転軸Ｏｒは先端動作部１２００における先端部（つまりグリッパ１３００）の延在方向の軸線を中心として回動可能な機構とし、先端部をロール回転可能に設定するとよい。

第１自由度の機構（つまりヨー方向）は、例えば±９０°又はそれ以上の稼動範囲を有する傾動機構（又は屈曲機構）である。第２自由度の機構（つまりロール方向）は、例えば±１８０°又はそれ以上の稼動範囲を有する回動機構である。第３自由度の機構（つまりグリッパ１３００）は、例えば４０°又はそれ以上開くことのできる開閉機構である。

グリッパ１３００は、手術において実際の作業を行う部分であり、第１回転軸Ｏｙ及び第２回転軸Ｏｒは、作業を行い易いようにグリッパ１３００の姿勢を変えるための姿勢変更機構を構成する姿勢軸である。一般に、グリッパ１３００を開閉させる第３自由度に係る機構部はグリッパ（又はグリッパ軸）とも呼ばれ、ヨー方向に回動する第１自由度に係る機構部はヨー軸とも呼ばれ、ロール方向に回動する第２自由度に係る機構部はロール軸とも呼ばれる。

ワイヤ受動部１１００は、一対の舌片部１０５８の間に設けられており、ワイヤ６８ａ、ワイヤ６８ｂのそれぞれの往復動作を回転動作に変換して複合機構部１１０２に伝達する部分である。ワイヤ受動部１１００は、軸孔１０６０ａ、１０６０ａに挿入される軸１１１０と、軸孔１０６０ｂ、１０６０ｂに挿入される軸１１１２とを有する。軸１１１０及び１１１２は、軸孔１０６０ａ、１０６０ｂに対して、例えば圧入若しくは溶接により固定される。軸１１１２は第１回転軸Ｏｙの軸上に配置される。

軸１１１２のＹ方向両端には、Ｙ方向に対称形状の歯車体１１２６及び歯車体１１３０が設けられている。歯車体１１２６は、筒体１１３２と、該筒体１１３２の上部に同心状に設けられた歯車１１３４とを有する。歯車体１１３０は、歯車体１１２６と略同形状であって、該歯車体１１２６に対してＹ方向に配置されている。歯車体１１３０は、筒体１１３６と、該筒体１１３６の下部に同心状に設けられた歯車１１３８とを有する。歯車１１３４及び歯車１１３８は、後述するギア体１１４６のフェイスギア１１６５の上端部及び下端部に噛合する。

筒体１１３６は筒体１１３２と略同径、同形状である。筒体１１３２及び筒体１１３６には、ワイヤ６８ａ及び６８ｂが所定の固定手段によって一部が固定されて巻き掛けられている。ワイヤ６８ａ及び６８ｂの巻き掛けられる角度は、例えば１．５回転（５４０°）である。

ワイヤ６８ａ及び６８ｂ（図１８参照）を回転動作させることにより、歯車体１１２６及び歯車体１１３０を軸１１１２に対して回転させることができる。歯車体１１２６と歯車体１１３０を同方向に同速度で回転させると、ギア体１１４６は軸１１１２を基準として揺動し、ヨー方向動作が行われる。歯車体１１２６と歯車体１１３０を逆方向に同速度で回転させると、ギア体１１４６は第２回転軸Ｏｒを基準として回転し、ロール回転動作が行われる。歯車体１１２６と歯車体１１３０を異なる速度で回転させると、ギア体１１４６は、ヨー方向動作とロール回転動作の複合動作が行われる。つまり、歯車体１１２６、歯車体１１３０及びギア体１１４６は差動機構（例えば、特許文献２における図２３に示される構成に相当する。）を構成している。

先端動作部１２００の機構は差動機構に限らず、例えば、ワイヤ６８ａが歯車１１３４を介してフェイスギア１１６５を駆動するのに対してワイヤ６８ｂは主軸部材１１４４を直接的に回転駆動する形式（例えば、特許文献２における図７に示される構成に相当する。）としてもよい。

