JP5636234B2 - 医療用マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、可撓性を有する動力伝達部材（ワイヤ等）を介してモータの駆動力が伝達されて動作する先端動作部を有する医療用マニピュレータに関する。

内視鏡下外科手術（または腹腔鏡下手術とも呼ばれる。）においては、患者の腹部等に複数の孔を開け、これらの孔にトラカール（筒状の器具）を挿入した後、各トラカールを通して、腹腔鏡（カメラ）と複数の鉗子を体腔内に挿入する。鉗子の先端部には、エンドエフェクタとして、生体組織を把持するためのグリッパや、鋏、電気メスのブレード等が取り付けられている。腹腔鏡と鉗子を体腔内に挿入したら、腹腔鏡に接続されたモニタに映る腹腔内の様子を見ながら鉗子を操作して手術を行う。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、術後の回復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。

トラカールから挿入される鉗子として、先端部に関節を持たない一般的な鉗子に加えて、先端部に複数の関節を有して先端部の姿勢を変更できる鉗子、いわゆる医療用マニピュレータの開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。このような医療用マニピュレータによれば、体腔内で自由度の高い動作が可能であり、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなる。

特許文献１にて提案された医療用マニピュレータは、グリップハンドルを有する操作部からシャフトが前方に延出し、このシャフトの先端部にはエンドエフェクタを有する姿勢変更が可能な先端動作部が設けられている。この先端動作部では、操作部に設けられたモータの駆動力が先端動作部に機械的に伝達されることで、姿勢変更が行われる。

特開２００９−１０７０８７号公報

モータの駆動力を先端動作部に伝達する動力伝達経路上には、可撓性を有する動力伝達部材として、一般的にワイヤが用いられている。このようなワイヤは、通常、剛性の高い材料により構成されるが、マニピュレータの使用回数の増大に伴って伸びが発生したり、何らかの原因で過大な負荷がかかることで損傷を受けたりすることがある。その結果、先端動作部に無駄な動作が生じたり、規定された動作を満足できなかったりすることがある。したがって、マニピュレータの使用を開始する前にワイヤの状態を確認し、異常がある場合には、異常の存在を報知したり、使用を制限したりすることが望ましい。

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、駆動源から先端動作部に駆動力を伝達する動力伝達経路上に設けられた可撓性を有する動力伝達部材の異常の有無を判断できる医療用マニピュレータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る医療用マニピュレータは、駆動源と、駆動源の動作位置を検出する検出器と、作業を行うエンドエフェクタを含み、少なくとも１つの動作軸を基準として動作する先端動作部と、前記駆動源の駆動力を前記先端動作部に機械的に伝達する動力伝達経路上に、張力を付与された状態で配設された可撓性を有する動力伝達部材と、前記駆動源を制御するとともに、前記動力伝達部材の異常診断を行うコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記異常診断において、異常診断用の規定信号に従って前記駆動源を動作させ、前記検出器からの信号に基づいて、前記規定信号に従って動作する前記駆動源の動作位置を監視し、前記駆動源が目標位置に達するのに要する動作時間が設定された許容範囲内である場合には、前記動力伝達部材が正常であると判断し、前記動作時間が前記許容範囲より早い場合には、前記動力伝達部材に異常があると判断することを特徴とする。

上記の構成によれば、規定信号に従って動作する駆動源の目標位置に到達するまでの動作時間に基づいて、動力伝達部材に異常があるか否かを判断することができる。また、駆動源の動作位置を検出する検出器からの検出信号を利用し、駆動源の目標位置に到達するまでの動作時間を監視するので、先端動作部の実際の動作状態を検出することなく、簡便に異常の有無を判断できる。また、駆動源の動作時間が許容範囲内にあるかどうかによって異常の有無を判断するので、複雑な演算処理を要せずに、簡便に異常の有無を判断できる。

上記の医療用マニピュレータにおいて、前記コントローラは、前記異常診断において、前記動作時間が前記許容範囲より遅い場合には、前記動力伝達部材に異常があると判断するとよい。

上記の医療用マニピュレータにおいて、前記コントローラは、システム起動後、前記先端動作部の動作に係る操作指令の入力を無効とした状態で、自動的に前記異常診断を行い、前記動力伝達部材に異常があると判断した場合には、前記医療用マニピュレータの使用を制限するとよい。

上記の構成によれば、使用前点検として自動的に異常診断を行い、異常がある場合にはマニピュレータの使用が制限されるため、動力伝達部材に異常があるマニピュレータの使用を未然に防止することができる。

上記の医療用マニピュレータにおいて、前記先端動作部を先端に設けた作業部と、前記駆動源を含み前記作業部が着脱自在に装着される操作部と、前記作業部の前記操作部に対する着脱状態を検出する着脱検出機構と、をさらに有し、前記コントローラは、前記作業部が前記操作部に装着されたことを認識した後、前記先端動作部の動作に係る操作指令の入力を無効とした状態で、自動的に前記異常診断を行い、前記動力伝達部材に異常があると判断した場合には、前記医療用マニピュレータの使用を制限するとよい。

上記の構成によれば、作業部が操作部に対して着脱可能な構成の場合に、作業部が装着されたことを認識した後に自動的に異常診断を行い、異常がある場合にはマニピュレータの使用が制限されるため、動力伝達部材に異常があるマニピュレータの使用を未然に防止することができる。

