JP5336568B2 - マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、エンドエフェクタ軸、及び該エンドエフェクタ軸の向きを変える１以上の姿勢軸を含む作業部を有するマニピュレータ及びその制御方法に関し、特に、エンドエフェクタ軸及び姿勢軸を動作させる複合機構部を備えるマニピュレータに関する。

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。

一方、腹腔鏡下手術で用いるマニピュレータには、患部の位置及び大きさに応じて迅速且つ適切な手技が可能であることが望まれており、しかも患部切除、縫合及び結紮等の様々な手技が行われる。このため、本出願人は、操作の自由度が高くしかも簡便に操作することのできるマニピュレータの開発及び提案をしている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００２−１０２２４８号公報 特開２００４−３０１２７５号公報

腹腔鏡下手術で用いられるマニピュレータでは、種々の手技に対応することができるように、先端のエンドエフェクタの姿勢が高い自由度を有することが望ましく、エンドエフェクタ軸と、該エンドエフェクタ軸の向きを変える姿勢軸とを動作させる複合機構部を備えることが考えられる。

例えば、エンドエフェクタ軸、ヨー軸及びロール軸を備えるとともに、これらの各軸をそれぞれワイヤを介して駆動する場合、機構的な相互の影響があることからいずれか１つの軸を動作させるのに、２以上のワイヤを協調的に動作させ、複合機構部を動作させる。

ところで、このような複合機構部では、１つの軸に対してトルクを発生させると、機構上、他の軸及びアクチュエータに干渉トルクが発生し、他の軸に無駄な動きが出ることが本発明者によって確認された。特に、先端のエンドエフェクタが針又は生体組織（以下、ワークとも呼ぶ。）を把持し、又は剪断等をする場合等には比較的大きいトルクが必要とされ、付随的に発生する干渉トルクも大きくなり、他軸に生じる無駄な動きが顕在化されやすい。このような動きは、術者によっては多少の違和感を感じる場合があると思われる。

干渉トルクによる無駄な動きが発生しないようにするためには、十分な剛性が得られるように太いワイヤを設ける必要があるが、あまり太いワイヤを用いると、操作部と作業部との間でワイヤが挿通される長尺な連結部を大径にせざるを得ず、これに応じて患者の腹部等に設ける孔もやや大きく設定する必要が生じる。

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１つの軸に対してトルクを加えても他軸に生じる無駄な動きを抑制することのできるマニピュレータを提供することを目的とする。

本発明に係るマニピュレータは、エンドエフェクタ軸、及び該エンドエフェクタ軸の向きを変える第１姿勢軸及び第２姿勢軸を含む作業部と、前記作業部に設けられ、前記エンドエフェクタ軸を駆動させるとともに、前記第１姿勢軸を第１駆動回転体を介して駆動させ、前記第２姿勢軸を第２駆動回転体を介して駆動させる複合機構部と、前記エンドエフェクタ軸を駆動するエンドエフェクタ軸アクチュエータと、前記第１駆動回転体を駆動する第１姿勢軸アクチュエータと、前記第２駆動回転体を駆動する第２姿勢軸アクチュエータと、前記第１駆動回転体及び前記第２駆動回転体の各々に接触し前記第１駆動回転体及び前記第２駆動回転体により駆動される従動回転体と、を有し、前記第１姿勢軸アクチュエータは、前記エンドエフェクタ軸を駆動するトルクにより前記第１駆動回転体に連れ回りトルクが発生した際に、前記連れ回りトルクに抵抗する方向の干渉トルクを前記第１駆動回転体に発生させることを特徴とする。

また、前記エンドエフェクタ軸は、エンドエフェクタ軸アクチュエータの作用下に、前記作業部の延在軸方向に直交する直交軸を中心として回転する直交軸回転体から、前記延在軸方向を中心として回転する延在軸回転体に回転が伝達される機構を介して駆動され、前記従動回転体は、前記延在軸を中心として回転し、前記従動回転体の基端側端面における中心に対して一方に前記第１駆動回転体が接触し、他方に前記第２駆動回転体が接触し、前記直交軸を中心として前記第１駆動回転体及び前記第２駆動回転体が回転する構成としてもよい。

或いは、前記エンドエフェクタ軸は、エンドエフェクタ軸アクチュエータの作用下に、前記作業部の延在軸方向に直交する直交軸を中心として回転する直交軸回転体から、前記延在軸方向を中心として回転する延在軸回転体に回転が伝達される機構を介して駆動され、前記第１姿勢軸は、前記直交軸を中心として回転する前記第１駆動回転体から、前記延在軸方向を中心として回転する前記従動回転体に回転が伝達される機構を介して駆動され、前記第２姿勢軸は、前記直交軸を中心として回転する前記第２駆動回転体を介して駆動され、前記直交軸回転体及び前記第１駆動回転体は、前記第２駆動回転体に対して同じ側に設けられていてもよい。

この場合、前記直交軸には、前記直交軸回転体、前記第１駆動回転体及び前記第２駆動回転体の順に配置されてもよい。

また、前記第１姿勢軸アクチュエータと前記第１姿勢軸との間、及び前記第２姿勢軸アクチュエータと前記第２姿勢軸との間は可撓性部材を介して接続されてもよい。

本発明に係るマニピュレータでは、複合機構部では、エンドエフェクタ軸を駆動するトルクが第１姿勢軸アクチュエータ又は第２姿勢軸アクチュエータの一方に干渉トルクを発生させ、他方ではトルクと干渉トルクが逆方向に作用する。したがって、これらのトルクは釣り合う方向に作用し、無駄な動きを相当に抑制することができる。

第１の参考例に係るマニピュレータの斜視図である。 第１の参考例に係るマニピュレータにおける作業部の斜視図である。 第１の参考例に係るマニピュレータにおける作業部の分解斜視図である。 第１の参考例に係るマニピュレータにおける作業部の断面平面図である。 第１の参考例に係るマニピュレータにおける作業部の断面側面図である。 ワイヤ固定機構の分解斜視図である。 第１の参考例に係るマニピュレータの駆動系統の基本構成図である。 第１の参考例に係るマニピュレータの作業部に発生する各トルクの関係を示す構成図である。 コントローラのブロック構成図である。 トリガーの引き込み量とグリッパ開度と、グリッパのトルクとの関係を示すグラフである。 第１の変形例に係るコントローラのブロック構成図である。 第２の変形例に係るコントローラのブロック構成図である。 制御部で行われる制御手順のフローチャートである。 図１４Ａは、１軸の角度を補正する様子を示す図であり、図１４Ｂは、２軸の角度を補正する様子を示す図である。 第１の実施形態に係るマニピュレータにおける作業部の斜視図である。 第１の実施形態に係るマニピュレータにおける作業部の分解斜視図である。 第１の実施形態に係るマニピュレータにおける作業部の断面平面図である。 第１の実施形態に係るマニピュレータにおける作業部の断面側面図である。 主軸部材の板体と他のギアとの位置関係を示す模式断面正面図である。 独立した板体を備えるマニピュレータにおける作業部の断面側面図である。 独立した板体と他のギアとの位置関係を示す模式断面正面図である。 第１の実施形態に係るマニピュレータの駆動系統の基本構成図である。 第２の実施形態に係るマニピュレータにおける作業部の斜視図である。 第２の実施形態に係るマニピュレータにおける作業部の分解斜視図である。 第２の実施形態に係るマニピュレータにおける作業部の断面平面図である。 第２の実施形態に係るマニピュレータにおける作業部の断面側面図である。 第２の実施形態に係るマニピュレータの駆動系統の基本構成図である。 マニピュレータの各機構における所要トルク、ワイヤの伸び、及び姿勢変化量を示す表である。

以下、本発明に係る作業機構及びマニピュレータについて第１及び第２の実施の形態を挙げ、添付の図１〜図２８を参照しながら説明する。第１の参考例に係るマニピュレータ１０ａ（図１参照）、第１の実施の形態に係るマニピュレータ１０ｂ（図１５参照）及び第２の実施の形態に係るマニピュレータ１０ｃ（図２３参照）は、医療用であって腹腔鏡下手術等に用いられるものである。

マニピュレータ１０ａは、先端の作業部１２ａに生体の一部又は湾曲針等等を把持して所定の処置を行うためのものであり、通常、把持鉗子やニードルドライバ（持針器）等とも呼ばれる。

図１に示すように、マニピュレータ１０ａは、人手によって把持及び操作される基端部の操作指令部１４と、先端部で作業を行う作業部１２ａと、これらの作業部１２ａと操作指令部１４とを接続する長尺な連結部１６とを有する。作業部１２ａ及び連結部１６は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール２０から体腔２２内に挿入可能であり、操作指令部１４の操作により体腔２２内において患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。

なお、以下の説明では、図１、図１５及び図２３における幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向及び、連結部１６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。さらに、特に断りのない限り、これらの方向の記載はマニピュレータ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが中立姿勢（図２、図１５及び図２３に示す状態の姿勢）である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、マニピュレータ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃは任意の向きで（例えば、上下を反転させて）使用可能であることはもちろんである。