軸１１１０の略中央部にはアイドルプーリ（円柱部材、伝達部材）１１４０ａが回転自在に軸支されており、軸１１１２の略中央部にはガイドプーリ（円柱部材、伝達部材）１１４２ａが回転自在に軸支されている。アイドルプーリ１１４０ａは、ガイドプーリ１１４２ａに巻きかける受動ワイヤ（可撓性部材、伝達部材）１２５２ａの巻き掛け角度を常に一定（両側あわせて約１８０°）に保つためにある。アイドルプーリ１１４０ａの代わりに、ガイドプーリ１１４２ａに受動ワイヤ１２５２ａを１巻き以上してもよい。アイドルプーリ１１４０ａ及びガイドプーリ１１４２ａは、受動ワイヤ１２５２ａ（図２４参照）に対するすべり、及び摩擦による摩耗を低減するために、表面を滑らかにし、又は摩擦の少ない材質を用いるとよい。ガイドプーリ１１４２ａは、姿勢変更機構におけるヨー軸Ｏｙに設けられている。

軸１１１２における、歯車体１１２６とガイドプーリ１１４２ａとの間、及びガイドプーリ１１４２ａと歯車体１１３０との間には主軸部材１１４４が回転自在に軸支されている。主軸部材１１４４は、複合機構部１１０２に向けて突出する筒部を有する。主軸部材１１４４の軸心部には方形の孔１１４４ａが設けられている。主軸部材１１４４のＺ２方向端部には、ガイドプーリ１１４２ａのＹ方向両面を保持するとともに軸１１１２が挿通する孔を有する２枚の補助板１１４４ｂが設けられている。補助板１１４４ｂはＺ１方向に向かって幅広となる山形であって、糸等の異物の侵入を防止する。

複合機構部１１０２は、グリッパ１３００の開閉動作機構と、該グリッパ１３００の姿勢を変化させる姿勢変更機構とを含む複合的な機構部である。

複合機構部１１０２は、主軸部材１１４４の筒部周面に対して回転自在に嵌挿されたギア体１１４６と主軸部材１１４４の先端に設けられたナット体１１４８と、Ｚ２方向端部が孔１１４４ａに挿入される断面四角の伝達部材１１５２と、該伝達部材１１５２のＺ２方向端部に対してピン１１５４により回転自在に軸支される受動プーリ（円柱部材、伝達部材）１１５６ａと、受動板（伝達部材）１１５８と、円筒状のカバー１１６０とを有する。

主軸部材１１４４におけるギア体１１４６と当接する部分には、樹脂製のスラスト軸受部材１１４４ｃが設けられている。ナット体１１４８におけるギア体１１４６と当接する部分には、樹脂製のスラスト軸受部材１１４８ａが設けられている。スラスト軸受部材１１４４ｃ及び１１４８ａは低摩擦材であって、当接部分の摩擦及びトルクを低減するとともに、フェイスギア１１６５に負荷が直接的にかかることを防止する。スラスト軸受部材１１４４ｃ及び１１４８ａは、いわゆる滑り軸受である。

ギア体１１４６は、段付き筒形状であって、Ｚ２方向の大径部１１６２と、Ｚ１方向の小径部１１６４と、大径部１１６２のＺ２方向端面に設けられたフェイスギア１１６５とを有する。フェイスギア１１６５は、歯車１１３４及び歯車１１３８に噛合する。ギア体１１４６は、ナット体１１４８が主軸部材１１４４に対する抜けることを防止する。大径部１１６２の外周には、ねじが設けてある。

受動板１１５８は、Ｚ２方向の凹部１１６６と、該凹部１１６６の底面に設けられた係合部１１６８と、Ｙ方向両面にそれぞれ設けられた軸方向のリブ１１７０と、リンク孔１１７２とを有する。係合部１１６８は、伝達部材１１５２の先端に設けられたきのこ状の突起１１７４に係合する形状である。この係合により、受動板１１５８と伝達部材１１５２は、相対的なロール軸の回転が可能になる。受動板１１５８の幅はカバー１１６０の内径に略等しい。

カバー１１６０は、複合機構部１１０２の略全体を覆う大きさであり、複合機構部１１０２及びグリッパ１３００に異物（生体組織、薬剤、糸等）が入り込むことが防止される。カバー１１６０の内面には、受動板１１５８の２つのリブ１１７０が嵌る軸方向の２本の溝１１７５が対向する向きに設けられている。溝１１７５にリブ１１７０が嵌ることにより受動板１１５８が軸方向にガイドされる。受動板１１５８の係合部１１６８には突起１１７４が係合することから、受動プーリ１１５６ａは孔１１４４ａ内において、受動板１１５８及び伝達部材１１５２とともに軸方向に進退可能であるとともに、伝達部材１１５２を基準としてロール回転が可能である。カバー１１６０は、ギア体１１４６の大径部１１６２に対して螺入、圧入等の手段により固定されている。

