JP5788029B2

JP5788029B2 - 医療用マニピュレータ

Info

Publication number: JP5788029B2
Application number: JP2014003213A
Authority: JP
Inventors: 佐野　弘明; 弘明佐野; 秀一上之原
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2014159071A

Description

本発明は、動力伝達部材を介して先端動作部を動作させる医療用マニピュレータに関する。

内視鏡下外科手術（又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、器具の通過ポートとしてトラカール（筒状の器具）を挿入した後、シャフトを有する鉗子の先端部をトラカールを通じて体腔内に挿入して患部の手術を行っている。鉗子の先端部には、作業部として、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。

鉗子による内視鏡下外科手術は、作業空間である体腔内が狭くしかもトラカールを支点として鉗子を操作するため、一定のトレーニングが必要となる。また、従来使用されている鉗子では先端の作業部に関節が無いため、自由度が小さく、先端作業部はシャフトの延長線上での動作しか行うことができない。従って、通常のトレーニングで実施可能な症例には限度があり、他の様々な症例に対して適用するためには相当に高度なトレーニング及び習熟が必要になる。

このような観点から、従来の鉗子を改良し、作業部に複数の関節を有する鉗子の開発が行われている（例えば、引用文献１参照）。このような鉗子、いわゆるマニピュレータでは、従来の鉗子のような制約や不自由がなく、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなる。

前記マニピュレータは、細長い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。）を備える作業部を有し、アクチュエータによって回転駆動される操作部側の駆動プーリと先端動作部側の従動プーリとの間に巻き掛けられたワイヤ（動力伝達部材）を介して当該先端動作部を動作させることができる。

一方、このような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が提案されている（例えば、特許文献２参照）。このような医療用ロボットシステムでは、ジョイスティックやマスターアーム等からなる操作部による遠隔操作が可能であると共に、プログラム制御により様々な動作が可能となる。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２００４−１０５４５１号公報米国特許第６３３１１８１号明細書

上記のようなマニピュレータ及びロボットアームを駆動してマニピュレータを操作する医療用ロボットシステムでは、正確且つ迅速な手技を確保するため、操作部からの入力に対して反応性よく先端動作部が動作することが望ましい。従って、駆動プーリの駆動力がワイヤを介して高精度に従動プーリ側へと伝達される必要がある。

ところが、動力伝達部材であるワイヤが駆動プーリと従動プーリとの間に十分な張力で巻き掛けられていない場合には、確実な動力伝達ができず、操作部による先端動作部の正確かつ迅速な操作が困難になる可能性がある。

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、駆動機構部側から先端動作部側へと迅速且つ高精度に動力伝達を行うことが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。

本発明に係る医療用マニピュレータは、中空のシャフトと、前記シャフト内に挿通され、少なくとも一部に可撓性を有する動力伝達部材と、前記シャフトの一端側に設けられ、前記動力伝達部材の一端側が巻き掛けられる駆動プーリを介して該動力伝達部材に駆動力を付与する駆動機構部と、前記シャフトの他端側に設けられ、前記動力伝達部材の他端側が巻き掛けられる従動プーリを介して該動力伝達部材により動作される先端動作部と、前記駆動プーリを回転自在に支持する支持ブロックと、前記動力伝達部材を前記駆動プーリ及び前記従動プーリに固定する固定機構と、前記駆動プーリと前記従動プーリとの間に巻き掛けられる前記動力伝達部材の張力を調整する張力調整機構と、を備え、前記張力調整機構は、前記駆動プーリと前記従動プーリとの間に巻き掛けられた前記動力伝達部材の一部を押圧するアイドル回転体と、前記アイドル回転体を前記動力伝達部材に対して弾性的に押圧する弾性部材と、前記支持ブロックの内外方向に貫通形成されたねじ孔に螺着されるとともに前記弾性部材を基準として前記アイドル回転体とは反対側で前記弾性部材の弾発力を受ける基体とを有する、ことを特徴とする。

このような構成によれば、例えばワイヤからなる動力伝達部材の張力を調整する張力調整機構を備えたことにより、駆動プーリと従動プーリとの間に当該動力伝達部材を適度な張力を持って巻き掛けておくことができる。従って、駆動機構部から発せられた駆動力が、動力伝達部材でほとんど吸収されず、反応性よく高精度に先端動作部へと伝達されるため、先端動作部を一層正確且つ迅速に動作させることができる。