操作指令部１４は、人手によって把持されるグリップハンドル２６と、該グリップハンドル２６の上部から延在するアーム２８と、該アーム２８の先端に接続されたアクチュエータブロック３０とを有する。グリップハンドル２６には、指で操作可能なトリガーレバー３２、第１指示レバー３４及び第２指示レバー３６が設けられている。トリガーレバー３２は、人差し指による引き寄せ動作が容易な位置に設けられている。

アクチュエータブロック３０には作業部１２ａが有する３自由度の機構に対応してモータ４０、モータ４２及びモータ４４が連結部１６の延在方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ４０、４２及び４４は小型、細径であって、アクチュエータブロック３０はコンパクトな扁平形状に構成されている。アクチュエータブロック３０は、操作指令部１４のＺ１方向端部の下方に設けられている。また、モータ４０、４２及び４４は、操作指令部１４の操作に基づき、コントローラ（制御部）４５の作用下に回転をする。

連結部１６は、アクチュエータブロック３０に対して接続される接続部４６と、該接続部４６からＺ１方向に向かって延在する中空の連結シャフト４８とを有する。接続部４６には、モータ４０、４２及び４４の駆動軸に接続される駆動プーリ５０ａ、駆動プーリ５０ｂ及び駆動プーリ５０ｃが回転自在に設けられている。駆動プーリ５０ａ、駆動プーリ５０ｂ及び駆動プーリ５０ｃには、可撓性部材としてのワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６が巻き掛けられており、連結シャフト４８の中空部分４８ａ（図２参照）を通って作業部１２ａまで延在している。ここで可撓性部材とは、弾性またはガタにより変形しうる動力伝達部材、駆動部材や駆動系のことをいう。ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６はそれぞれ同種、同径のものを用いることができる。以下、ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６をまとめて、代表的にワイヤ５７ともいう。

連結部１６は、接続部４６における所定の操作によって操作指令部１４から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。また、連結部１６から先の部分は交換可能であって、手技に応じて連結部１６の長さの異なるもの、又は作業部１２ａの機構が異なるものを装着することができる。

図２に示すように、連結部１６の先端部には先端方向に突出している一対の舌片部５８が連結シャフト４８の中心軸に対面して配設されている。連結シャフト４８の中空部分４８ａは、一対の舌片部５８の間の空間部に連通している。この一対の舌片部５８には、対抗する位置に２組の軸孔６０ａ、６０ａと、６０ｂ、６０ｂとが設けられている。舌片部５８の先端はそれぞれ円弧形状に形成されている。また、一対の舌片部５８の対抗する内側面は平行な平面に形成されており、その間隔はＨとなっている。

２つの軸孔６０ａ、６０ａ及び２つの軸孔６０ｂ、６０ｂは中心軸を挟むように設けられている。軸孔６０ａと軸孔６０ｂはＺ方向に並列して設けられ、軸孔６０ｂが軸孔６０ａよりも先端側に配置されている。

図２に示すように、作業部１２ａはＹ方向の第１回転軸（第２姿勢軸）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、Ｚ方向の第２回転軸（第１姿勢軸）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（エンドエフェクタ軸）Ｏｇを中心として先端のエンドエフェクタ１０４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。

エンドエフェクタ１０４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エンドエフェクタ１０４の姿勢を変えるためのものである。以下、エンドエフェクタ１０４を開閉させる第３自由度に係る機構部をグリッパ軸とも呼び、ヨー方向に回動する第１自由度に係る機構部をヨー軸とも呼び、ロール方向に回動する第２自由度に係る機構部をロール軸とも呼ぶ。

作業部１２ａは、ワイヤ受動部１００と、複合機構部１０２と、エンドエフェクタ１０４とを有する。

図２〜図４を参照しながら、ワイヤ受動部１００、複合機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４について詳細に説明する。

ワイヤ受動部１００は、一対の舌片部５８の間に設けられており、ワイヤ５２、ワイヤ５４及びワイヤ５６のそれぞれの循環動作を回転動作に変換して複合機構部１０２に伝達する部分である。ワイヤ受動部１００は、軸孔６０ａ、６０ａに挿入されるシャフト１１０と、軸孔６０ｂ、６０ｂに挿入されるシャフト（直交軸）１１２と、シャフト１１０に対して回転自在に軸支される歯車体１１４とを有する。シャフト１１０及び１１２は、軸孔６０ａ、６０ｂに対して、例えば圧入により固定される。シャフト１１２は第１回転軸Ｏｙの軸上に配置される。

歯車体１１４は、筒体１１６と、該筒体１１６の上部に同心状に設けられた歯車１１８とを有する。歯車１１８は筒体１１６よりも大径の平歯車である。以下、特に断らない限り歯車は平歯車である。歯車体１１４は高さが略Ｈであって、一対の舌片部５８の間に回転自在に配置される。歯車１１８の厚さＤ１は高さＨと比較して十分に薄く、筒体１１６の高さ（つまり、Ｈ−Ｄ１）は舌片部５８の間の高さＨのうち相当程度を占める。歯車１１８の上面には、シャフト１１０が挿入される孔の周辺に低い環状リブ１１８ａが設けられており、歯車１１８の上面が上側の舌片部５８に接触することが防止され摺動抵抗の低減を図っている。

図６に示すように、筒体１１６にはワイヤ固定機構１２０が設けられている。ワイヤ固定機構１２０は、Ｚ２方向の側のやや上方部分で横方向（中立時のＸ方向）に延在する溝１２２と、該溝１２２の中央に設けられたテーパ状の固定ピン１２４とを有する。溝１２２の中央部には、固定ピン１２４が挿入・固定される凹部１２２ａが設けられている。溝１２２の向きはワイヤ５７が螺旋状に巻回するのに合わせてやや傾斜していてもよい。

溝１２２の幅及び最大深さは、ワイヤ５７の径と略等しく設定されている。固定ピン１２４には横方向に連通して、ワイヤ５７が貫通可能な孔１２４ａが設けられている。孔１２４ａにワイヤ５７を通しておき、固定ピン１２４を凹部１２２ａに挿入することにより、ワイヤ５７は一部が溝１２２に嵌り、向きが水平に規定されるとともに筒体１１６に対して固定される。

図２〜図４に戻り、複合機構部１０２は、エンドエフェクタ１０４の開閉動作機構と、該エンドエフェクタ１０４の姿勢を変化させる複合的な機構部である。

複合機構部１０２は、Ｙ１方向からＹ２方向に向かって順に、シャフト１１２に対して回転自在に軸支される歯車体１２６と、主軸部材１２８と、歯車体１３０とを有する。

歯車体１２６は、筒体１３２と、該筒体１３２の上部に同心状に設けられた歯車（直交軸回転体）１３４とを有する。歯車１３４は歯車１１８と同じ厚さで、該歯車１１８と噛合するように設定されている。歯車１３４は歯車１１８よりも歯数が多く、歯車１１８の回転が減速して（トルクが増大して）伝達することができる。もちろん、設計条件に応じて同速又は増速するように伝達してもよい。歯車１３４の上面には、シャフト１１２が挿入される孔の周辺に低い環状リブ１３４ａが設けられており、歯車１３４の上面が上側の舌片部５８に接触することが防止され摺動抵抗の低減を図っている。

歯車体１３０は、歯車体１２６とほぼ同形状であって、該歯車体１２６に対して上下反転に配置されている。歯車体１３０は、筒体１３６と、該筒体１３６の下部に同心状に設けられた歯車１３８とを有する。筒体１３６は筒体１３２と略同径、同形状である。歯車１３８は、歯車１３４よりも歯数をやや少なくするこができる。筒体１３６のＺ２方向の側の面には、筒体１１６と同様のワイヤ固定機構１２０が設けられており、ワイヤ５４を固定している。

主軸部材１２８は、シャフト１１２が挿通する筒体１４０と、Ｚ１方向に設けられた環状座面１４２と、該環状座面１４２の中心からＺ１方向に延在する支持バー１４４とを有する。支持バー１４４は第２回転軸Ｏｒの軸上に配置される。支持バー１４４の先端部には雄ねじが設けられている。

環状座面１４２は上下２つの短いブリッジ１４２ａを介して、筒体１４０の外側面よりもやや離れた位置に設けられており、環状座面１４２と筒体１４０との間にはワイヤ５２が挿通可能で、Ｙ方向にやや長い縦孔１４６が設けられている。筒体１４０のＺ２方向の側の面には、筒体１１６と同様のワイヤ固定機構１２０が設けられており、ワイヤ５２を固定している。

主軸部材１２８は、ワイヤ５２の循環動作に伴って第１回転軸Ｏｙを中心としたヨー方向に回転し、支持バー１４４をＸＺ平面上で揺動させることができる。

筒体１４０、歯車体１２６及び歯車体１３０は、シャフト１１２を軸として積層配置されており、その積層高さはＨと略等しく、一対の舌片部５８の間にほぼ隙間なく設けられている。