上記の医療用マニピュレータにおいて、前記作業部には、前記作業部の個体識別情報を保持するＩＤ保持部が設けられ、前記操作部には、前記ＩＤ保持部の前記個体識別情報を検出するＩＤ検出部が設けられ、前記コントローラは、前記規定信号に従って動作する前記駆動源の動作時間に関して基準時間に対する時間差と前記異常診断における合否とを対応づけたデータテーブルを記憶し、または前記データテーブルにアクセス可能であり、前記異常診断において、前記操作部に装着された前記作業部の種類に対応した前記データテーブルを参照するとよい。

上記の構成によれば、作業部の種類によって基準時間に対する時間差の許容範囲が異なる場合でも、作業部の種類に応じたデータテーブルを参照することで、適切な異常診断を行うことができる。

なお、上記の医療用マニピュレータにおいて、前記動力伝達部材はワイヤであってもよい。

本発明に係る医療用マニピュレータによれば、駆動源から先端動作部に駆動力を伝達する動力伝達経路上に設けられた可撓性を有する動力伝達部材の異常の有無を判断できる。

本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータの斜視図である。 操作部と作業部とが分離した状態の医療用マニピュレータを示す一部省略側面図である。 駆動部の駆動力を姿勢変更機構に伝達するための機構の模式構造図である。 規定信号に従って動作するモータの動作角度の時間変化を示す図である。 基準時間に対する時間差と、異常判定における合否とを対応づけたデータテーブルを示す図である。 異常診断を行う際の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明に係る医療用マニピュレータ（以下、マニピュレータという。）について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るマニピュレータ１０の斜視図である。マニピュレータ１０は、先端に設けられた先端動作部１２で生体の一部を把持しまたは生体に触れて、所定の処置を行うための医療用の器具であり、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。

マニピュレータ１０は、医療用器具を構成するマニピュレータ本体１１と、マニピュレータ本体１１にケーブル２８を介して接続されたコントローラ２９とを備える。マニピュレータ本体１１は、ボディ２１と、ボディ２１から延出するシャフト１８と、シャフトの先端に設けられた先端動作部１２とを有する。

以下の説明では、シャフト１８の延在方向をＺ方向と規定し、さらに、シャフト１８の前方（先端側）をＺ１方向、後方（根元側）をＺ２方向と規定する。また、Ｚ方向に直角な方向であって、マニピュレータ本体１１を図１の姿勢にしたときのマニピュレータ本体１１を基準とした左右方向をＸ方向とし、特に、マニピュレータ本体１１の左側方向をＸ１方向、右側方向をＸ２方向と規定する。また、Ｚ方向に直角な方向であって、マニピュレータ本体１１を図１の姿勢にしたときのマニピュレータ本体１１の上下方向をＹ方向とし、特に、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向と規定する。

なお、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本体１１が基準姿勢（中立姿勢）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、マニピュレータ本体１１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勿論である。

マニピュレータ本体１１は、人手によって把持および操作される操作部１４と、該操作部１４に対して着脱自在な作業部１６とを有する。操作部１４は、上述したボディ２１の一部を構成し、筐体を構成しＺ１方向およびＹ２方向に略Ｌ字状に延在する左右一対の上部カバー２５ａ、２５ｂと、上部カバー２５ａ、２５ｂ内に収容された駆動部３０と、人手によって操作される複合入力部（操作入力部）２４とを有する。

駆動部３０は、２つのモータ（駆動源）５０ａ、５０ｂを有し、モータ５０ａ、５０ｂの駆動力が先端動作部１２に機械的に伝達されることで、エンドエフェクタ１９の姿勢を変更できるように構成されている。

モータ５０ａ、５０ｂには、それぞれエンコーダ（検出器）５１ａ、５１ｂが付帯して設けられており、各エンコーダ５１ａ、５１ｂによりモータ５０ａ、５０ｂの回転角度（動作位置）が検出され、その検出信号をフィードバック信号として、コントローラ２９によりモータ５０ａ、５０ｂがフィードバック制御される。

操作部１４の基端側でＹ２方向に延びた部分は、人手によって把持されるグリップハンドル２６として構成されている。複合入力部２４は、グリップハンドル２６の上部の傾斜面に設けられており、回転操作部９０に対する左右方向への回動操作および傾動操作部９２に対する傾動操作を単独または複合的に行うことで、その操作に応じた信号がコントローラ２９に送信され、コントローラ２９が駆動部３０の駆動を制御することにより、先端動作部１２の姿勢変更が行われる。

作業部１６は、Ｚ方向で略対称に分割された一対の下部カバー３７ａ、３７ｂを筐体としており、上記の先端動作部１２と、この先端動作部１２を先端に設けた長尺且つ中空のシャフト１８と、このシャフト１８の基端側が固定され、下部カバー３７ａ、３７ｂ内に収容されたプーリボックス３２と、プーリボックス３２の後方に設けられ、トリガ軸３９を支点としてＸ方向の軸心を中心に回動可能に軸支されたトリガレバー３６とを有する。下部カバー３７ａ、３７ｂ、プーリボックス３２およびトリガレバー３６は、上述したボディ２１の一部を構成する。

作業部１６は、操作部１４に設けられた左右一対の着脱レバー４０、４０によって当該操作部１４と連結・固定されると共に、着脱レバー４０の開放操作によって操作部１４から分離可能であり、特別な器具を用いることなく、手術現場で容易に交換作業等を行うことができる。