また、張力調整機構は、駆動プーリと従動プーリとの間に巻き掛けられた動力伝達部材の一部を押圧するアイドル回転体を備えるため、押圧時の摩擦抵抗、すなわちアイドル回転体と動力伝達部材との間の摩擦抵抗を可及的に小さくすることができる。これにより、駆動プーリと従動プーリとの間での動力伝達部材の円滑な移動を確保することができる。

さらに、張力調整機構は、アイドル回転体を動力伝達部材に対して弾性的に押圧する弾性部材を備えるため、動力伝達部材を駆動プーリ及び従動プーリに巻き掛けた際の長さの違いを吸収可能であり、動力伝達部材が経年劣化等によって伸長した際にも、所定の張力を維持することができる。

上記の医療用マニピュレータにおいて、前記張力調整機構は、前記駆動プーリと前記従動プーリとに巻き掛けられた前記動力伝達部材によって形成されるリングの外側から内側に向けて、前記動力伝達部材を押圧してもよい。

本発明によれば、動力伝達部材の張力を調整する張力調整機構を備えたことにより、駆動プーリと従動プーリとの間に当該動力伝達部材を適度な張力を持って巻き掛けておくことができる。これにより、駆動機構部から発せられた駆動力が動力伝達部材でほとんど吸収されず、反応性よく高精度に先端動作部へと伝達されるため、先端動作部を一層正確且つ迅速に動作させることができる。

本実施の形態に係る医療用マニピュレータの斜視図である。作業部と操作指令部とを分離した医療用マニピュレータの一部断面側面図である。先端動作部の斜視図である。複合入力部の表面部を示す図である。図５Ａは、張力調整機構を設けない状態での動力伝達機構を模式的に示した図２中の矢視Ｖ−Ｖ線に沿う一部省略断面図であり、図５Ｂは、張力調整機構を設けた状態での動力伝達機構を模式的に示した図２中の矢視Ｖ−Ｖ線に沿う一部省略断面図である。張力調整機構を設けた状態での動力伝達機構を模式的に示した図５Ｂ中の矢視ＶＩ方向での一部省略側面図である。図５Ｂに示す張力調整機構の拡大平面図である。図５Ｂに示す張力調整機構の第１変形例を示す一部省略断面図である。図５Ｂに示す張力調整機構の第２変形例を示す斜視図である。第３変形例に係る張力調整機構を示す図２中の矢視Ｖ−Ｖ線に沿う一部省略断面図である。図１０に示す張力調整機構の拡大平面図である。図１０に示す張力調整機構の変形例を示す拡大平面図である。医療用マニピュレータをロボットアームの先端に接続した医療用ロボットシステムの斜視図である。

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に示すように、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０は、先端動作部１２に生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うための医療用であり、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、人手によって把持及び操作される操作指令部１４と、該操作指令部１４に対して着脱自在な作業部１６とを有する。

以下の説明では、図１における幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向、及び、連結シャフト４８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１０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１０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。

作業部１６は、作業を行う先端動作部１２と、操作指令部１４のアクチュエータブロック３０に対して接続される接続部１５と、これらの先端動作部１２と接続部１５とを連接する長尺で中空の連結シャフト（シャフト）４８とを有する。作業部１６は、アクチュエータブロック３０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。

先端動作部１２及び連結シャフト４８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。

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ブリッジ２８と、該ブリッジ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。

操作指令部１４のグリップハンドル２６は、ブリッジ２８の端部からＹ２方向に向かって延在しており、人手によって把持されるのに適した長さであり、該グリップハンドル２６の近傍には先端動作部１２の動作等に供される入力手段が設けられている。すなわち、このような入力手段として、グリップハンドル２６に近接したＺ１方向にトリガーレバー３２及びスイッチ３６が設けられ、Ｙ１方向に複合入力部３４及び作動スイッチ３５が設けられている。

作動スイッチ３５のＺ１方向でブリッジ２８の上面における視認しやすい箇所にはＬＥＤ２９が設けられている。グリップハンドル２６の下端部には調圧機構として機能する複数の通気孔４１が設けられている。グリップハンドル２６の下端には、コントローラ４５に接続されるケーブル６２が設けられている。グリップハンドル２６とケーブル６２とはコネクタにより接続されていてもよい。