複合機構部１０２は、さらに駆動ベース１５０と、歯車リング１５２と、歯車付きピン１５４と、固定ナット１５６及び１５８と、カバー１６０とを有する。固定ナット１５６には、細い回転工具を挿入するための径方向の複数の細孔１５６ａが設けられている。細孔１５６ａの少なくとも１つは、径方向に露呈しており（図２参照）、カバー１６０等を取り外すことなく固定ナット１５６を回転させることができる。固定ナット１５８には、スパナ等の回転工具を係合可能な平行面１５８ａが設けられている。

駆動ベース１５０は、支持バー１４４の基端部に回動自在に挿入される筒体１６４と、該筒体１６４の左右両端からＺ１方向に向かって突出している一対の支持アーム１６６と、筒体１６４のＺ２方向の面に設けられたフェイスギア１６８とを有する。各支持アーム１６６はエンドエフェクタ１０４を支持する部分であり、Ｘ方向に並んだ孔１６６ａが設けられている。筒体１６４を支持バー１４４の基端部に挿入した後に、固定ナット１５６を支持バー１４４の先端の雄ねじに螺着させることにより、駆動ベース１５０は支持バー１４４を中心とした（つまり、第２回転軸Ｏｒを中心とした）ロール方向に、回動自在に軸支される。

フェイスギア１６８は歯車１３８に噛合し、駆動ベース１５０は筒体１３６の回転にともなって、第２回転軸Ｏｒを中心として回転可能である。

歯車リング１５２は薄い筒体であって、Ｚ２方向の面に設けられたフェイスギア１７０と、Ｚ１方向の面に設けられたフェイスギア１７２とを有する。歯車リング１５２は駆動ベース１５０の筒体１６４に嵌装され、該筒体１６４の周面に対して摺動回転自在となる。歯車リング１５２は、フェイスギア１７０が駆動ベース１５０のフェイスギア１６８よりもややＺ１方向側の位置であって、歯車１３４に噛合する位置まで筒体１６４に嵌装される。フェイスギア１７０は歯車１３４に噛合し、歯車リング１５２は歯車体１２６の回転に伴って第２回転軸Ｏｒを中心として回転可能である。

歯車付きピン１５４は、フェイスギア１７２に噛合する歯車１７４と、該歯車１７４の中心からＸ１方向に延在するピン１７６とを有する。ピン１７６の先端部には雄ねじが設けられている。ピン１７６は２つの孔１６６ａを通って雄ねじが反対側の支持アーム１６６から突出し、固定ナット１５８が螺着される。これにより、歯車付きピン１５４は、歯車１７４がフェイスギア１７２に噛合するとともに、支持アーム１６６に対して回動自在に軸支される。また、ピン１７６はエンドエフェクタ１０４の一部に係合するようにＤカット形状となっている。

カバー１６０は、複合機構部１０２における上記の各部品を保護するためのものであって、歯車リング１５２、歯車１７４が径方向に露呈されないように覆われる。カバー１６０は、Ｚ２方向の短筒１８０と、該短筒１８０の左右両端からＺ１方向に向かって突出している一対の耳片部１８２とを有する。耳片部１８２は、短筒１８０の周壁の一部が同径のままＺ１方向に延在している形状である。カバー１６０の下部はカバー固定ピン１６２によってエンドエフェクタ１０４の一部に固定されている。カバー１６０は正面視で連結部１６と同径又は小径に設定されている。

このような複合機構部１０２では、歯車体１３０の回転作用下に、歯車１３８からフェイスギア１６８に回転が伝達されて駆動ベース１５０及び該駆動ベース１５０に接続されるエンドエフェクタ１０４を第２回転軸Ｏｒを中心として回転させることができる。また、歯車体１１４の回転作用下に、歯車１１８から歯車１３４、フェイスギア１７０、フェイスギア１７２及び歯車１７４を介してピン１７６に回転が伝達され、歯車付きピン１５４を回転させることができる。

なお、カバー１６０は、複合機構部１０２、エンドエフェクタ１０４を動作に支障のない範囲でほぼ全域にわたり覆うように円筒や円錐形のカバーで構成してもよい。また、ピン１９６を利用してカバー１６０を固定してもよい。

次に、エンドエフェクタ１０４は、第１エンドエフェクタ部材１９０と、第２エンドエフェクタ部材１９２と、リンク１９４と、ピン１９６とを有する。ピン１９６は第３回転軸Ｏｇの軸上に配置される。

第１エンドエフェクタ部材１９０は、左右に対向して設けられた一対のサイドウォール２００と、サイドウォール２００の先端部にそれぞれ設けられた孔２００ａと、サイドウォール２００の後端部にそれぞれ設けられた孔２００ｂと、サイドウォール２００の先端下部からＺ１に突出した第１グリッパ（エンドエフェクタ軸）２０２と、サイドウォール２００の後端下部に設けられたカバー固定部２０４とを有する。孔２００ａはピン１９６が、例えば圧入されるのに適した径に設定されている。第１グリッパ２０２はＺ１方向に向かってやや幅狭となって、先端部が円弧状となる形状であり、Ｙ１方向の全面には小さい錐上突起がほぼ隙間なく設けられている。

各サイドウォール２００の先端部は円弧状に形成されており、後端部の両外側面には前記の支持アーム１６６が嵌り込む凹部２００ｃが設けられている。第１グリッパ２０２とカバー固定部２０４との間には、第２エンドエフェクタ部材１９２の後端部に対する干渉を防止する孔１９０ａ（図４参照）が設けられている。カバー固定部２０４には、カバー固定ピン１６２が、例えば圧入される孔が設けられている。

第２エンドエフェクタ部材１９２は、ベース部２１０と、ベース部２１０の先端からＺ１方向に延在する第２グリッパ（エンドエフェクタ軸）２１２と、ベース部２１０の左右後端からＺ２方向に延在する一対の耳片部２１４と、ベース部２１０の先端下部に設けられた軸支筒２１６とを有する。軸支筒２１６はピン１９６が挿入可能な程度の内径の孔２１６ａを有している。ピン１９６が軸支筒２１６に挿入されて孔２００ａに対して、例えば圧入されることにより、第２エンドエフェクタ部材１９２は第３回転軸Ｏｇを中心として揺動自在となる。第２グリッパ２１２は第１グリッパ２０２と同形状で上下反転に配置されており、第２エンドエフェクタ部材１９２が第３回転軸Ｏｇを中心として回動したときに第１グリッパ２０２に対して当接し、湾曲針等を把持することができる。耳片部２１４にはそれぞれ長孔２１４ａが設けられている。

リンク１９４は、一方の端部に設けられた孔２２０と、他方の端部に設けられて左右に突出する一対の係合部２２２とを有する。各係合部２２２は長孔２１４ａに対して摺動可能に係合している。孔２２０はピン１７６が係合するに適したＤカット形状に形成されており、該ピン１７６に対する位置決め機能及び回り止め機能を有する。ピン１７６が孔１６６ａ、孔２００ｂ及び２２０に挿入されるとともに、先端部に固定ナット１５８が螺着されることにより、リンク１９４はピン１７６を中心として揺動自在となる。

また、筒体１４０にはワイヤ５２が１．５回転巻き掛けられ、筒体１３６にはワイヤ５４が１．５回転巻き掛けられ、筒体１１６にはワイヤ５６が２．５回転（９００°）巻き掛けられている。図４から明らかなように、筒体１４０の直径は、筒体１１６の直径に対してワイヤ５６を２本加えた幅以上に設定されており、平面視でワイヤ５２及びワイヤ５４は、ワイヤ５６よりもやや外側に配置される。これにより、各ワイヤ同士の干渉を容易に防止することができる。

つまり、ワイヤ５６はワイヤ５２よりも内側に配置されており、これらのワイヤ５２に干渉することがない。したがって、ワイヤ５６は、ワイヤ５２の位置に無関係に、筒体１１６に対して全高さ（つまりＨ−Ｄ１）の約２／３の領域１１６ａ（図５参照）を使って巻回することができる。該領域１１６ａは十分に広いことから、ワイヤ５６を２．５回転（又はそれ以上で、例えば、３．５回転（１２６０°））巻き掛けることができ、歯車体１１４を２．５回転（又はそれ以上）させることができる。また、歯車体１１４の回転量を大きくすることができるため、歯車１１８と歯車１３４との歯車比を大きく設定することが可能となり、歯車体１２６の回転トルクを増大することも可能である。

次に、このように構成されるマニピュレータ１０ａの作用について図７を参照しながら説明する。

先ず、ヨー方向の動作に関しては第１指示レバー３４（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第１指示レバー３４を指で操作することによりモータ４０の回転作用下に駆動プーリ５０ａ等が回転してワイヤ５２が循環駆動され、主軸部材１２８が第１回転軸Ｏｙを中心として回転する。これにより、主軸部材１２８の支持バー１４４に接続された複合機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４がヨー方向に揺動することになる。このように、ヨー方向の動作は主体的にはモータ４０によって行われることから、該モータ４０は姿勢軸アクチュエータとして分類される。ただし、ヨー方向の動作にともない、グリッパ軸及びロール軸の姿勢を維持し又は指定の姿勢となるようにモータ４２及び４４も協調して駆動する。