カバー１１６０は、ギア体１１４６と基部側で結合（螺合、圧入、溶接等）されており、ギア体１１４６の回転とともにカバー１１６０及びグリッパ１３００はロール軸動作を行う。

レバー部１３１０と受動板１１５８は、グリッパリンク１２２０により連接されている。つまり、各グリッパリンク１２２０の一端の孔１２２０ａは、孔１２１８とともにピン１２２２が挿入され、他端の孔１２２０ｂは、受動板１１５８のリンク孔１１７２とともにピン１２２４が挿入されて連接されている。

図２３に示すように、アイドルプーリ１１４０ａは、同軸上の第１層アイドルプーリ（第１層アイドル円柱体）１２３２と第２層アイドルプーリ（第２層アイドル円柱体）１２３４の２枚が並列して構成されており、ガイドプーリ１１４２ａは、同軸上の第１層ガイドプーリ（第１層ガイド円柱体）１２３６と第２層ガイドプーリ（第２層ガイド円柱体）１２３８の２枚が並列して構成されている。

図２４に示すように、ロッド１９２ａのＺ１方向端部は、ワイヤ係合部１２５０ａによって受動ワイヤ（可撓性部材）１２５２ａの両端部に接続されている。

図２５及び図２６に示すように、ワイヤ係合部１２５０ａは、ロッド１９２ａの先端部１４１４にローラ１４１６が設けられ、該ローラ１４１６に受動ワイヤ１２５２ａが巻き掛けられている。ローラ１４１６はピン１４１８に軸支されており回転自在である。これにより、受動ワイヤ１２５２ａはローラ１４１６に巻きかけられながら適度に進退し、ロッド１９２ａをＺ２方向に引くときに、特にヨー軸が屈曲しないような状態でも、受動ワイヤ１２５２ａをＸ方向のバランスよく引くことができる。先端部１４１４は、ロッド１９２ａに螺設されている。この実施例では、受動ワイヤ１２５２ａのＹ方向一対の張力が均一となり、長寿命化を図ることができるとともに、上下両方のＹ方向一対の平行化を図ることができる。

図２３及び図２４に戻り、受動ワイヤ１２５２ａは、一部がワイヤ係合部１２５０ａに接続された環状の可撓性部材であり、ワイヤ以外にもロープ、樹脂線、ピアノ線及びチェーン等を用いることができる。ここで、環状とは広義であり、必ずしも全長にわたって可撓性部材が適用されている必要はなく、少なくとも各プーリに巻き掛けられる箇所が可撓性部材であればよく、直線部は剛体で接続されていてもよいことはもちろんである。

受動ワイヤ１２５２ａは、駆動部材のロッド１９２ａから、アイドルプーリ１１４０ａのＸ１方向（第１の側方）を通り、Ｘ２方向（第２の側方）に向かい、ガイドプーリ１１４２ａのＸ２方向の面を通り受動プーリ１１５６ａのＸ２方向面に至る。受動ワイヤ１２５２ａは、さらに、受動プーリ１１５６ａのＺ１方向面に半周巻き掛けられてＸ１方向面に至り、ガイドプーリ１１４２ａのＸ１方向の面を通り、Ｘ２方向に向かいアイドルプーリ１１４０ａのＸ２方向を通りワイヤ係合部１２５０ａに至る経路で配設されている。

つまり、受動ワイヤ１２５２ａは、ワイヤ係合部１２５０ａを基点及び終点とする一巡の経路を構成し、アイドルプーリ１１４０ａの両側方を通り、受動プーリ１１５６ａに巻き掛けられ、アイドルプーリ１１４０ａとガイドプーリ１１４２ａとの間で交差して、略８字形状をなす。これにより、ワイヤ係合部１２５０ａ及び受動ワイヤ１２５２ａは、ロッド１９２ａを介してトリガレバー４６ａに対して機械的に接続されていることになる。

アイドルプーリ１１４０ａ、ガイドプーリ１１４２ａ及び受動プーリ１１５６ａは略同径であり、受動ワイヤ１２５２ａがあまり屈曲しないように、レイアウト上の可能な範囲で適度に大径にしている。ワイヤ係合部１２５０ａは、受動ワイヤ１２５２ａが過度に屈曲しないように、アイドルプーリ１１４０ａよりも適度に離れた位置に設けられており、受動ワイヤ１２５２ａの両端部はワイヤ係合部１２５０ａを頂部として鋭角を形成している。アイドルプーリ１１４０ａとガイドプーリ１１４２ａとの間は狭く、例えば、受動ワイヤ１２５２ａの幅と略等しい隙間が形成されている。