次に、接続部１５及びアクチュエータブロック３０の構成及び作用について説明する。

図１及び図２に示すように、接続部１５は、樹脂のカバー３７に覆われており、支持ブロック１７により駆動プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃを回転自在に保持している。駆動プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃは、アクチュエータブロック３０に設けられたモータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに係合することで回転源（回転駆動源）として機能する。駆動プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃには、それぞれワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃが、例えば１．５回以上巻き掛けられ、これらワイヤ５４ａ〜５４ｃは連結シャフト４８の中空部分を通って先端動作部１２まで延在している。

図３に示すように、連結シャフト４８内を挿通したワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃは、グリッパ６０を備えた先端動作部１２の従動プーリ（従動回転体）５７等に、例えば１．５回以上巻き掛けられている。先端動作部１２内には、各ワイヤ５４ａ〜５４ｃにそれぞれ対応する複数の従動プーリ５７が設けられている。ワイヤ５４ａ〜５４ｃは同種・同径のものを用いることができ、少なくとも駆動プーリ５０ａ〜５０ｃ側及び従動プーリ５７側に巻き掛けられる部分に可撓性を有する線材からなる。

従って、駆動プーリ５０ａと従動プーリ５７との間にワイヤ５４ａが巻き掛けられた状態で駆動プーリ５０ａ（モータ４０ａ）が回転駆動されると、その回転駆動力がワイヤ５４ａを介して従動プーリ５７へと伝達され、該従動プーリ５７を回転させる。そうすると、従動プーリ５７の回転が、例えば歯車５５、歯車リング６４及び歯車６６へと順次伝達され、グリッパ６０を開閉させることができる。マニピュレータ１０では、このような駆動プーリ５０ａ〜５０ｃ、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ及び従動プーリ５７を備えた動力伝達機構により、先端動作部１２をロール方向（軸回転方向）、ヨー方向（左右方向）及びグリッパ開閉からなる３自由度の機構として構成することができる。

なお、図５Ｂに示すように、各プーリとの間での滑りによる駆動不良を防止するため、駆動プーリ５０ａ（５０ｂ、５０ｃ）と従動プーリ５７との間に巻き掛けられたワイヤ５４ａ（５４ｂ、５４ｃ）の一部は、駆動プーリ５０ａ（５０ｂ、５０ｃ）及び従動プーリ５７に対して図示しないピンや溝等から構成されるワイヤ固定機構５９により固定される。

アクチュエータブロック３０には、先端動作部１２が有する３自由度の機構に対応し、モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃが接続部１５の延在方向に沿って駆動プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに係合可能に並列されている。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おり、モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃは、トリガーレバー３２や複合入力部３４の操作に基づき、コントローラ４５の作用下に回転をする。これにより、上記したように、モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃで発生した駆動力が駆動プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに伝達され、ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃが往復移動されることで先端動作部１２が動作される。このように、アクチュエータブロック３０及び接続部１５、すなわち、モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃや駆動プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃは、動力伝達部材であるワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃに駆動力を付与し、先端動作部１２を動作させる駆動機構部として機能する。

図２に示すように、アクチュエータブロック３０は、作業部１６の接続部１５を保持する２つの独立した係合部２１０と、該接続部１５の位置決め機能及び保持機構を有する３本のアライメントピン２１２とを有する。アライメントピン２１２は、接続部１５側に設けられた嵌合孔２０６に対向する位置で、例えば３本設けられ、それぞれＹ１方向に延在している。このように、アライメントピン２１２は３本設けられていることから、接続部１５は３点で支持され、簡便且つ確実に位置決めを行うことができる。

従って、接続部１５をアクチュエータブロック３０に接続する際には、３つの嵌合孔２０６にアライメントピン２１２が挿入されるようにしてＹ２方向に移動させる。これにより、係合部２１０が先端のテーパ形状によってやや外方向に押されて変位して、接続部１５側の係合片２０７に対して摺動した後、係合し、接続部１５をアクチュエータブロック３０に装着することができる。なお、接続部１５を取り外す際には、係合片２０７を開方向に操作して接続部１５をＹ１方向に持ち上げればよい。