第１指示レバー３４は正逆二方向への傾動が可能であり、ヨー方向の動作は第１指示レバー３４の傾動方向に応じて正逆方向へ揺動する。第１指示レバー３４を中立位置に戻すとモータ４０は停止し、ヨー方向の動作もその時点の位置を保持して停止する。

ロール方向の動作に関しては第２指示レバー３６（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第２指示レバー３６を指で操作することによりモータ４２の回転作用下に駆動プーリ５０ｂ等が回転してワイヤ５４が循環駆動され、歯車体１３０が回転し、歯車１３８及びフェイスギア１６８を介して駆動ベース１５０に回転が伝達される。該駆動ベース１５０は第２回転軸Ｏｒを中心として回転する。これにより、複合機構部１０２及びエンドエフェクタ１０４がロール方向に回転することになる。このように、ロール方向の動作は主体的にはモータ４２によって行われることから、該モータ４２は姿勢軸アクチュエータとして分類される。ただし、ロール方向の動作にともない、グリッパ軸の姿勢を維持し又は指定の姿勢となるようにモータ４４も協調して駆動する。

第２指示レバー３６は正逆二方向への傾動が可能であり、ロール方向の動作は第２指示レバー３６の傾動方向に応じて正逆方向へ回転する。第２指示レバー３６を中立位置に戻すとモータ４２は停止し、ロール方向の動作もその時点の位置を保持して停止する。

エンドエフェクタ１０４の開閉動作に関してはトリガーレバー３２（図１参照）を指で引き寄せることにより行われる。すなわち、トリガーレバー３２を指で引き寄せることによりモータ４４の回転作用下に駆動プーリ５０ｃが回転することによってワイヤ５６が循環駆動され、歯車体１１４が回転し、歯車１１８、歯車１３４、フェイスギア１７０、１７２及び歯車１７４を介してピン１７６に回転が伝達される。ピン１７６はリンク１９４を介し、第２エンドエフェクタ部材１９２を第３回転軸Ｏｇを中心として揺動させる。これにより第２グリッパ２１２が第１グリッパ２０２に対して開閉することになる。このように、エンドエフェクタ１０４の開閉動作は主体的にはモータ４４によって行われることから、該モータ４４はエンドエフェクタ軸アクチュエータとして分類される。

トリガーレバー３２は指による引き寄せが可能であり、指を離すことにより弾性体によって元の位置に復帰する。エンドエフェクタ１０４はこのトリガーレバー３２の操作に連動し、トリガーレバー３２の引き寄せの程度に応じて閉じ、指をトリガーレバー３２から離すことによって開状態に復帰する。トリガーレバー３２にはラッチ機構があってもよい。

コントローラ４５では、モータ４０、４２及び４４の軸の回動位置を微小時間毎に指示することにより、上記の動作を行わせる。

次に、マニピュレータ１０ａの機構を数式を用いて説明する。以下の説明では、モータ４０の駆動プーリ５０ａの回転角度をθ１、モータ４２の駆動プーリ５０ｂの回転角度をθ２、モータ４４の駆動プーリ５０ｃの回転角度をθ３とする。また、ヨー軸の傾動角度をθｙ、ロール軸の回転角度をθｒ、グリッパ軸の開閉角度をθｇとする。また、ヨー軸のトルクをτｙ、ロール軸のトルクをτｒ、グリッパ軸のトルクをτｇとする。

グリッパ軸はトグル機構を介しており、解析上不便であることから、θｇ及びτｇに代えて、歯車１７４の回転角度をθｇ’、トルクをτｇ’として、以下解析に用いる。グリッパ軸の動作と歯車１７４の動作はトグル機構を介して１対１に対応していることから、このように置き換えても解析上の問題がないことは明らかであろう。以下、角度θｇ’をグリッパ軸角度、トルクτｆ’をグリッパ軸トルクとも呼ぶ。

作業部姿勢軸角度［θｙ θｒ θｇ’］^Ｔとモータ軸角度［θ１ θ２ θ３］^Ｔおよび作業部姿勢軸トルク［τｙ τｒ τｇ’］^Ｔとモータ軸トルク［τ１ τ２ τ３］^Ｔの関係式は次の（１−１）式、（１−２）式及び（１−３）式で表される。ここで、［Ａ］は、複合機構部１０２によって決まる３行３列の機構干渉行列である。［Ａ^Ｔ］^−１は［Ａ］の転置の逆行列である。

姿勢軸角度［θｙ θｒ θｇ’］^Ｔとモータ軸角度［θ１ θ２ θ３］^Ｔおよびトルクの関係は次の（２）式で表せる。ここで、Ｒｎｎは、プーリ比や歯車歯数などの減速比で決まる値である。

簡単のため、各減速比を１とすると、前記の（１−１）式、（１−２）式及び（１−３）式は以下の（３−１）式、（３−２）式及び（３−３）式で表される。

エンドエフェクタ１０４の把持動作の各軸トルクについて検討する。把持動作に必要なグリッパ軸のトルクを仮にτｇ’＝１とする。この時の各モータ４０、４２、４４の駆動トルクの比は、式（３−３）にτｙ＝０、τｒ＝０、τｇ’＝１を代入することで求まる。

τ１＝２、 τ２＝−１、 τ３＝１ …（４）
これは、（３−３）式の第３列で表される値である。このように、把持動作時に、３軸モータでτｇ’＝１のトルクを発生するときには、干渉トルクとして、１軸のモータ４０は、３軸のモータ４４のトルクの２倍のトルクが必要となる。また、２軸のモータ４２は、３軸のモータ４４のトルクの１倍のトルクが必要となる。これは、把持動作による３軸の反力を２軸が受け、その２軸、３軸の反力の和を１軸が受ける構成となっているためである。

概略的には、図８に示すように、第２グリッパ２１２が閉じて第１グリッパ２０２に当接して押圧力を発生させると、歯車１７４が側面視（Ｘ２方向視）で時計方向にトルクを発生し、フェイスギア１７２は正面視（Ｚ２方向視）で反時計方向にトルクを発生し、歯車１３４が平面視（Ｙ２方向視）で時計方向のトルクτｇ’を発生させる。

フェイスギア１７２が反時計方向に回動しようとするトルクのため、反作用としてフェイスギア１６８には正面視で時計方向のトルクτｚが発生し、歯車１３８に平面視で時計方向のトルクτｒが発生する。

一方、主軸部材１２８には、歯車１３４のトルクτｇ’と歯車１３８のトルクτｒが累積的に加わり、その反作用（換言すれば干渉トルク）として、平面視で反時計方向のトルクτｙ（＝τｇ’＋τｒ）が発生し、支持バー１４４は逆方向に無駄に揺動してしまうことが理解されよう。すなわち、モータ４４によりグリッパ軸にτｇのトルク（つまり、歯車１７４にτｇ’のトルク）を発生させるためには、モータ４２では、歯車１３８にトルクτｒを発生させるべくトルクτ２を発生させ、モータ４０では、主軸部材１２８にトルクτｙを発生させるべくトルクτ１を発生させる必要が生じる。

これにより、各モータ４０、４２、４４のトルクτ１、τ２、τ３に比例し、弾性に応じて各ワイヤが伸ばされることになる。

各駆動系のワイヤの伸びの比は下記のようになる。ただし各ワイヤの剛性は等しいと仮定する。

θ１＝２、 θ２＝−１、 θ３＝１ …（５）
これにより、例えばヨー軸を代表する支持バー１４４は、本来の位置と比較し、図８の二点鎖線で示すように無駄に揺動してしまう。このように、このままではワイヤの伸びによるヨー軸およびロール軸に無駄な姿勢変動が発生し、術者に違和感を与えかねない。

このような、干渉トルクによる無駄な動きが発生しないようにするためには、例えば、太いワイヤを用いて剛性を向上させる手段が考えられるが、あまり太いワイヤを用いると、操作部と作業部との間でワイヤが挿通される連結シャフト４８を大径にせざるを得ない。

各軸に上記に相当するワイヤの伸びが生じる場合、ワイヤの伸びによって生じ得る姿勢変動量は、ワイヤの伸び量を式（３−２）に代入することにより得られる。

θｙ＝２、 θｒ＝３（＝２＋１）、 θｇ’＝６（＝４＋１＋１） …（６）

このように、ヨー軸とロール軸とグリッパ軸の３自由度配置の駆動機構（はさみ、ニードルドライバ（持針器）、把持鉗子等）において、そのままでは、トルク干渉により駆動軸以外のワイヤが伸びて姿勢変動が生じかねない。

そこで、マニピュレータ１０ａにおいては、コントローラ４５がこれらを補償するべく、モータ４０、４２及び４４の補償制御をするのである。次に、このコントローラ４５の構成について説明する。