アイドルプーリ１１４０ａ、ガイドプーリ１１４２ａ及び受動プーリ１１５６ａには、受動ワイヤ１２５２ａの抜け止めのために、上面及び下面に小さいフランジを設け、又は側面を凹形状にしてもよい。

図２４から明らかなように、第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａでは、基端側から先端側に向かって、受動ワイヤ１２５２ａ、アイドルプーリ１１４０ａ、ガイドプーリ１１４２ａ及び受動プーリ１１５６ａが中心線に沿って配置されている。グリッパ１３００は、伝達部材１１５２等を介して受動プーリ１１５６ａに連結されている。

このように構成される第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａでは、ロッド１９２ａ（図２４参照）をＺ２方向に引き寄せると、平面視で、第１層アイドルプーリ１２３２及び第２層ガイドプーリ１２３８は反時計方向に回転し、第２層アイドルプーリ１２３４及び第１層ガイドプーリ１２３６は時計方向に回転する。このように、アイドルプーリ１１４０ａ及びガイドプーリ１１４２ａは、それぞれ同軸上で２枚のプーリが並列する構成であることから、当接する受動ワイヤ１２５２ａの動きに従って逆方向に回転可能であり、動作がスムーズである。

グリッパ１３００は、一対のグリッパ１３０２が動作をするいわゆる両開き型である。グリッパ１３００は、カバー１１６０に対して一体構成のグリッパベース１３０４と、該グリッパベース１３０４に設けられたピン１１９６を基準にして動作する一対のエンドエフェクタ部材１３０８と、一対のグリッパリンク１２２０とを有する。

各エンドエフェクタ部材１３０８は、Ｌ字形状であって、Ｚ１方向に延在するグリッパ１３０２と、該グリッパ１３０２に対して略３５°に曲がって延在するレバー部１３１０とを有する。Ｌ字形状の屈曲部には、孔１２１６が設けられ、レバー部１３１０の端部近傍には孔１２１８が設けられている。孔１２１６にピン１１９６が挿入されることにより一対のエンドエフェクタ部材１３０８は第３回転軸Ｏｇを中心として揺動自在となる。

各エンドエフェクタ部材１３０８は側方の１つのグリッパリンク１２２０によって、受動板１１５８のピン１２２４に連接されている。グリッパ１３００の受動板１１５８ではリンク孔１１７２が図２０のＹ方向に対称位置に２つ設けられており、一対のグリッパリンク１２２０は側面視で交差する配置である。

図１９、図２０、図２１及び図２２に示すように、第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂは、第１エンドエフェクタ駆動機構１３２０ａ（図２４参照）に対して、基本的には、折り返しプーリ（円柱部材、伝達部材）１３５０が付加された構成である。受動プーリ１１５６ａ及び受動プーリ１１５６ｂは同軸構成となっている。

主軸部材１１４４には、ピン１３５２が挿入及び固定される径方向の軸孔１３５４が設けられている。軸孔１３５４は、孔１１４４ａを経由して主軸部材１１４４の筒部を貫通している。

伝達部材１１５２には、ピン１３５２が挿通可能な幅で軸方向に延在する長孔１３５６が設けられている。伝達部材１１５２は、マニピュレータ１２の軸心よりＹ１方向にややオフセットした位置に設けられるが、先端の突起１１７４だけは軸心に配置させるとよい（図２４参照）。もちろん、伝達部材１１５２は中心に配置してもよい。

ピン１１５４は、伝達部材１１５２を通り抜けてＹ２方向に突出し受動プーリ１１５６ｂを軸支する。受動プーリ１１５６ｂは、受動ワイヤ１２５２ｂが２巻き可能な幅を有する。孔１１４４ａは、受動プーリ１１５６ａ、１１５６ｂ及び伝達部材１１５２が挿入可能な高さを有する。受動プーリ１１５６ａ及び１１５６ｂは、孔１１４４ａ内でピン１１５４によって同軸に軸支されており、独立的に回転自在である。

ピン１３５２は、孔１１４４ａ内でＹ１方向からＹ２方向に向かって、長孔１３５６及び折り返しプーリ１３５０の中心孔に挿入されて、伝達部材１１５２と受動プーリ１１５６ａ及び１１５６ｂが軸方向に進退可能である。折り返しプーリ１３５０はピン１３５２に軸支されて回転自在であり、位置は固定である。折り返しプーリ１３５０は受動ワイヤ１２５２ｂが２巻き可能な幅を有する。また、折り返しプーリ１３５０を２層化することにより、開閉動作のときに反対方向に回転できる構成となり、受動ワイヤ１２５２ｂとプーリの摩擦を低減させることができる。