次に、マニピュレータ１０の先端動作部１２を動作させる入力手段である操作指令部１４について説明する。

作動スイッチ３５は、マニピュレータ１０の動作状態の有効又は無効を設定するための入力手段である。ＬＥＤ２９は、マニピュレータ１０の制御状態を示すインジケータであり、操作者が容易に認識可能な大きさであり、且つ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。ＬＥＤ２９は、ブリッジ２８の上面における略中央部で、視認性のよい位置に設けられており、作動スイッチ３５と並んで配置されていることから、例えば、作動スイッチ３５によるＯＮ操作に同期して点灯等をするため、操作者は作動スイッチ３５の操作をしながらその入力状態をＬＥＤ２９により確実に認識することができる。

複合入力部３４は、先端動作部１２に対してロール方向（軸回転方向）及びヨー方向（左右方向）の回転指令を与える複合的な入力手段である。

図４に示すように、複合入力部３４は、正面視で円形で、グリップハンドル２６の上端部とブリッジ２８との接続部の平面部３９に設けられており、親指による操作が容易な位置に配置されている。平面部３９は、複合入力部３４の径よりもやや大きい径の略円環形であり、複合入力部３４の操作をしないときには親指を当てておき、複合入力部３４に触れることなくグリップハンドル２６を確実に保持することができる。平面部３９及び複合入力部３４の表面部は、その法線がＺ２方向とＹ１方向の略中間の方向を指向しており、親指の腹部Ｔを自然に当てることができる。

複合入力部３４は、シャトルリング２００と、該シャトルリング２００の内周側に設けられ、外部へと突出したパッド２０２とを有する。

シャトルリング２００は、左右対称位置に設けられた指当て部であるノブ２０１ａ、２０１ｂを有し、先端動作部１２に対してロール方向の回転指令を与える入力手段であり、シャトルリング２００の操作量が大きいほど、先端動作部１２の回転速度が速まるように設定されている。また、シャトルリング２００の非操作時には、先端動作部１２はロール方向に関して停止している。

シャトルリング２００の動作範囲は、基準位置（中立位置、原点位置）を基準として、例えば±１０°に設定されている。シャトルリング２００の動作範囲は、操作性を考慮して（例えば、微妙な操作が可能なように）ある程度の移動距離を確保すると共に、無理なく操作可能なように腹部Ｔの動作範囲に収めることが好ましい。

一方、パッド２０２は、先端動作部１２に対してヨー方向の傾動指令を与える入力手段であり、パッド２０２の操作量が大きいほど、先端動作部１２の傾動速度が速まるように設定されている。また、パッド２０２の非操作時には、先端動作部１２はヨー方向に関して停止している。パッド２０２は、正面視で上面及び下面が平行で左右両端が円弧形状の突起である。左右の円弧形状はシャトルリング２００の内面に対応した径に設定されている。

パッド２０２は、左右端面を指で操作することにより、左右押し込み方向に容易に傾動可能である。また、パッド２０２は、非操作時には、図示しない弾性部材の弾性力により基準位置に自動的に復帰可能である。

このようなシャトルリング２００及びパッド２０２による入力操作は、操作指令部１４の筐体内部に設けられた図示しない感圧センサ等によって検出され、これにより、図示しない基板等の制御手段を介してモータ４０ａ（駆動プーリ５０ａ）等を駆動し、ワイヤ５４ａ等が駆動されることにより先端動作部１２を動作させることができる。

次に、トリガーレバー３２の構成及び作用について説明する。

図１に示すように、トリガーレバー３２は、ブリッジ２８のやや下方でＺ１方向にやや突出したレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。

トリガーレバー３２は、グリップハンドル２６に対してアーム９１により接続されており、該グリップハンドル２６に対して進退するように構成されている。アーム９１はグリップハンドル２６内で図示しないセンサに接続されており、トリガーレバー３２の進退量が該センサによって計測されてコントローラ４５に供給される。トリガーレバー３２は、先端動作部１２のグリッパ６０の開閉指令を与える入力手段である。すなわち、トリガーレバー３２は、指を当て、グリップハンドル２６の方向（つまり、Ｚ２方向）に向かって引き込む操作と、グリップハンドル２６からＺ１方向に押し出す操作とが可能に構成され、これにより、グリッパ６０へと開閉指令を与えることができる。

なお、トリガーレバー３２のＹ２方向に設けられたスイッチ３６は、オルタネート式であって、該スイッチ３６を操作することによりトリガーレバー３２により所定の開閉状態とされたグリッパ６０の状態、例えば、閉じ状態を保持しておくことができる。