図９に示すように、コントローラ４５は、ヨー軸姿勢算出部５００ａと、ロール軸姿勢算出部５００ｂと、グリッパ軸姿勢算出部５００ｃとを有する。ヨー軸姿勢算出部５００ａは第１指示レバー３４の操作に基づきヨー軸角度θｙを算出し、ロール軸姿勢算出部５００ｂは第２指示レバー３６の操作に基づきロール軸角度θｒを算出する。ヨー軸姿勢算出部５００ａ及びロール軸姿勢算出部５００ｂは、例えば第１指示レバー３４及び第２指示レバー３６のプラス・マイナス方向への操作を積分することによりヨー軸角度θｙ及びロール軸角度θｒを算出する。グリッパ軸姿勢算出部５００ｃは、トリガーレバー３２の引き込み量に基づいてグリッパ軸の角度θｇ及び歯車１７４の角度θｇ’を算出する。

また、コントローラ４５は、第１モータ回動量算出部５０２ａと、第２モータ回動量算出部５０２ｂと、第３モータ回動量算出部５０２ｃと、トルク発生検出部５０４と、第１ドライバ５０６ａと、第２ドライバ５０６ｂと、第３ドライバ５０６ｃとを有する。

第１モータ回動量算出部５０２ａはヨー軸角度θｙに基づいてモータ４０の回動量θ１を算出する。第２モータ回動量算出部５０２ｂはヨー軸角度θｙ、ロール軸角度θｒに基づいてモータ４２の回動量θ２を算出する。第３モータ回動量算出部５０２ｃはヨー軸角度θｙ、ロール軸角度θ及びグリッパ軸角度θｇ’に基づいてモータ４４の回動量θ３を算出する。これらの、第１モータ回動量算出部５０２ａ、第２モータ回動量算出部５０２ｂ、及び第３モータ回動量算出部５０２ｃは、基本的には前記の（３−１）式に相当する機能を有する。第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂは、さらに、トルク発生検出部５０４から供給される信号に基づいて各回動量θ１及びθ２を補正する機能を有する。この機能については後述する。

グリッパ軸姿勢算出部５００ｃは、図１０に示すように、トリガーレバー３２の引き込み量βが最小値０から最大値β_Ｍａｘの範囲に対してグリッパ軸角度θｇ’を比例的に設定する。ただし、グリッパ軸の動作範囲は０≦β＜β１に対応しており、β≧β１の範囲では閉状態となり、指令値と実姿勢との間に偏差が生じ、該偏差に対応したトルクτｇ’が生じる。

トルクτｇ’は、基本的には偏差に応じて増大するが、引き込み量βが所定値β２以上の範囲では、モータ４４の能力やワイヤ５６の剛性等により所定のトルクτｇ’_Ｍａｘ以上は発生し得ず、該値で制限されることになる。

なお、グリッパ軸はβ＜β１の範囲でも摩擦等に打ち勝つための微小のトルクが発生するが、β≧β１の範囲で発生する把持トルクともいうべきτｇ’と比較すると十分に小さいため、解析上は無視するものとする。

トルク発生検出部５０４は、トリガーレバー３２の引き込み量βに基づいてグリッパ軸にトルクτｇ’が発生しているタイミング、つまり引き込み量βが動作範囲の一端に対応するβ１に達した範囲、β≧β１であるタイミングを検出するトルク発生検出手段である。

また、トルク発生検出部５０４は、β≧β１であるタイミングで、基準値β１に対する超過量Δβ（＝β−β１）を算出して第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂに供給する。また、超過量Δβは、β≧β２の範囲では、Δβ＝β２−β１、に制限するとよい。

トルク発生検出部５０４は、引き込み量βではなく、グリッパ軸姿勢算出部５００ｃから得られるグリッパ軸角度θｇ’に基づいて処理を行ってもよい。

また、グリッパ軸がやや大きいワークを把持する場合には、β＝β１となる以前の所定値β３（β３＜β１）からトルクτｇ’が発生することが考えられる（図１０の破線５１０参照）。このような手技に対してより適切に対応するためには、トルク発生検出部５０４は、引き込み量βではなく、モータ４４を駆動する電流値に基づいて前記タイミングを検出するようにしてもよい。

すなわち、図１１に示すように、第３ドライバ５０６ｃがモータ４４を駆動する電流値をトルク発生検出部５０４に供給する。トルク発生検出部５０４では得られた電流値が所定閾値以上となったときに、グリッパ軸にトルクτｇ’が発生したタイミングとして判断し、第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂに所定の指令を与えればよい。

さらに、モータ４４に対する角度指令に相当する角度θ３と、モータ４４の回転軸又は接続された駆動プーリ５０ｃの実角度θ３ｓを所定のセンサにより検出し、角度θ３と実角度θ３ｓとの偏差に基づいて、前記タイミングを検出するようにしてもよい。

すなわち、図１２に示すように、モータ４０、４２、４４から所定のセンサにより得られるそれぞれの実角度θ１ｓ、θ２ｓ、θ３ｓと第３モータ回動量算出部５０２ｃで設定された指令値としての角度θ３をトルク発生検出部５０４に供給する。トルク発生検出部５０４では、得られた実角度θ３ｓと指令の角度θ３との偏差を求め、該偏差が所定閾値以上となったときに、グリッパ軸にトルクτｇ’が発生したタイミングとして判断し、第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂに所定の指令を与えればよい。

これらの電流値又は偏差はトルクτｇ’と略比例的な相関があることから、該電流値により、トルクτｇ’の発生タイミングを検出することも可能である。

次に、第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂは、トルク発生検出部５０４から供給される超過量Δβに基づいて回動量θ１及びθ２を以下の手順で補正する。便宜上、第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂの処理をまとめて説明する。これらの処理は、微小時間毎に連続的に行われる。

先ず、図１３のステップＳ１において、トルク発生検出部５０４は、引き込み量βに基づいて、トルクτｇ’が発生しているか否かを判定する。トルクτｇ’が発生していると判定されるとき（β≧β１のとき）には、超過量Δβを第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂに供給する。

ステップＳ２において、第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂは、超過量Δβに基づいて、比例関係又は所定の関係式に基づいてグリッパ軸のトルクτｇ’を求める。なお、簡便には、第１モータ回動量算出部５０２ａ及び第２モータ回動量算出部５０２ｂは、トルク発生検出部５０４からトルクτｇ’が発生するタイミングだけを受けて、トルクτｇ’はτｇ’＝τｇ’_Ｍａｘ（図１０参照）としてもよい。実際の手技では、トリガーレバー３２は最大引き込み量であるβ＝β_Ｍａｘとなるまで引かれることが多いためである。

ステップＳ３において、前記（３−３）式にトルクτｇ’を代入して、モータ４０、４２、４４が発生するトルクτ１、τ２及びτ３を求める。このとき、τｙ＝τｒ＝０としておく。該（３−３）式によれば、τ１＝２・τｇ’、τ２＝−１・τｇ’、τ３＝τｇ’となる。もちろん、厳密には各機構部の減速比は１ではないことから、これらの比例定数は（２）式のＲｎｎの組合わせで表される異なる値となる。

ステップＳ４において、求められたτ１に基づいてモータ４０の角度指令である角度θ１を補正するとともに、τ２に基づいてモータ４２の角度指令である角度θ２を補正する。

すなわち、図１４Ａに示すように、その時点の角度θ１に対してτ１（＝２・τｇ’）に比例した補正量Ｃ１を加算した角度（θ１＋Ｃ１）を求め、第１ドライバ５０６ａに供給する。この場合、τ２は正値であることから角度θ１を増加させる補正になる。

また、図１４Ｂに示すように、その時点の角度θ２に対してτ２（＝−１・τｇ’）に比例した補正量Ｃ２を加算した角度（θ１＋Ｃ２）を求め、第２ドライバ５０６ｂに供給する。この場合、τ２は負値であることから角度θ２を減少する補正になる。すなわち、干渉トルクが発生する方向と同方向に目標位置をずらして制御することになる。

第３ドライバ５０６ｃにはその時点の角度θ３を補正することなくそのまま供給すればよい。

トルクτ１と補正量Ｃ１との比例係数ｋ１は、モータ４０がトルクτ１を発生することによるヨー軸の姿勢変動量が、補正量Ｃ１と一致するように求めておけばよい。この比例係数ｋ１にはワイヤ５２の伸びが考慮される。同様に、τ２と補正量Ｃ２との比例係数ｋ２は、モータ４２がトルクτ２を発生することによるロール軸の姿勢変動量が、補正量Ｃ２と一致するように求めておけばよい。この比例係数ｋ２にはワイヤ５４の伸びが考慮される。

これらの比例係数ｋ１及びｋ２は、計算シミュレーション又は実験等により求められる。また、トルクτ１と補正量Ｃ１との関係、及びトルクτ２と補正量Ｃ２との関係は必ずしも比例関係に限らず、例えば二次以上の関係式又は実験式としてもよい。

このように、第１ドライバ５０６ａに対して角度（θ１−Ｃ１）の指令を与えることにより、モータ４０は本来の指令角度である角度θ１より小さい角度（θ１−Ｃ１）の位置に略達する（図１４Ａ参照）。一方、該モータ４０には、グリッパ軸がトルクτｇ’を発生するための干渉トルクとしてトルクτ１が正方向に発生することから、ワイヤ５２等に伸びや歪み等が生じ、モータ４０の駆動プーリ５０ａと主軸部材１２８の角度の対応にずれが生じ、結果としてヨー軸は当初の目標値である角度θｙと極めて近い値になる。