図２７、図２８及び図２９に示すように、第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂにおいては、受動プーリ１１５６ｂよりも先端側に折り返しプーリ１３５０が設けられ、受動ワイヤ１２５２ｂは、受動プーリ１１５６ｂと折り返しプーリ１３５０とにわたって巻き掛けられている。つまり、受動ワイヤ１２５２ｂは、駆動部材のロッド１９２ｂのワイヤ係合部１２５０ｂから、アイドルプーリ１１４０ｂのＸ１方向を通り、Ｘ２方向に向かい、ガイドプーリ１１４２ｂのＸ２方向を通り受動プーリ１１５６ｂのＸ２方向面に至る。受動ワイヤ１２５２ｂはそのままＺ１方向に向かって延在し、折り返しプーリ１３５０のＸ２方向の面に達し、該折り返しプーリ１３５０のＺ１方向の面に半回転巻き付けられてＺ２方向に折り返す。

受動ワイヤ１２５２ｂは受動プーリ１１５６ｂのＺ２方向の面に半回転巻き付けられてＸ２側を通って再度折り返しプーリ１３５０に至り、再び該折り返しプーリ１３５０のＺ１方向の面に半回転巻き付けられてＺ２方向に折り返す。この後、受動ワイヤ１２５２ｂはガイドプーリ１１４２ｂのＸ１方向からアイドルプーリ１１４０ｂのＸ２方向に至り、ロッド１９２ｂのワイヤ係合部１２５０ｂに接続される。ワイヤ係合部１２５０ａ及び受動ワイヤ１２５２ｂは、ロッド１９２ｂを介してトリガレバー４６ａに対して機械的に接続されていることになる。

先端動作部１２００の構造について理解を容易にするために、その模式図を図１８に示す。

このように構成される先端動作部１２００では、図１６に示すように、人手によりトリガレバー４６ａを十分に引くと、ロッド１９２ａは受動ワイヤ１２５２ａを引き寄せ、受動プーリ１１５６ａ、伝達部材１１５２をＺ２方向に移動させることからグリッパ１３００を閉じさせることができる。つまり、ロッド１９２ａや受動ワイヤ１２５２ａ、受動プーリ１１５６ａ等の伝達部材が牽引されることによりグリッパ１３００が閉じられる。

この場合、第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂについては、ロッド１９２ｂは、押し出されるように配置されているため、伝達部材１１５２の動作を阻害しない。

また、図１７に示すように、人手によりトリガレバー４６ａを十分に押し出すと、伝達部材１１５２及び受動プーリ１１５６ａは先端側にＺ１方向に移動してグリッパ１３００を開くことができる。

グリッパ１３００には、トリガレバー４６ａを人手によって押し出す力が第２エンドエフェクタ駆動機構１３２０ｂによって機械的に直接伝えられることから、弾性体のような所定の力ではなく任意の強い力で開くことができる。したがって、グリッパ１３００の外側面を用いて生体組織を剥離させ、又は孔部を拡開させるような手技に対して好適に用いることができる。

また、グリッパ１３００の外側面に対象物が接触した場合には、受動ワイヤ１２５２ｂ、ロッド１９２ｂ及びトリガレバー４６ａもそれ以上Ｚ１方向に動かなくなり、操作者はグリッパ１３００の外側面が対象物に接触したこと、及び該対象物の硬さ等を指先で知覚することができる。

先端動作部１２００は、ヨー軸動作及びロール軸動作が可能である。図示を省略するが、先端動作部１２００では、ヨー軸動作をする場合、ガイドプーリ１１４２ａ及びガイドプーリ１１４２ｂの軸（図１８参照）を中心にして、それよりも先端の複合機構部１１０２及びグリッパ１３００がヨー方向に揺動する。先端動作部１２００は、非干渉機構であることから、ヨー軸動作をしてもグリッパ１３００の開度が変化することはなく、逆にグリッパ１３００の開度を変化させてもヨー軸が動作することはない。グリッパ１３００とロール軸の関係についても同様である。