ところで、以上のように駆動プーリ５０ａ〜５０ｃ、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ及び従動プーリ５７からなる動力伝達機構を有するマニピュレータ１０では、正確且つ迅速な手技を確保するため、操作指令部１４からの入力に対して反応性よく高精度に先端動作部１２が動作することが必要である。例えば、トリガーレバー３２の引き込み量に対して、グリッパ６０の開度が正確に対応することが望ましい。

トリガーレバー３２や複合入力部３４の操作に正確に対応して先端動作部１２を動作させるためには、少なくともワイヤ５４ａ〜５４ｃが適度な張力（テンション）を持って駆動プーリ５０ａ〜５０ｃと従動プーリ５７との間に巻き掛けられている必要がある。ワイヤ５４ａ〜５４ｃの張力が不足していると、駆動プーリ５０ａ〜５０ｃからの駆動力が当該ワイヤ５４ａ〜５４ｃで吸収され、従動プーリ５７の動作が緩慢となり、入力手段による先端動作部１２の正確な操作が困難となるからである。

そこで、図５Ｂに示すように、本実施形態に係るマニピュレータ１０では、駆動プーリ５０ａ（５０ｂ、５０ｃ）と従動プーリ５７との間に巻き掛けられたワイヤ５４ａ（５４ｂ、５４ｃ）の張力を調整する張力調整機構６８を備えている。なお、張力調整機構６８は、各ワイヤ５４ａ〜５４ｃに対してそれぞれ設けられ（図２参照）、いずれも同様な構成及び作用であることから、以下ではワイヤ５４ａに適用する場合についての説明を行い、ワイヤ５４ｂ、５４ｃに適用する場合についての説明は省略する。

図５Ｂ、図６及び図７に示すように、張力調整機構６８には、駆動プーリ５０ａと従動プーリ５７との間にリング状に巻き掛けられたワイヤ５４ａの一部を、リングの外周側から内周側に向かう方向（この場合、Ｘ１方向）に押圧するアイドルプーリ（アイドル回転体）７０が備えられる。さらに、張力調整機構６８には、支持ブロック１７の内壁面側に開口形成されたねじ孔７２に対して螺着される基体７４と、周囲にばね（弾性部材）７６が配設されることで、基体７４からワイヤ５４ａ側に向けてＸ方向に弾性的に移動自在に突出する軸部材７８とが設けられる。アイドルプーリ７０は、駆動プーリ５０ａや従動プーリ５７と同様に、軸部材７８の先端にＹ方向を回転軸として回転自在に支承されている。このような張力調整機構６８は、連結シャフト４８内に設けることもできる。

従って、上記のように巻き掛けられたワイヤ５４ａは、その一部がアイドルプーリ７０によって押圧されることにより、図５Ａに示す楕円形の状態（張力調整機構６８がない状態）から、一部が内周方向に湾曲された図５Ｂに示す一部が凹んだ楕円形の状態となる。これにより、ワイヤ５４ａに適度な張力が付与される。この場合、ばね７６のばね定数は、駆動プーリ５０ａと従動プーリ５７との間に巻き掛けられたワイヤ５４ａを適度に押圧し、ワイヤ５４ａの円滑な移動を確保した状態で適度な張力を付与できる程度に設定されるとよい。また、アイドルプーリ７０のワイヤ５４ａへの当接面（外周面）に該ワイヤ５４ａが入る図示しない環状溝を形成しておくと、押圧時のずれを防止して一層簡便にアイドルプーリ７０でワイヤ５４ａを押圧することができる。

図８に示すように、アイドルプーリ７０によるワイヤ５４ａの押圧方向は、当該ワイヤ５４ａのリングの内周側から外周側に向かう方向（Ｘ２方向）とすることもできる。この場合、基体７４は、例えばワイヤ５４ａのリング内に設けた支持部材８０によって固定すればよい。

以上のように、本実施形態に係るマニピュレータ１０では、動力伝達部材であるワイヤの張力を調整する張力調整機構６８を備えたことにより、ワイヤ５４ａ（５４ｂ、５４ｃ）を駆動プーリ５０ａ（５０ｂ、５０ｃ）と従動プーリ５７との間に適度な張力を持って巻き掛けておくことができる。従って、トリガーレバー３２や複合入力部３４の操作による駆動プーリ５０ａ〜５０ｃ（モータ４０ａ〜４０ｃ）の駆動力が、ワイヤ５４ａ〜５４ｃでほとんど吸収されず、反応性よく高精度に先端動作部１２へと伝達される。このため、先端動作部１２を一層正確且つ迅速に動作させることができ、トリガーレバー３２等による先端動作部１２の操作感を向上させることができる。