先端動作部１２は、トリガレバー３６の操作に基づいて開閉動作するエンドエフェクタ１９と、複合入力部２４の操作に基づいてエンドエフェクタ１９の姿勢を変化させる姿勢変更機構１３とを有する。エンドエフェクタ１９は、例えば、生体の一部や縫合用の針を把持するグリッパ、生体の一部を切断するハサミ等として、所定の開閉動作軸を基準に開閉動作可能に構成される。

先端動作部１２およびシャフト１８は細径に構成されており、患者の腹部等に装着された円筒形状のトラカール２０を通して体腔２２内に挿入可能であり、複合入力部２４およびトリガレバー３６の操作によって体腔２２内で患部切除、把持、縫合および結紮等の様々な手技を行うことができる。

トリガレバー３６は、操作者の手指が引っ掛けられるように構成されたトリガ操作子３６ｂと、トリガ操作子３６ｂの上部に設けられたアーム部３６ａとを有し、アーム部３６ａの箇所でトリガ軸３９に軸支されることで、Ｘ方向の軸線を中心として前後方向（Ｚ方向）に揺動可能に配置されている。

エンドエフェクタ１９の開閉動作は、人手によるトリガレバー３６の操作（押し引き操作）に基づく力が機械的に伝達されることで行われる。具体的には、作業部１６の内部には、ロッド、ワイヤ（動力伝達部材）、プーリ等から構成される伝達機構が設けられており、トリガレバー３６の押し引き操作が、伝達機構によりエンドエフェクタ１９の開閉動作に変換されるようになっている。このような伝達機構としては、例えば、特開２００８−１０４８５５号公報や特開２００９−１０６６０６号公報に記載された構成と同様の構成を採用し得る。

姿勢変更機構１３は、先端を指向するロール軸（動作軸）を基準に回転するロール動作と、Ｙ方向のヨー軸（動作軸）を基準に傾動するヨー動作（傾動動作）とが可能であり、ロール動作と傾動動作とを選択的にまたは複合的に行うことが可能である。従って、先端動作部１２は、エンドエフェクタ１９の開閉動作、ロール動作およびヨー動作からなる３軸の動作が可能である。なお、先端動作部の中立姿勢時におけるロール軸は、Ｚ軸と一致する。

本実施形態の場合、エンドエフェクタ１９の姿勢変更の動作（ロール動作およびヨー動作）は、回転操作部９０および傾動操作部９２を有する複合入力部２４の操作に基づいてモータ５０ａ、５０ｂが駆動し、モータ５０ａ、５０ｂの駆動力が先端動作部１２に機械的に伝達されることで行われる。図示例のマニピュレータ本体１１では、回転操作部９０に対して左右方向の回転操作を行うことで、先端動作部１２のロール動作が行われ、傾動操作部９２に対して傾動操作を行うことで、先端動作部１２のヨー動作が行われる。

コントローラ２９は、マニピュレータ本体１１を総合的に制御する制御部であって、グリップハンドル２６の下端部から延在するケーブル２８と接続される。コントローラ２９の機能の一部または全部は、例えば操作部１４に一体的に搭載することもできる。コントローラ２９は、例えば、第１ポート２７ａ、第２ポート２７ｂおよび第３ポート２７ｃを備えており、３台のマニピュレータ本体１１を独立的に同時に制御することができる。

図２は、操作部１４と作業部１６とが分離した状態のマニピュレータ本体１１を示す一部省略側面図である。図２に示すように、駆動部３０は、上述したモータ５０ａ、５０ｂと、モータ５０ａ、５０ｂの回転方向を変換して作業部１６側に伝達するギア機構部５４とを有する。ギア機構部５４は、モータ５０ａ、５０ｂの出力軸５６ａ、５６ｂにそれぞれ固定された駆動傘歯車５８ａ、５８ｂと、駆動傘歯車５８ａ、５８ｂと噛み合う従動傘歯車６２ａ、６２ｂとを有する。

従動傘歯車６２ａ、６２ｂには、それぞれ駆動軸６０ａ、６０ｂが固定されている。駆動軸６０ａ、６０ｂは、Ｘ方向に離間して互いに平行に配置されるとともに、図示しないベアリングによって回転可能に軸支されている。駆動軸６０ａ、６０ｂの下端部には、例えば断面波形状の係合凸部６４ａ、６４ｂがそれぞれ設けられている。

プーリボックス３２には、プーリ７０ａ、７０ｂが設けられている。このプーリ７０ａ、７０ｂは、作業部１６が操作部１４に装着された状態で、駆動軸６０ａ、６０ｂに対して同軸である。プーリ７０ａ、７０ｂの上端には、プーリボックス３２の上面から露出した、例えば断面波形状の係合凹部７４ａ、７４ｂが設けられている。従って、操作部１４と作業部１６との装着時、係合凸部６４ａ、６４ｂと係合凹部７４ａ、７４ｂとが係合し、これにより、駆動軸６０ａ、６０ｂからの回転駆動力をプーリ７０ａ、７０ｂへと伝達することができる。なお、係合凸部６４ａや係合凹部７４ａの係合構造は他の構造であってもよい。