また、第２ドライバ５０６ｂに対して角度（θ２−Ｃ２）の指令を与えることにより、モータ４２は本来の指令角度である角度θ２より大きい角度（θ２−Ｃ２）の位置に略達する（図１４Ｂ参照）。一方、該モータ４２には、グリッパ軸がトルクτｇ’を発生するための干渉トルクとしてトルクτ２が負方向に発生することから、ワイヤ５４等に伸びや歪み等が生じ、モータ４２の駆動プーリ５０ｂと歯車１３８の角度の対応にずれが生じ、結果としてロール軸は当初の目標値である角度θｒと極めて近い値になる。

このように、第１の参考例に係るマニピュレータ１０ａ及びその制御方法によれば、コントローラ４５では、グリッパ軸にトルクτｇ’が発生するタイミングをトルク発生検出部５０４が検出し、検出信号である超過量Δβに基づき、姿勢軸の現在位置である角度θ１、θ２を基準として、干渉トルクτ１、τ２が発生する方向と同方向に指令信号の補正を行う。これにより、マニピュレータ１０ａでは、腹腔鏡下手術を行うのに好適な３つの自由度が得られるとともに、グリッパ軸にトルクτｇ’を発生させることによりワイヤ５２、５４等に伸び、歪みが生じても、他軸はほとんど無駄な動きすることがない。

したがって、術者は違和感を感じることなく手技を行うことができる。また、各ワイヤの伸びが補償されることから、各ワイヤを細くすることが可能となり、連結部１６及びトラカール２０（図１参照）を細径に設定することができる。

また、エンドエフェクタ１０４の向きを変える姿勢軸は２軸設けられており、それぞれ発生する干渉トルク（τ１及びτ２）の大きさ及び方向が異なるが、コントローラ４５では、発生する干渉トルクの計算値に基づいて、姿勢軸毎に異なる量だけモータ４０及び４２の移動位置をずらして制御している。従って、各姿勢軸毎に適切な補償制御が可能となる。

さらに、コントローラ４５により行われる制御方法は、前記の（２）式、（３−１）式〜（３−３）式及び比例係数ｋ１及びｋ２を機構に合わせて変更することにより、基本的にどのような構造のマニピュレータに対しても適用可能である。

次に、第１の実施形態に係るマニピュレータ１０ｂについて説明する。マニピュレータ１０ａ（及び後述するマニピュレータ１０ｃ）について、前記のマニピュレータ１０ａと同様の箇所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１５〜図１８に示すように、マニピュレータ１０ｂの作業部１２ｂでは、Ｙ１方向からＹ２方向に向かって順に、シャフト１１２に対して歯車体１２６、歯車体３００、主軸部材１２８及び歯車体１３０が軸支されている。

歯車体１２６は、領域１３２ａ（図５参照）に相当する部分が薄く設定されている。

主軸部材１２８には、前記の筒体１４０に代えて薄い保護板１７１が設けられている。保護板１７１はシャフト１１２が挿通する中心孔１７１ｂを備え、Ｚ２方向が略９０°の円弧形状であり、Ｚ１方向に向かって拡開しており、平面視で略山形となっている。

図１８及び図１９に示すように、平面視で（換言すれば軸方向に投影したときに）保護板１７１は、歯車１１８、歯車３０１及び歯車１３８を覆う。また、Ｚ１方向端面に設けられた凹部１７１ａにフェイスギア１６８及びフェイスギア１７０の歯部が入り込む。したがって、結紮作業等で用いられる糸等が接触せず、該糸が引き込まれ、絡み又は干渉することが防止できる。

このような糸の絡み又は干渉等を防止する部材としての保護板１７１は、必ずしも主軸部材１２８と一体的に構成されている必要はなく、例えば、図２０及び図２１に示すように、主軸部材１２８とは別体で、該主軸部材１２８の下（Ｙ２方向）に設けてもよい。

このように、フェイスギア１６８及び１７０の少なくとも一部を覆う保護板１７１を設けることにより、糸等が該フェイスギア１６８及び１７０に絡むことが防止できる。特に、保護板１７１は後方に向かって狭くなる形状であり、ヨー軸方向動作の支障となることがないとともに、糸等が不必要に内側に入り込むことがなく、該フェイスギア１６８及び１７０や歯車１３４等に対する絡み又は干渉等を一層確実に防止できる。

また、保護板１７１は、平面視で歯車１３４、歯車３０１及び歯車１３８を覆うことから、これらの各歯車に対して糸等が絡むことを防止できる。

図１５〜図１８に戻り、作業部１２ｂには、平面視で舌片部５８、歯車体１１４、歯車１１８、歯車３０１及び歯車１３８を覆うカバー３０３が装着されており、これらの機構部に糸等が絡むことを一層確実に防止できる。図１７から明らかなように、シャフト１１２の位置を基準として、保護板１７１とカバー３０３の前方部は略対称に構成されており、保護板１７１は主にＺ１方向の部位に糸が絡むことを防止し、カバー３０３は主にＺ２方向の部位に糸等が絡み又は干渉することを防止できる。

歯車体３００は、歯車体１３０と同じ構成で、逆向きに配置されている。歯車体３００には、歯車１３８と同じ歯車３０１が設けられている。歯車体３００の筒体３０２には、ワイヤ５２が巻き掛けられている。つまり、モータ４０及び駆動プーリ５０ａにより駆動されるのは、主軸部材１２８ではなく歯車体３００となっている。

駆動ベース（従動回転体）３０４は、前記の駆動ベース１５０に相当するものであり、Ｚ２方向の端面にはフェイスギア１６８が設けられている。フェイスギア１６８のＹ１方向の頂部は歯車（第１駆動回転体）３０１と噛合し、Ｙ２方向の頂部は歯車（第２駆動回転体）１３８と噛合しており、いわゆる差動機構を構成している。

駆動ベース３０４の中央部には、支持バー１４４に固定ナット１５６を螺着させるスペースとなる空間部３０６が設けられ、Ｚ１方向の端部には、グリッパ開閉動作の基準となるグリッパベース３０８が設けられている。グリッパベース３０８は、グリッパの開閉向きに応じた平行な左右一対の摺動面３０８ａと、先端に設けられた回転中心となる孔３０８ｂとを有する。

歯車リング（延在軸回転体）３１０は、前記の歯車リング１５２に相当するものであり、Ｚ２方向の端面のフェイスギア１７０と、Ｚ１方向の端面のフェイスギア１７２とを有しており、駆動ベース３０４の筒体１６４に嵌装される。歯車リング３１０は前記歯車リング１５２よりも軸方向にやや長く、中央よりややＺ２側の外周面には環状突起３１２が設けられている。フェイスギア１７０のＹ１方向頂部は歯車１３４に噛合している。

次に、エンドエフェクタ１０４は、第１エンドエフェクタ体３２０と、第２エンドエフェクタ体３２２と、カバー３２４と、固定ピン３２６とを有する。固定ピン３２６は第３回転軸Ｏｇの軸上に配置される。

カバー３２４は、エンドエフェクタ１０４における各部品を保護及び支持するためのものである。カバー３２４は、Ｚ２方向の短筒３３０と、該短筒３３０の上下両端からＺ１方向に向かって突出している一対の耳片部３３２とを有する。各耳片部３３２には、固定ピン３２６が挿入され固定するための孔３３２ａが設けられている。

第１エンドエフェクタ体３２０は、歯車体３３６と、作用部３３８とを有する。歯車体３３６は、一対の耳片部３３２の間におけるＸ２方向に配置される部品であって、歯車３４０と、該歯車３４０の中心からＸ１方向に向かって突出するＤカット形状の突起３４２とを有する。歯車体３３６には、中心部に固定ピン３２６が挿入される孔３３６ａが設けられている。歯車体３３６は、歯車３４０がＸ２方向となるように配置され、該歯車３４０はフェイスギア１７２のＸ２方向の頂部と噛合する。

作用部３３８は、基端筒３４４と、該基端筒３４４から略径方向に突出するアーム３４６と、該アーム３４６からさらに径方向に向けて突出したグリッパ３４８とを有する。基端筒３４４の中心には突起３４２が係合するのに適したＤカット形状の孔３４４ａが設けられており、該突起３４２に対する位置決め機能及び回り止め機能を有する。

グリッパ３４８は、基端筒３４４及びアーム３４６よりもややＸ１方向に厚く、グリッパ３４８の中間幅部が基端筒３４４及びアーム３４６のＸ１方向端面に略等しい。グリッパ３４８には、両端円弧状で内側面３４８ａにＸ方向に延在する波形部が設けられており、把持するワークの滑り止めとなる。グリッパ３４８には、凹部３４８ｂが設けられている。