また、ワイヤ５４ａ〜５４ｃが適度な張力で張られることから、駆動時の張力不足による振動、すなわちワイヤ５４ａ〜５４ｃのばたつき、揺動、無駄な応答遅れ、不感帯の発生やヒステリシス等を抑えて、先端動作部１２の一層円滑な駆動が可能となると共に、マニピュレータ１０の駆動音や振動等を低減することができる。さらに、アイドルプーリ７０は、ばね７６を介して押圧方向に弾性的に支持されているため、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの駆動プーリ５０ａ〜５０ｃ及び従動プーリ５７への巻き掛ける時における長さの違いを吸収可能であり、また、経年劣化等によってワイヤ５４ａ〜５４ｃが伸長した際にも、所定の張力を維持することができる。

張力調整機構６８では、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの押圧手段としてアイドルプーリ７０を用いているので、押圧時の摩擦抵抗、すなわちアイドルプーリ７０とワイヤ５４ａ〜５４ｃとの間の摩擦抵抗を可及的に小さくすることができる。これにより、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの円滑な移動を確保しながらも、当該ワイヤ５４ａ〜５４ｃを適度な張力に維持することができる。しかも、アイドルプーリ７０がばね７６によって弾性的に支持されているため、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの一層円滑な移動を確保することができる。なお、アイドルプーリ７０を省略し、図示しない滑り部材等によってワイヤ５４ａ〜５４ｃを押圧するように構成することもできるが、この場合には、前記滑り部材をＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）等の摩擦抵抗が小さい材質やそのコーティング等により構成しておくことが好ましい。

また、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを駆動プーリ５０ａ〜５０ｃと従動プーリ５７との間に巻き掛ける際、張力調整機構６８による作用を考慮して、適度に余裕のある張力で当該巻き掛け作業を行うことができるため、ワイヤの巻き掛け作業が容易となり、マニピュレータ１０の組立性を向上させることができる。この場合、アイドルプーリ７０がばね７６によって弾性支持されていることから、巻き掛け時にはアイドルプーリ７０の位置を避けておくことができ、巻き掛け後には簡便にテンションを付与することができるため、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの巻き掛けの作業性を一層向上させることができる。

図５Ｂ及び図８に示すように、マニピュレータ１０では、アイドルプーリ７０によるワイヤ５４ａ〜５４ｃの押圧方向は矢印Ｘに沿う方向、すなわち、平面視（図５Ｂ及び図８参照）でワイヤ５４ａ〜５４ｃの移動方向（略Ｚ方向）に交差（直交）する方向に設定している。換言すれば、アイドルプーリ７０はワイヤ５４ａ〜５４ｃを、駆動プーリ５０ａ〜５０ｃ及び従動プーリ５７の回転軸に直交するＸＺ平面上で、且つ、連結シャフト４８の延在方向（Ｚ方向）と交差（直交）する向きに押圧可能に配置されている。さらに換言すれば、アイドルプーリ７０はワイヤ５４ａ〜５４ｃを、駆動プーリ５０ａ〜５０ｃ及び従動プーリ５７の径方向に沿った方向であり且つ巻き掛けられたワイヤ５４ａ〜５４ｃの延在方向（Ｚ方向）に直交する方向となるＸ方向に押圧可能に配置されているとも言える。

これにより、ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、駆動プーリ５０ａ〜５０ｃや従動プーリ５７に対し、さらに巻き掛けられる方向（図５Ｂ参照）又は引き剥がされる方向（図８参照）に押圧されるため、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの駆動不良を防止して、より円滑に移動させることができる。なお、前記押圧方向は、もちろん他の方向であってもよく、要はワイヤ５４ａ〜５４ｃを押圧し当該ワイヤ５４ａ〜５４ｃに適度なテンションを付与することができるものであればよい。