プーリ７０ａ、７０ｂには、それぞれ、動力伝達部材としてのワイヤ８０ａ、８０ｂが巻き掛けられている。プーリボックス３２内で、プーリ７０ａ、７０ｂのＺ１方向側には、Ｘ方向に離間してアイドルプーリ７２ａ、７２ｂが配置されており、ワイヤ８０ａ、８０ｂはそれぞれ、これらのアイドルプーリ７２ａ、７２ｂにガイドされている。これらのワイヤ８０ａ、８０ｂは、シャフト１８内に挿通されており、先端動作部１２（図１参照）に設けられた姿勢変更機構１３に駆動力を伝達する。これにより、駆動軸６０ａ、６０ｂからの回転駆動力が、プーリ７０ａ、７０ｂ、前記ワイヤ８０ａ、８０ｂを介して姿勢変更機構１３に伝達され、エンドエフェクタ１９の姿勢変更が行われる。

操作部１４には、作業部１６の着脱を検出する着脱検出機構４２が設けられている。この着脱検出機構４２は、センサドグとして機能する検出シャフト４３と、検出シャフト４３の一端部（上端部）を検出する検出部４４とを有する。検出シャフト４３は、操作部１４内でＹ方向に移動自在に支持され、図示しないコイルバネによってＹ２方向（図２で下方）に弾性的に付勢されるとともに、図示しないスナップリングによって抜け止めがなされている。

検出部４４は、例えば、対向配置された投光器および受光器からなるフォトセンサで構成することができ、このようなフォトセンサでは、投光器と受光器との間に検出シャフト４３が進入して光路を遮断することで、検出シャフト４３の存在が検出される。着脱検出機構４２は上記のように構成されているため、作業部１６が操作部１４に装着されると、検出シャフト４３が作業部１６によりＹ１方向に押圧されて移動し、検出部４４により検出シャフト４３の上端が検出される。コントローラ２９は、検出部４４からの信号に基づいて、作業部１６が操作部１４に装着されたことを認識する。

プーリボックス３２とアーム部３６ａとの間の位置には、トリガ軸３９の両端を支持する一対の支持プレート４５、４５間にＩＤ表示プレート４６が架設して固定されている。ＩＤ表示プレート４６の表面には、作業部１６に係る各種情報を保持するＩＤ保持部４８として、作業部１６に係る各種情報の内容に対応した画像パターンを表示する表示手段４８Ａが設けられている。表示手段４８Ａは、下部カバー３７ａ、３７ｂの上面に形成された切欠き部５２を通して、作業部１６の上方に露出している。

表示手段４８Ａとしては、幅の異なる白色および黒色の線が交互に配列して印刷された一次元バーコード、または桝目に従って白色部および黒色部が印刷されたＱＲコード（登録商標）のようなマトリクス型二次元コードを採用し得る。表示手段４８Ａには、作業部１６の個体識別情報（ＩＤ）、型式、仕様、タイムスタンプ（製造日等）やシリアルナンバー、使用回数、使用制限回数等の情報が含まれている。表示手段４８Ａが保持している個体識別情報は、作業部１６毎に識別が可能なように異なる値が付与されている。

操作部１４の内部には、表示手段４８Ａを検出するためのＩＤ検出部５４として、表示手段４８Ａを撮像するためのカメラ（撮像手段）５４Ａが配設されている。また、操作部１４において、作業部１６が操作部１４に装着された状態で表示手段４８Ａに対向する位置に、光を透過する部材からなる撮影窓５６が設けられ、さらに、撮影窓５６を介して表示手段４８Ａからの光（像）をカメラ５４Ａに向けて反射させるミラー５５が設けられている。このため、表示手段４８Ａは、鏡像となってカメラ５４Ａにより撮像される。なお、カメラ５４Ａの近傍には、図示しないＬＥＤが設けられており、表示手段４８Ａは、ミラーを介してＬＥＤにより照明される。このようなＬＥＤは、十分な光量が得られるように複数設けられるとよい。

本実施の形態に係るマニピュレータ１０は、上記のように構成されたＩＤ保持部４８（表示手段４８Ａ）とＩＤ検出部５４（カメラ５４Ａ）とを備えるため、作業部１６が操作部１４に装着されると、コントローラ２９による制御作用下に、ＩＤ検出部５４がＩＤ保持部４８から個体識別情報を検出する。具体的には、カメラ５４Ａが表示手段４８Ａを撮像して、その画像に対応した信号をコントローラ２９に送信する。コントローラ２９は、カメラ５４Ａより送信された信号を解析して作業部１６の個体識別情報を認識する。

これにより、コントローラ２９が作業部１６を識別し、さらに、操作指令の入力が有効になると、複合入力部２４への操作に従って作業部１６を動作させることが可能な状態となる。コントローラ２９は、作業部１６の種類（例えば、グリッパやはさみ、電気メス）に応じて、適切に且つ正確にモータ５０ａ、５０ｂ等を駆動制御する。

図３は、姿勢変更機構１３、第１動力伝達機構１１２ａおよび第２動力伝達機構１１２ｂの模式構造図である。姿勢変更機構１３は、シャフト１８の軸線と非平行なヨー軸（傾動軸）Ｏｙを中心に回動可能な主軸部材１００と、主軸部材１００の軸線と一致するロール軸Ｏｒを中心に回転自在に主軸部材に支持されたギア体１０２と、ギア体１０２と噛み合いヨー軸Ｏｙを中心に回転自在に支持された歯車体１０４とを有する。