第２エンドエフェクタ体３２２は、歯車体３５０と、作用部３５２とを有する。作用部３５２は、グリッパ３４８と同形状のグリッパ３５３を有する。歯車体３５０は、一対の耳片部３３２の間におけるＸ１方向に配置される部品であって、歯車３５４を有する。歯車体３５０は、歯車３５４がＸ１方向となるように配置され、該歯車３５４はフェイスギア１７２のＸ１方向の頂部と噛合する。歯車体３５０は、歯車体３３６と同形状であり、歯車３５４は、歯車３４０に相当し、その他の部分については、同符号を付して詳細な説明を省略する。

作用部３５２は、作用部３３８と同形状であって歯車体３５０に係合し、作用部３３８に対して上下反転した向きに配置される。作用部３５２の各部については、作用部３３８と同符号を付して詳細な説明を省略する。

第１エンドエフェクタ体３２０のグリッパ３４８はＹ２方向寄りに配置され、第２エンドエフェクタ体３２２のグリッパ３５３はＹ１方向寄りに配置され、グリッパ３４８及び３５３は、内側面３４８ａが対面するように基準軸Ｃに対称配置される。基準軸Ｃは、連結シャフト４８及び作業部１２ｂの延在方向軸である。

歯車体３３６と、グリッパベース３０８と、歯車体３５０は一対の耳片部３３２の間にほとんど隙間なく配置され、固定ピン３２６が孔３３２ａ、孔３０８ｂ及び孔３３２ａに挿入され、軸支される。

このようなエンドエフェクタ１０４では、歯車リング３１０の回転作用下に歯車３４０及び歯車３５４は互いに逆方向に回転する。つまり、正面から見て歯車リング３１０が時計方向に回転するときには、側面視（Ｘ２方向視）で、歯車３４０は回転軸Ｏｇを中心として反時計方向に回転し、歯車３５４は回転軸Ｏｇを中心として時計方向に回転する。これにより、一対のアーム３４６、３４６及び一対のグリッパ３４８、３５３は、ＹＺ平面上で基準軸に対称に回転し、開閉動作を行うことができる。

次に、このように構成されるマニピュレータ１０ｂの作用について図２２を参照しながら説明する。

先ず、ヨー方向の動作に関しては第１指示レバー３４（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第１指示レバー３４を指で操作することによりモータ４０及び４２（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ａ及び５０ｂ等が回転してワイヤ５２及び５４が同方向に同速度で循環駆動され、主軸部材１２８及び駆動ベース３０４が第１回転軸Ｏｙを中心として回転し、ヨー方向に揺動することになる。

ロール方向の動作に関しては第２指示レバー３６（図１参照）を指で操作することにより行われる。すなわち、第２指示レバー３６を指で操作することによりモータ４０及び４２（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ａ及び５０ｂ等が回転してワイヤ５２及び５４が反対方向に循環駆動され、又は同方向であっても異なる速度で循環駆動され、主軸部材１２８及び駆動ベース３０４が基準軸Ｃを中心として回転し、ロール方向に動作することになる。

このように、ヨー方向動作及びロール方向動作については、歯車３０１、歯車１３８を用いた差動機構により駆動される。差動機構を用いることから、ヨー方向動作及びロール方向動作については、モータ４０及び４２が協動して駆動をすることになり、所要トルクは１／２ずつの分担となる。

エンドエフェクタ１０４の開閉動作に関してはトリガーレバー３２（図１参照）を指で引き寄せることにより行われる。すなわち、トリガーレバー３２を指で引き寄せることによりモータ４４（図１参照）の回転作用下に駆動プーリ５０ｃが回転することによってワイヤ５６が循環駆動され、歯車体１１４が回転し、歯車１３４、フェイスギア１７０、１７２に回転が伝達される。フェイスギア１７２は、歯車３４０及び第１エンドエフェクタ体３２０を所定の方向へ回転させ、歯車３５４及び第２エンドエフェクタ体３２２を逆方向へ回転させる。これによりエンドエフェクタ１０４が開閉動作を行うことになる。

次に、マニピュレータ１０ｂの機構を数式を用いて説明する。前記の（２）式をマニピュレータ１０ｂに当てはめて展開すると、前記の（３−１）式、（３−２）式及び（３−３）式に相当する関係式が次の（７−１）式、（７−２）式及び（７−３）式で表される。なお、簡略化のために各減速比は１にしている。

エンドエフェクタ１０４の把持動作の各軸トルクについて検討する。把持動作に必要なグリッパ軸のトルクを仮にτｇ’＝１とする。この時の各モータ４０、４２、４４の駆動トルクの比は、式（７−３）にτｙ＝０、τｒ＝０、τｇ’＝１を代入することで求まる。

τ１＝１、 τ２＝０、 τ３＝１ …（８）

ここで、同構成の１軸と２軸に対応するτ１とτ２の値が異なるのは、３軸の駆動系の配置が中心軸にたいして対称配置ではなく、片側だけに配置されていることに基づく。

これは、（７−３）式の第３列で表される値である。このように、把持動作時に、３軸のモータ４４でτｇ’＝１のトルクを発生させるときには、干渉トルクとして、１軸のモータ４０は、３軸のモータ４４のトルクの１倍のトルクが必要となる。３軸の反力を１軸が受けるが、その反力は、ヨー軸部において相殺するように釣り合っているため、３軸と１軸のトルクは累積的に加算されることがなく、これらのトルクを２軸が受けない構成になっていることが理解されよう。

各駆動系のワイヤの伸びは下記のようになる。ただし、各ワイヤの剛性は等しいと仮定する。

θ１＝１、 θ２＝０、 θ３＝１ …（９）

仮に各軸に上記に相当するワイヤの伸びが生じる場合、ワイヤの伸びによって生じる姿勢変動量は、ワイヤの伸び量を式（７−２）に代入することにより得られる。

θｙ＝０．５、 θｒ＝０．５、 θｇ’＝２ …（１０）

前記のマニピュレータ１０ａの構成では、θｙ＝２、θｒ＝３（（６）式参照）であることから、仮にマニピュレータ１０ａで姿勢補償の制御を行わない場合と比較するとマニピュレータ１０ｂでは、姿勢変動をヨー軸で１／４、ロール軸で１／６に減少できる。

なお、θｇ’＝２となっているが、これに対応するグリッパ軸は閉動作を行っているのであるから姿勢変動は発生しない。

このように、第１の実施形態に係るマニピュレータ１０ｂによれば、複合機構部１０２により、モータ４４の作用下にエンドエフェクタ１０４を駆動するとトルクτｇ’がモータ４０には干渉トルクを発生させるが、モータ４２にはトルクτｇ’と干渉トルクが釣り合う方向に作用するように構成されている。

次に、第２の実施形態に係るマニピュレータ１０ｃについて説明する。

図２３〜図２６に示すように、マニピュレータ１０ｃの作業部１２ｃでは、Ｙ１方向からＹ２方向に向かって順に、シャフト１１２に対して歯車体１２６、歯車体３００及び主軸部材（第２駆動回転体）３６０が軸支されている。

主軸部材３６０は、前記の主軸部材１２８に相当する部材であり、前記のマニピュレータ１０ａと同様にモータ４０によってワイヤ５２を介して駆動される。主軸部材３６０は軸部が、Ｙ２方向にやや突出しており（図２６参照）、該軸部にワイヤ５２が巻き掛けられている。

歯車体３００はモータ４２によってワイヤ５４を介して駆動される。また、マニピュレータ１０ｂにおける歯車体１３０は設けられていない。マニピュレータ１０ｃにおけるこれら以外の構成については、前記マニピュレータ１０ｂと同じである。

図２７にマニピュレータ１０ｃの駆動系統の基本構成を示す。図２７に示す構成と、マニピュレータ１０ａの駆動系統の基本構成（図７参照）を比較すれば容易に理解されるように、マニピュレータ１０ｃにおけるヨー軸方向動作はモータ４０の作用下に、マニピュレータ１０ａと同様の機構で駆動される。グリッパ軸動作は、グリッパ自体の構成はマニピュレータ１０ａと異なるが、基本的にモータ４４の作用下に同様の機構で駆動される。

ロール軸方向動作は、歯車３０１がフェイスギア１６８のＹ１方向頂部に噛合しているから、歯車１３８がフェイスギア１６８のＹ２方向頂部に噛合しているマニピュレータ１０ａと比較すると、同じ動作をさせる場合にモータ４２の回転方向が逆となる。

次に、マニピュレータ１０ｃの機構を数式を用いて説明する。前記の（２）式をマニピュレータ１０ｃに当てはめて展開すると、前記の（３−１）式、（３−２）式及び（３−３）式に相当する関係式が次の（１１−１）式、（１１−２）式及び（１１−３）式で表される。なお、簡略化のために各減速比は１にしている。

エンドエフェクタ１０４の把持動作の各軸トルクについて検討する。把持動作に必要なグリッパ軸のトルクを仮にτｇ’＝１とする。この時の各駆動軸の駆動トルクの比は、式（１１−３）にτｙ＝０、τｒ＝０、τｇ’＝１を代入することで求まる。