この場合、上記した連結シャフト４８又はワイヤ５４ａ〜５４ｃの延在方向と交差（直交）する向きに押圧可能に配置されるとは、図５Ｂでは単にアイドルプーリ７０を連結シャフト４８又はワイヤ５４ａ〜５４ｃの延在方向に直交する方向に当接可能に配置しているが、例えば、アイドルプーリ７０のワイヤ５４ａ〜５４ｃへの実際の当接方向が連結シャフト４８又はワイヤ５４ａ〜５４ｃの延在方向に直交する以外の斜方向（例えば、ＸＺ方向の中間方向）で交差する場合であっても、結果的にワイヤ５４ａ〜５４ｃがその延在方向に直交する方向に押圧力を受けるような配置であればよい。

図９に示すように、張力調整機構６８は、ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃにそれぞれ対応する板ばね７１ａ、７１ｂ及び７１ｃを備え、支持ブロック１７（又は連結シャフト４８）の内壁面に固定される基体７３を備える張力調整機構６９として構成することもできる。このような張力調整機構６９によれば、一層簡便な構成で上記した張力調整機構６８と略同様の作用効果を得ることができる。もちろん、張力調整機構６９においても、ワイヤ５４ａ〜５４ｃに当接される板ばね７１ａ〜７１ｃの先端にアイドルプーリ７０を設けてもよく、また、各板ばね７１ａ〜７１ｃをそれぞれ分割した構成としてもよい。

図１０及び図１１に示すように、上記した張力調整機構６８を用いる以外にも、駆動プーリ５０ａ（５０ｂ、５０ｃ）と従動プーリ５７との間に巻き掛けたワイヤ５４ａ（５４ｂ、５４ｃ）の一部をねじ機構８２により連結する構成からなる張力調整機構８４を用いることもできる。

張力調整機構８４は、リング状に巻き掛けられるワイヤ５４ａ（５４ｂ、５４ｃ）の連結部を、雄ねじが形成されたねじ部８６と、雌ねじが形成されたナット（受け部）８８とを備えるねじ機構８２で構成している。ナット８８では、基端側の孔部９０から挿通されたワイヤ５４ａの先端に保持球９２が固着されている。これにより、ナット８８をねじ部８６に対して螺回しても、該ナット８８に連結されたワイヤ５４ａが回転することが防止される。ねじ部８６とナット８８とをより確実に締結固定するため、別のナット８９を設けてダブルナットにしてもよい。又は、緩み防止剤等を塗布することで、ねじ部８６とナット８９とをより確実に固定することもできる。

従って、張力調整機構８４によれば、駆動プーリ５０ａと従動プーリ５７との間にワイヤ５４ａを巻き掛けた後、ねじ部８６とナット８８とを螺合させることによりワイヤ５４ａをリング状に連結することができるため、マニピュレータ１０の組立性を一層向上させることができ、さらに、ワイヤの交換も容易となる。しかも、ねじ部８６とナット８８との間の螺回量を適宜調整することで、ワイヤ５４ａの張力及び全長を容易に調整可能である。

換言すれば、張力調整機構８４では、ワイヤ５４ａの連結される部分の一方にねじ部８６が固定され、他方にナット８８が当該ワイヤ５４ａの軸線方向に回転自在に支承されている。このため、ねじ部８６とナット８８との螺合量（送り量）でワイヤ５４ａの全長を設定し、所望のテンションに設定することができる。また、ねじ部８６とナット８８とを螺合させる際には、保持球９２がナット８８内で滑るため、ワイヤ５４ａを回転させることなくねじ機構８２の締結ができ、ワイヤ５４ａにねじれを生じることを有効に防止することができる。もちろん、ねじ部８６とナット８８の間の雄ねじと雌ねじの関係を逆転してもよい。

図１２に示すように、ねじ機構９４を備える張力調整機構９６を用いることもできる。

ねじ機構９４では、ワイヤ５４ａの連結される部分の一方に順ねじ部８６が設けられ、他方に逆ねじ部９８が設けられ、両ねじ部８６、９８共に雄ねじとされている。すなわち、ねじ部８６及び９８は、互いに逆ねじに形成されている。従って、ねじ機構９４では、軸方向の両端側に互いに逆ねじからなる雌ねじが形成されたナット（連結部材）９９を設け、両ねじ部８６及び９８を該ナット９９の両端から螺合させることにより、前記ねじ機構８２を有する張力調整機構８４と略同様な作用効果を得ることができる。なお、ねじ部８６及び９８とナット９９とをより確実に締結固定するため、別のナット８９、９７を設けてダブルナットにしてもよい。又は、緩み防止剤等を塗布することで、ねじ部８６及び９８とナット８９とをより確実に固定することもできる。