主軸部材１００は、シャフト１８の先端部に設けられた軸１０６によってヨー軸Ｏｙを中心に回転可能である。主軸部材１００の前部は、円筒形の筒部１００ａとして構成されており、主軸部材１００の基端部には、ワイヤ８０ａが巻き掛けられた従動プーリ１００ｂが一体的に設けられている。ワイヤ８０ａは、その一部が所定の固定手段によって従動プーリ１００ｂに固定されることで、従動プーリ１００ｂとの間ですべりが生じることが防止されている。

主軸部材１００は、ヨー軸Ｏｙを中心に回動することが可能であるため、従動プーリ１００ｂがワイヤ８０ａにより回転駆動されることで、従動プーリ１００ｂが一体的に設けられた主軸部材１００がヨー軸Ｏｙを中心に回動する。

ギア体１０２は、先端カバー１０８に固定されるとともに、ロール軸Ｏｒ（図３参照）を中心として回転可能かつロール軸Ｏｒ方向には移動が拘束された状態で主軸部材１００の筒部１００ａの外周に支持されている。ギア体１０２のＺ２方向端面には、歯車１０４ｂと噛み合うフェイスギア１１０が設けられている。

歯車体１０４は、ワイヤ８０ｂが巻き掛けられ従動プーリ１０４ａと、該従動プーリ１０４ａの上部に同心状に設けられた歯車１０４ｂとを有し、軸１０６により回転可能に支持されている。従動プーリ１０４ａに巻き掛けられたワイヤ８０ｂは、その一部が所定の固定手段によって従動プーリ１０４ａに固定されることで、従動プーリ１０４ａとの間ですべりが生じることが防止されている。

上記のように構成された姿勢変更機構１３において、ワイヤ８０ａの駆動作用下に従動プーリ１００ｂを回転させると、従動プーリ１００ｂが一体的に設けられた主軸部材１００がヨー軸Ｏｙを中心に回動するとともに、ギア体１０２、先端カバー１０８およびエンドエフェクタ１９が主軸部材１００と一体的にヨー軸Ｏｙを中心として傾動する。すなわち、姿勢変更機構１３のヨー動作が行われる。

一方、ワイヤ８０ｂの駆動作用下に歯車体１０４を回転させると、歯車体１０４と噛み合うギア体１０２がロール軸Ｏｒを中心に回転するとともに、先端カバー１０８およびエンドエフェクタ１９がギア体１０２と一体的にロール軸Ｏｒを中心として回転する。すなわち、姿勢変更機構１３のロール動作が行われる。

第１動力伝達機構１１２ａは、一方のモータ５０ａの駆動力を、主軸部材１００を動作させるように、主軸部材１００に機械的に伝達する機構である。したがって、上述したギア機構部５４、係合凸部６４ａ、係合凹部７４ａ、プーリ７０ａおよびワイヤ８０ａは、第１動力伝達機構１１２ａの構成要素である。

第２動力伝達機構１１２ｂは、他方のモータ５０ｂの駆動力を、ギア体１０２を回転させるように、ギア体１０２に機械的に伝達する機構である。したがって、上述したギア機構部５４、係合凸部６４ｂ、係合凹部７４ｂ、プーリ７０ｂおよびワイヤ８０ｂは、第２動力伝達機構１１２ｂの構成要素である。

上述したワイヤ８０ａ、８０ｂは、通常、剛性の高い材料（金属材料等）により構成されるが、マニピュレータ１０の使用回数の増大に伴って伸びが発生したり、何らかの原因で過大な負荷がかかることで損傷を受けたりすることがある。このような場合、先端動作部１２に無駄な動作が生じるか、あるいは、規定された動作を満足できない等の事態が生じることが懸念される。したがって、マニピュレータ１０の使用が開始される前にワイヤ８０ａ、８０ｂの状態を確認し、異常がある場合には、異常の存在を報知したり、使用を制限したりすることが望ましい。

そこで、本実施形態に係るマニピュレータ１０では、使用前の点検（始業前点検）として自動的にワイヤ８０ａ、８０ｂに異常（伸び、損傷等）が無いかどうかを判断する異常診断を行う。より具体的には、コントローラ２９は、テスト動作として異常診断用の規定信号に従ってモータ５０ａ、５０ｂを動作させ、エンコーダ５１ａ、５１ｂからの信号に基づいて、規定信号に従って動作するモータ５０ａ、５０ｂの動作角度を監視し、モータ５０ａ、５０ｂが目標動作角度に達するのに要する動作時間に基づいて、ワイヤ８０ａ、８０ｂの異常の有無を判断する。なお、以下では、代表的に一方のワイヤ８０ａの異常診断について説明するが、他方のワイヤ８０ｂについても同様の考え方を適用することにより、同様にして異常診断を行うことができる。

作業部１６の製作時、ワイヤ８０ａは、規定張力（所望の動作をするように設定された適正な張力）でプーリ間に張られるが、作業部１６の使用回数の増大による伸び、あるいは、過大な負荷による損傷が発生した場合には、ワイヤ８０ａの張力が低下する。ここで、図４は、ワイヤ８０ａが規定の張力で張られているとき（正常時）と、ワイヤ８０ａに伸びや損傷があるとき（異常時）の各々について、規定信号に従って動作するモータ５０ａの動作角の時間変化の例を示す図である。