τ１＝０、 τ２＝１、 τ３＝１ …（１２）

これは、（１１−３）式の第３列で表される値である。このように、把持動作時に、３軸モータでτｇ’＝１のトルクを発生させるときには、干渉トルクとして、２軸のモータ４２は、３軸のモータ４４のトルクの１倍のトルクが必要となる。３軸の反力を２軸が受けるが、その反力は、ヨー軸部において釣り合っているため、３軸と２軸のトルクは累積的に加算されることがなく、これらのトルクを１軸が受けない構成にはなっていることが理解されよう。

つまり、ロール軸駆動用の歯車３０１とグリッパ軸駆動用の歯車１３４を主軸部材３６０に対して同じ側（図２７ではＹ１側）に配置することにより、ヨー軸部の駆動トルクを釣り合あわせることができる。

各駆動系のワイヤの伸びは下記のようになる。ただし、各ワイヤの剛性は等しいと仮定する。

θ１＝０、 θ２＝１、 θ３＝１ …（１３）

反力（干渉トルク）が累積しない構成では、ヨー軸部では、以下のように最小限の反力（干渉トルク）で釣り合った状態となっている。

仮に各軸に上記に相当するワイヤの伸びが生じる場合、ワイヤの伸びによって生じる姿勢変動量は、ワイヤの伸び量を式（１１−２）に代入することにより得られる。

θｙ＝０、 θｒ＝１、 θｇ’＝２ …（１４）

前記のマニピュレータ１０ａの構成では、θｙ＝２、θｒ＝３（（６）式参照）であることから、仮にマニピュレータ１０ａで姿勢補償の制御を行わない場合と比較するとマニピュレータ１０ｃでは、ロール軸の姿勢変動を１／３に減少できる。ヨー軸については、姿勢変動は全く現れない構成となっている。

また、マニピュレータ１０ｃでは、シャフト１１２に対して、歯車１３４、歯車３０１及び主軸部材３６０の順に配置されている。つまり、最も先端のグリッパ軸を駆動するための歯車１３４が最も外方に配置されていることから、構造上、合理的である。

また、前記の（１１−１）式より、θｒを０→１に動作させるためには、θ２は、０→１、θ３は、０→−１に動作させる必要がある。すなわち、ロール軸をプラス方向に駆動する場合、２軸はプラス方向に、３軸はマイナス方向に駆動する。（１１−３）式を変形すると、次の（１１−４）式が得られる。

ロール軸を方向に＋駆動する場合で、θ２、θ３に対する複合機構部１０２での駆動系の摩擦トルクが大きいときには、τ２には＋τ２’の摩擦トルク、τ３には−τ３’の摩擦トルクが付加される。これは、（１１−４）式よりヨー軸への干渉トルクとなり、τｙ＝τ２’＋τ３’となり、干渉トルクは同方向に加算されることになり、ヨー軸揺動の要因となる。無駄な揺動動作が無視できない場合には、１軸にプラス方向の目標位置の修正を行えばよい。逆に、ロール軸をマイナス方向に駆動する場合には、１軸にマイナス方向の目標位置の修正を行えばよい。

１軸の目標位置の修正方向は、ロール軸の動作方向に依存するため、トルク検出部、ロール軸の動作方向が変化する（正方向から負方向、又は負方向から正方向）ことに基づいて、タイミングを検出し、修正方向を切り替えればよい。

１軸の修正量は、粘性摩擦トルクが支配的である場合には、ロール軸動作に比例させるとよい。つまり姿勢軸の速度に基づいて、対応する姿勢軸アクチュエータの移動位置をずらして制御するとよい。一方、クーロン摩擦トルクが支配的である場合には、ロール軸の回転方向のみを考慮した一定値でよい。粘性摩擦トルク及びクーロン摩擦トルクの両方を考慮して制御してもよいことはもちろんである。

クーロン摩擦トルクが支配的で、ロール軸の回転方向のみを考慮する場合、切り替えるタイミングは速度が発生するタイミングでよい。

すなわち、正方向に回転している状態から速度が０を超えて負方向の回転となる場合には、負の回転となったときに制御切り替えのタイミングとする。負方向に回転している状態から速度が０を超えて正方向の回転となる場合には、正の回転となったときに制御切り替えのタイミングとする。

正方向に回転している状態から速度が０となり再度正方向の回転となる場合、及び負方向に回転している状態から速度が０となり再度負方向の回転となる場合には制御の切り換えを行う必要はない。これは、通常、速度が０になった時点ではクーロン摩擦は０になる前の状態を維持しているためである。

なお、マニピュレータ１０ａ及び１０ｂに対して、前記マニピュレータ１０ａで行っている姿勢変動の補償制御を併用してもよいことはもちろんである。

マニピュレータ１０ａ（補償制御を行わない場合）、マニピュレータ１０ｂ及びマニピュレータ１０ｃにおけるグリッパ把持動作時の各軸の所要トルク比、ワイヤ伸び比、姿勢変動量の比の比較を図２８にまとめる。マニピュレータ１０ｂの差動機構およびマニピュレータ１０ｂのピニオン同側配置機構は、マニピュレータ１０ａ（補償制御を行わない場合）の値と比較して、把持動作時の各軸の所要トルク、ワイヤ伸び、姿勢変動量の全てについて効果がある。なお、括弧内の数値は、マニピュレータ１０ａの数値との比較値である。

なお、マニピュレータ１０ａ〜１０ｃ及び作業部１２ａ〜１２ｃは、ＹＲ把持鉗子、ニードルドライバ、及び患者から離れた箇所から電気通信手段等を介して手技を行う遠隔作業機構にも適用可能でありる。医療用途以外にも、例えば、エネルギー機器等の狭隘部補修の用マニピュレータに好適に適用可能であることはもちろんである。

本発明に係る作業機構及びマニピュレータは、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。

１０ａ〜１０ｃ…マニピュレータ １２ａ〜１２ｃ…作業部
４０、４２…モータ（第１姿勢軸アクチュエータ、第２姿勢軸アクチュエータ）
４４…モータ（エンドエフェクタ軸アクチュエータ）
５０ａ〜５０ｃ…駆動プーリ
５２、５４、５６、５７…ワイヤ（可撓性部材）
１００…ワイヤ受動部 １０２…複合機構部
１０４…エンドエフェクタ １３４…歯車（直交軸回転体）
１３８…歯車（第２駆動回転体） １７１…保護板
３０１…歯車（第１駆動回転体） ３０４…駆動ベース（従動回転体）
３１０…歯車リング（延在軸回転体） ３６０…主軸部材（第２駆動回転体）

Claims (4)

1. 開閉動作の軸であるエンドエフェクタ軸、及び該エンドエフェクタ軸の向きを変える第１姿勢軸及び第２姿勢軸を含む作業部と、
   前記作業部に設けられ、前記エンドエフェクタ軸を駆動させるとともに、前記第１姿勢軸を第１駆動回転体を介して駆動させ、前記第２姿勢軸を第２駆動回転体を介して駆動させる複合機構部と、
   前記エンドエフェクタ軸を駆動するエンドエフェクタ軸アクチュエータと、
   前記第１駆動回転体を駆動する第１姿勢軸アクチュエータと、
   前記第２駆動回転体を駆動する第２姿勢軸アクチュエータと、
   を有し、
   前記エンドエフェクタ軸は、前記エンドエフェクタ軸アクチュエータの作用下に、前記作業部の延在軸方向に直交する直交軸を中心として回転する直交軸回転体から、前記延在軸方向を中心として回転する延在軸回転体に回転が伝達される機構を介して駆動され、
   前記第１姿勢軸は、前記直交軸を中心として回転する前記第１駆動回転体又は前記第２駆動回転体から、前記延在軸方向を中心として回転する従動回転体に回転が伝達される機構を介して駆動され、
   前記第２姿勢軸は、前記直交軸を中心として回転する前記第１駆動回転体又は前記第２駆動回転体を介して駆動され、
   前記直交軸回転体及び前記第１駆動回転体は、前記第２駆動回転体に対して同じ側に設けられており、
   前記第１姿勢軸アクチュエータは、前記エンドエフェクタ軸を駆動するトルクが前記直交軸回転体にかかることで前記第１駆動回転体に連れ回りトルクが発生した際に、前記連れ回りトルクに抵抗する方向の干渉トルクを前記第１駆動回転体に発生させる
   ことを特徴とするマニピュレータ。
2. 請求項１記載のマニピュレータにおいて、
   前記従動回転体の基端側端面における中心に対して一方に前記第１駆動回転体が接触し、他方に前記第２駆動回転体が接触し、前記直交軸を中心として前記第１駆動回転体及び前記第２駆動回転体が回転する
   ことを特徴とするマニピュレータ。
3. 請求項１記載のマニピュレータにおいて、
   前記直交軸には、前記直交軸回転体、前記第１駆動回転体及び前記第２駆動回転体の順に配置されていることを特徴とするマニピュレータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマニピュレータにおいて、
   前記第１姿勢軸アクチュエータと前記第１姿勢軸との間、及び前記第２姿勢軸アクチュエータと前記第２姿勢軸との間は可撓性部材を介して接続されていることを特徴とするマニピュレータ。

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