本発明に係る医療用ロボットシステムは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…医療用ロボットシステム １２、１２ａ〜１２ｃ…マニピュレータ
１６…ステーション １８、１８ａ〜１８ｄ…ロボットアーム
２０…コンソール ２１、２１ａ〜２１ｃ…ジョイスティック
３０…連結シャフト ３２…開閉ワイヤ
３４、１７０、１７２…第１ワイヤ
３４ａ、１７０ａ、１７２ａ…アウタワイヤ
３４ｂ、１７０ｂ、１７２ｂ…インナワイヤ ３６…第２ワイヤ
３７…ワイヤコネクタ ４０…モニタ
４４…ハンドルグリップ ４６、４６ａ…トリガレバー
５２…グリッパ ５６、１２００…先端動作部
５８、５８ａ、５８ｂ…スライダ ６０ａ、６０ｂ…モータ
６２…関節 ６４、６４ａ、６４ｂ…接続ブロック
７０…レセプタクル ７２…被係合片
８６…爪 １２０ａ、１２０ｂ…マスタアーム

Claims (7)

1. 人手によって操作されるマスタアームと、
   前記マスタアームの動きに連動して電気的に駆動される多関節ロボットと、
   マスタアームと一体又はその近傍に設けられ、人手によって操作される機械式駆動部よりなる入力部と、
   前記多関節ロボットの先端部に設けられ、前記入力部と機械的に接続されて駆動される先端動作部と、
   を有することを特徴とする医療用ロボットシステム。
2. 請求項１記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記多関節ロボットには、着脱可能なマニピュレータが設けられ、
   前記マニピュレータの先端動作部は、前記先端動作軸と、
   該先端動作軸の向きを変える１以上の姿勢軸と、
   を有することを特徴とする医療用ロボットシステム。
3. 請求項１又は２記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記入力部と前記先端動作部は、動力伝達手段としてワイヤを介して接続されていることを特徴とする医療用ロボットシステム。
4. 請求項２記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記多関節ロボットは、前記マニピュレータを装着する装着部を備え、
   前記ワイヤは、前記装着部でロボット側ワイヤとマニピュレータ側ワイヤに分離され、
   前記マニピュレータを所定方向にスライドして前記装着部に装着することによって、前記ロボット側ワイヤ及び前記マニピュレータ側ワイヤのいずれか一方の係合部と他方の被係合部が係合することを特徴とする医療用ロボットシステム。
5. 請求項４記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記装着部には、前記マスタアームの動きに基づいて前記姿勢軸を動作させる姿勢軸アクチュエータが設けられ、
   前記マニピュレータは、前記装着部に装着される基端部に設けられ、前記マニピュレータを所定方向にスライドして前記装着部に装着することによって前記姿勢軸アクチュエータに対して同軸状に接続されるプーリを有し、
   前記姿勢軸は前記プーリに巻き掛けられる可撓性部材を介して駆動されることを特徴とする医療用ロボットシステム。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記先端動作部は、
   基端側に設けられ、前記ワイヤに接続される駆動部材と、
   前記駆動部材に一部が接続された環状の可撓性部材と、
   駆動部材より先端側に設けられたアイドル円柱体と、
   前記アイドル円柱体より先端側で、進退可能に設けられて前記先端動作部に連結された受動円柱体と、
   前記アイドル円柱体と前記受動円柱体との間に設けられたガイド円柱体と、
   を含むエンドエフェクタ駆動機構を有し、
   前記可撓性部材は、前記アイドル円柱体の両側方を通り、前記ガイド円柱体と前記受動円柱体との間で交差し、前記ガイド円柱体の両側方を軸方向にずれた位置で通り、前記受動円柱体に巻き掛けられていることを特徴とする医療用ロボットシステム。
7. 請求項６記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記エンドエフェクタ駆動機構を第１エンドエフェクタ駆動機構とし、
   前記駆動部材、前記可撓性部材、前記アイドル円柱体、前記受動円柱体、前記ガイド円柱体に相当する部材を備える第２エンドエフェクタ駆動機構と、
   前記第１エンドエフェクタ駆動機構の前記駆動部材と前記第２エンドエフェクタの前記駆動部材を逆方向に進退させる駆動部材進退機構と、
   前記第２エンドエフェクタ駆動機構で、前記受動円柱体よりも先端側の折り返し円柱体と、
   を有し、
   前記第２エンドエフェクタ駆動機構で、前記可撓性部材は、前記第２エンドエフェクタ機構の前記受動円柱体と前記折り返し円柱体とにわたって巻き掛けられ、前記第２エンドエフェクタ駆動機構の前記ガイド円柱体の軸と前記受動円柱体の軸は平行であることを特徴とする医療用ロボットシステム。

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