ワイヤ８０ａに伸びや損傷がある異常時では、ワイヤ８０ａの張力が正常時よりも低くなる。このため、正常時と比較して、プーリ等の回転抵抗が低下することにより、第１動力伝達機構１１２ａを駆動するのに要する力、すなわちモータ５０ａに対する負荷が低下する。この結果、モータ５０ａの動作速度が上がり、図４に示すように、正常時と比較して、目標動作角度θｔに到達するまでの動作時間が早くなる。本実施形態に係るマニピュレータ１０では、このような動作時間の時間差Ｔｄに基づいて、ワイヤ８０ａの異常診断を行う。

目標動作角度θｔに到達するまでのモータ５０ａの動作時間は、ワイヤ８０ａの張力に応じて変動する。この対応関係を予め調べておくことにより、ワイヤ８０ａが規定張力で張られているときのモータ５０ａの動作時間（以下、基準時間という）Ｔ０と、テスト動作時のモータ５０ａの動作時間Ｔ１との時間差Ｔｄから、ワイヤ８０ａの張力を推定することができる。そこで、図５に示すように、基準時間Ｔ０に対する時間差と、異常判定の合否とを対応づけたデータテーブル１２０を作成し、これをコントローラ２９の記憶部に記憶させておく。なお、コントローラ２９が共通管理手段（ホストコンピュータ、サーバ等）に接続可能である場合には、共通管理手段の記憶部に記憶させておき、そこから読み出したデータテーブル１２０を参照してもよい。

図５に示した例は、ワイヤ８０ａの規定張力が５０［Ｎ］であるときのモータ５０ａの動作時間を基準時間Ｔ０とし、この基準時間Ｔ０に対する各時間差Ｔｄに対して異常診断の合否を対応づけたものである。また、図５の例では、基準時間Ｔ０よりも早い側を正の時間差とし、基準時間Ｔ０よりも遅い側を負の時間差として定義している。

ワイヤ８０ａの張力には、規定張力を基準とした前後に適正な範囲があり、この範囲から外れた場合には、伸びや損傷等の何らかの異常が発生しているとみなすことができる。上述したように、基準時間Ｔ０に対する時間差からワイヤ張力を推定することができるため、時間差Ｔｄが、適正な範囲内のワイヤ張力に対応するものであるときは、ワイヤ８０ａは正常であると判断でき、適正なワイヤ張力の範囲から外れた張力に対応するものであるときは、ワイヤ８０ａに異常が発生していると判断できる。図５では、時間差Ｔｄが５［ｍｓｅｃ］を超える場合または−５［ｍｓｅｃ］を下回る場合には、異常であると判断する例を示している。

本実施形態に係るマニピュレータ１０では、以下のようにしてワイヤ８０ａの異常診断を行う。図６は、異常診断を行う際のコントローラ２９での処理の流れを示すフローチャートである。

本実施形態において、ワイヤ８０ａが配設された作業部１６は、操作部１４に対して着脱可能な構成であるが、ワイヤ８０ａの異常診断を行うには、作業部１６を操作部１４に装着し、モータ５０ａによりワイヤ８０ａを介して先端動作部１２を動作させる必要がある。そのため、まず、コントローラ２９は、作業部１６が操作部１４に装着されたか否かを確認する（ステップＳ１）。マニピュレータ本体１１には、着脱検出機構４２が設けられており、作業部１６が操作部１４に装着されると、コントローラ２９は、検出部４４からの信号に基づいて、作業部１６が操作部１４に装着されたことを認識する。

作業部１６が装着されたことを認識したら（ステップＳ１でＹＥＳ）、ＩＤ検出部５４がＩＤ保持部４８から個体識別情報を検出し、コントローラ２９において、カメラ５４Ａより送信された信号を解析して作業部１６の個体識別情報を認識する（ステップＳ２）。このとき、コントローラ２９は、複合入力部２４に対する入力操作に基づく操作指令の入力を無効としておく。すなわち、この時点で複合入力部２４を操作しても、その操作指令は無効とされ、コントローラ２９によるモータ５０ａ、５０ｂの駆動制御は行われない。

作業部１６の個体識別情報を認識したら、異常診断のためのテスト動作として、規定信号に従ってモータ５０ａを駆動する（ステップＳ３）。この規定信号は、テスト動作用にモータ５０ａを規定角度だけ動作させるための制御信号である。テスト動作用にモータ５０ａを動作させる規定角度は、上述した基準時間Ｔ０に対する時間差Ｔｄに基づいて異常の有無を判断するのに必要十分な角度（例えば、６０度）に設定するのがよい。

モータ５０ａを動作させるのと並行して、エンコーダ５１ａからの信号に基づいて、規定信号に従って動作するモータ５０ａの動作角度を監視し、モータ５０ａが目標値（目標角度）に到達するまでの時間（動作時間Ｔ１）を測定する（ステップＳ４）。この測定は、コントローラ２９が有する時計機能を利用する。そして、このときの動作時間Ｔ１について、規定張力時のモータ５０ａの動作時間である基準時間Ｔ０に対する時間差を演算し、予め定めた適正範囲内にあるか否かによって異常の有無を判断する（ステップＳ５）。

具体的には、時間差Ｔｄが、適正範囲内（下限閾値以上かつ上限閾値以下）である場合には、正常（異常なし）であると判断し、複合入力部２４に対する入力操作に基づく操作指令の入力を有効にする（ステップＳ６）。したがって、操作者が複合入力部２４への入力操作を行うと、コントローラ２９の制御作用下にモータ５０ａ、５０ｂが駆動制御され、先端動作部１２が動作する。すなわち、マニピュレータ本体１１の使用が許可される。