上記実施形態は、例えば図１３に示すような医療用ロボットシステム３００に適用してもよい。

医療用ロボットシステム３００は、多関節型のロボットアーム３０２と、コンソール３０４とを有し、作業部３０６はロボットアーム３０２の先端に接続されている。ロボットアーム３０２の先端には前記のマニピュレータ１０と同様な機構を有するマニピュレータ３０８が設けられている。ロボットアーム３０２は、作業部３０６を移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。コンソール３０４は、テーブル型、制御盤型等の構成を採りうる。

ロボットアーム３０２は、独立的な６以上の関節（回転軸やスライド軸等）を有すると、作業部３０６の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のマニピュレータ３０８は、ロボットアーム３０２の先端部３１０と一体化している。マニピュレータ３０８は、前記のアクチュエータブロック３０（図１参照）の代わりに、基端側が前記先端部３１０に連結されると共に、内部にモータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃ（図１３では図示せず）を収納したアクチュエータブロック３１２を有する。

ロボットアーム３０２は、コンソール３０４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３０４に設けられたジョイスティック３１４に倣った操作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。コンソール３０４は、前記のコントローラ４５（図１参照）の機能を含んでいる。作業部３０６には、前記の先端動作部１２が設けられている。

コンソール３０４には、操作指令部としての２つのジョイスティック３１４と、モニタ３１６が設けられている。図示を省略するが、２つのジョイスティック３１４により、２台のロボットアーム３０２を個別に操作が可能である。２つのジョイスティック３１４は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ３１６には、内視鏡による画像等の情報が表示される。

ジョイスティック３１４は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び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３０２を動かすことができる。ジョイスティック３１４はマスターアームであってもよい。ロボットアーム３０２とコンソール３０４との間の通信手段は、有線、無線、ネットワーク又はこれらの組合わせでよい。

このような医療用ロボットシステム３００においても、上記の張力調整機構６８、６９、８４又は９６を備えることにより、操作部であるジョイスティック３１４の操作に対して先端動作部１２を反応性よく高精度に動作させることができる。

本発明に係るマニピュレータは、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。

１０、３０８…マニピュレータ１２…先端動作部
１４…操作指令部１５…接続部
３０、３１２…アクチュエータブロック４０ａ〜４０ｃ…モータ
４８…連結シャフト５０ａ〜５０ｃ…駆動プーリ
５４ａ〜５４ｃ…ワイヤ５７…従動プーリ
６０…グリッパ６８、６９、８４、９６…張力調整機構
７０…アイドルプーリ７１ａ〜７１ｂ…板ばね
７６…ばね８２、９４…ねじ機構
８６、９８…ねじ部８８、８９、９７、９９…ナット
３００…医療用ロボットシステム

Claims

中空のシャフトと、
前記シャフト内に挿通され、少なくとも一部に可撓性を有する動力伝達部材と、
前記シャフトの一端側に設けられ、前記動力伝達部材の一端側が巻き掛けられる駆動プーリを介して該動力伝達部材に駆動力を付与する駆動機構部と、
前記シャフトの他端側に設けられ、前記動力伝達部材の他端側が巻き掛けられる従動プーリを介して該動力伝達部材により動作される先端動作部と、
前記駆動プーリを回転自在に支持する支持ブロックと、
前記動力伝達部材を前記駆動プーリ及び前記従動プーリに固定する固定機構と、
前記駆動プーリと前記従動プーリとの間に巻き掛けられる前記動力伝達部材の張力を調整する張力調整機構と、を備え、
前記張力調整機構は、前記駆動プーリと前記従動プーリとの間に巻き掛けられた前記動力伝達部材の一部を押圧するアイドル回転体と、前記アイドル回転体を前記動力伝達部材に対して弾性的に押圧する弾性部材と、前記支持ブロックの内外方向に貫通形成されたねじ孔に螺着されるとともに前記弾性部材を基準として前記アイドル回転体とは反対側で前記弾性部材の弾発力を受ける基体とを有する、
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。
請求項１記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記張力調整機構は、前記駆動プーリと前記従動プーリとに巻き掛けられた前記動力伝達部材によって形成されるリングの外側から内側に向けて、前記動力伝達部材を押圧する、
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。