一方、ステップＳ５において、時間差Ｔｄが、適正範囲外である場合には、ワイヤ８０ａ、８０ｂに異常があると判断し、所定の異常対応処理を行う（ステップＳ７）。この異常対応処理として、本実施形態では、異常があることを、コントローラ２９の表示部に表示する等によって使用者に報知するとともに、操作指令の入力を無効のままとする。したがって、操作者が複合入力部２４への入力操作を行っても、コントローラ２９によるモータ５０ａ、５０ｂの駆動制御はなされず、先端動作部１２は動作しない。すなわち、マニピュレータ本体１１の使用が許可されず、強制的に使用不能となる。

なお、上記では代表的に一方のワイヤ８０ａの異常診断について説明したが、他方のワイヤ８０ｂについても上記と同様の手順に従って異常診断を行うことができる。すなわち、他方のワイヤ８０ｂについての異常診断では、コントローラ２９は、異常診断用の規定信号に従ってモータ５０ｂを動作させ、エンコーダ５１ｂからの信号に基づいて、規定信号に従って動作するモータ５０ｂの動作角度を監視し、モータ５０ｂが目標角度に達するのに要する動作時間に基づいて、ワイヤ８０ｂの異常の有無を判断する。

本実施形態に係るマニピュレータ１０のように、複数のワイヤ８０ａ、８０ｂが設けられる場合、複数のワイヤ８０ａ、８０ｂの異常診断は、時間をずらして行ってもよいが、同時並行的に行えば、異常診断に要する時間を短縮化でき、マニピュレータ１０を迅速に使用可能な状態にすることができる。

以上のように、本実施形態に係るマニピュレータ１０によれば、規定信号に従って動作するモータ５０ａ、５０ｂの目標角度に到達するまでの動作時間に基づいて、ワイヤ８０ａ、８０ｂに異常があるか否かを簡易に判断することができる。また、モータ５０ａ、５０ｂの動作時間が許容範囲内にあるかどうかによって異常の有無を判断するので、複雑な演算処理を要せずに、ワイヤ８０ａ、８０ｂの異常の有無を簡便に判断できる。さらに、マニピュレータ１０の始業前点検として自動的に異常診断を行い、異常がある場合にはマニピュレータ１０の使用が強制的に制限されるため、ワイヤ８０ａ、８０ｂに異常があるマニピュレータ１０の使用を未然に防止することができる。

ワイヤ８０ａ、８０ｂの異常を診断する他の方法として、モータ５０ａ、５０ｂの駆動に対する先端動作部１２の動作の遅れ時間を計測することが考えられるが、先端動作部１２は狭く小さい構造であるため、その動作状態を直接検出するセンサを先端動作部１２に設けることは相当に困難である。これに対し、本発明では、モータ５０ａ、５０ｂの動作角度を検出するエンコーダ５１ａ、５１ｂからの検出信号を利用し、モータ５０ａ、５０ｂの目標角度に到達するまでの動作時間を判断基準としているので、先端動作部１２の実際の動作状態を検出することなく、簡便にワイヤ８０ａ、８０ｂ異常の有無を判断できる。

異常診断に用いるモータ５０ａ、５０ｂの動作角度の検出は、モータ５０ａ、５０ｂをフィードバック制御するために設けられたエンコーダ５１ａ、５１ｂからの検出信号をそのまま利用するので、異常診断用に専用のエンコーダを追加する必要がなく、装置構成の複雑化やコスト増大を招くことがない。

本実施形態に係るマニピュレータ１０は、作業部１６と操作部１４とが着脱可能な構成であるが、コントローラ２９が作業部１６の装着を認識した後に自動的に異常診断を行い、異常がある場合にはマニピュレータ１０の使用が制限されるため、ワイヤ８０ａ、８０ｂに異常があるマニピュレータ１０の使用を未然に防止することができる。

１回の手術において作業部１６を何度か着脱する必要がある場合、装着のたびに異常診断を行ったのでは無駄に多くの異常診断を行うことになり、非効率である。そこで、このような無駄な異常診断の実施を防止するため、一定条件下では異常診断を省略してもよい。すなわち、コントローラ２９は、作業部１６が装着されたときに、その作業部１６が最後に使用された時刻からの経過時間を調べ、最後に使用された時刻からの経過時間が設定時間（例えば、１回の手術時間として考えられる最大の時間）以内であるときは、異常診断を省略してもよい。

なお、この場合、コントローラ２９は、作業部１６が最後に使用された時刻を、コントローラ２９に内蔵された不揮発性記憶媒体（フラッシュメモリ、ハードディスク等）からなる記憶部に記憶しておき、作業部１６が装着されたときに、最後に使用された時刻からの経過時間を計算する。複数のコントローラ２９がアクセス可能な共通管理手段（ホストコンピュータ、サーバ等）がある場合、作業部１６が最後に使用された時刻は、そのような共通管理手段が有する記憶部に記憶されてもよい。

本実施形態に係るマニピュレータ１０のように、複数のワイヤ８０ａ、８０ｂがそれぞれモータ５０ａ、５０ｂにより駆動される構成の場合において、モータ５０ａ、５０ｂによって基準時間に対する時間差の適正範囲が異なるときは、モータ５０ａ、５０ｂ毎に別々のデータテーブル１２０を用意（作成）し、これらのデータテーブル１２０をコントローラ２９または共通管理手段に記憶しておき、上述した異常診断において、モータ５０ａ、５０ｂ毎に対応するデータテーブル１２０を参照して、ワイヤ８０ａ、８０ｂの異常の有無の判断をしてもよい。

本実施形態に係るマニピュレータ１０のように、作業部１６が着脱可能であり、作業部１６の種類（型式）によって基準時間に対する時間差の適正範囲が異なる場合、作業部１６の種類毎に別々のデータテーブル１２０を用意（作成）し、これらのデータテーブル１２０をコントローラ２９または共通管理手段に記憶しておき、上述した異常診断において、作業部１６毎に対応するデータテーブル１２０を参照して、ワイヤ８０ａ、８０ｂの異常の有無の判断をしてもよい。

上記では、コントローラ２９が作業部１６の個体識別情報を認識した後に、ワイヤ８０ａ、８０ｂの異常診断を行ったが、異常診断において、作業部１６の種類に関わらず同一のデータテーブル１２０を参照する場合には、作業部１６の装着後で、作業部１６の個体識別情報を認識する前に異常診断を行ってもよい。

本実施形態に係るマニピュレータ１０は、作業部１６が操作部１４に着脱可能に構成されているが、作業部１６と操作部１４とが分離不可能であり両者が一体的に構成されてもよい。この場合、上述した作業部１６の装着の確認と、作業部１６の個体識別情報の取得および認識が不要であるため、マニピュレータ本体１１の電源スイッチ３４（図１参照）を入れたときに、上述した異常診断を行ってもよい。あるいは、マニピュレータ本体１１に電源スイッチ３４がない場合には、コントローラ２９の電源を入れたときに、上述した異常診断を行ってもよい。

本実施形態に係るマニピュレータ１０は、トリガレバー３６の動きが機械的に伝達されることでエンドエフェクタ１９が開閉する構成が採用されているが、トリガレバー３６の動きをセンサにより検出して、その検出信号に基づいてモータ５０ａ、５０ｂを駆動することでエンドエフェクタ１９を開閉動作させる構成を採用してもよい。このような構成において、モータ５０ａ、５０ｂからエンドエフェクタ１９までの動力伝達経路上にワイヤ（ワイヤ８０ａ、８０ｂとは別のワイヤ）が設けられる場合には、そのようなワイヤに対して、上述したワイヤ８０ａ、８０ｂに対する異常診断と同様の手順で、異常診断を行ってもよい。

上記において、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…医療用マニピュレータ １２…先端動作部
１４…操作部 １６…作業部
２９…コントローラ ４２…着脱検出機構
４８…ＩＤ保持部 ５０ａ、５０ｂ…モータ
５１ａ、５１ｂ…エンコーダ ５４…ＩＤ検出部
８０ａ、８０ｂ…ワイヤ １２０…データテーブル

Claims (6)

1. 駆動源と、
   駆動源の動作位置を検出する検出器と、
   作業を行うエンドエフェクタを含み、少なくとも１つの動作軸を基準として動作する先端動作部と、
   前記駆動源の駆動力を前記先端動作部に機械的に伝達する動力伝達経路上に、張力を付与された状態で配設された可撓性を有する動力伝達部材と、
   前記駆動源を制御するとともに、前記動力伝達部材の異常診断を行うコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記異常診断において、異常診断用の規定信号に従って前記駆動源を動作させ、前記検出器からの信号に基づいて、前記規定信号に従って動作する前記駆動源の動作位置を監視し、前記駆動源が目標位置に達するのに要する動作時間が設定された許容範囲内である場合には、前記動力伝達部材が正常であると判断し、前記動作時間が前記許容範囲より早い場合には、前記動力伝達部材に異常があると判断する、
   ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
2. 請求項１記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記コントローラは、前記異常診断において、前記動作時間が前記許容範囲より遅い場合には、前記動力伝達部材に異常があると判断する、
   ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
3. 請求項１または２記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記コントローラは、システム起動後、前記先端動作部の動作に係る操作指令の入力を無効とした状態で、自動的に前記異常診断を行い、前記動力伝達部材に異常があると判断した場合には、前記医療用マニピュレータの使用を制限する、
   ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
4. 請求項１または２に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記先端動作部を先端に設けた作業部と、
   前記駆動源を含み前記作業部が着脱自在に装着される操作部と、
   前記作業部の前記操作部に対する着脱状態を検出する着脱検出機構と、をさらに有し、
   前記コントローラは、前記作業部が前記操作部に装着されたことを認識した後、前記先端動作部の動作に係る操作指令の入力を無効とした状態で、自動的に前記異常診断を行い、前記動力伝達部材に異常があると判断した場合には、前記医療用マニピュレータの使用を制限する、
   ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
5. 請求項４記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記作業部には、前記作業部の個体識別情報を保持するＩＤ保持部が設けられ、
   前記操作部には、前記ＩＤ保持部の前記個体識別情報を検出するＩＤ検出部が設けられ、
   前記コントローラは、前記規定信号に従って動作する前記駆動源の動作時間に関して基準時間に対する時間差と前記異常診断における合否とを対応づけたデータテーブルを記憶し、または前記データテーブルにアクセス可能であり、前記異常診断において、前記操作部に装着された前記作業部の種類に対応した前記データテーブルを参照する、
   ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記動力伝達部材はワイヤである、
   ことを特徴とする医療用マニピュレータ。

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