JP6141410B2 - マニピュレータ、マニピュレータシステム及びマニピュレータの作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、体腔内に挿入されるマニピュレータ、マニピュレータシステム及びマニピュレータ作動方法に関する。

体腔内に細長の挿入部を挿入して、挿入部先端の湾曲部をワイヤ等で牽引し湾曲部を屈曲させることで、体腔内臓器を観察したり、治療をおこなったりするマニピュレータが広く用いられている。

例えば、特許文献１（特開２００５−７４１４８号公報）には、挿入部の湾曲部内に進退部材をガイドを介して進退自在に配して、この進退部材を移動調整して、挿入部の湾曲部に進退させることにより、挿入部の湾曲部を選択的に、略直線状に位置決め、あるいは湾曲自在に設定し得るように構成した技術が開示されている。

特開２００５−７４１４８号公報

従来のマニピュレータにおいて、操作者が対象物を観察又は対象物に処置をしている時、操作者が別の角度から対象物を観察又は対象物に処置をしたい場合、そのままの位置でマニピュレータを湾曲させると、マニピュレータが対象物の手前で湾曲してしまい、対象物が視野から外れてしまう場合があった。そのため、マニピュレータの操作に慣れていない操作者では、違和感を生じてしまい、扱いづらいものとなっていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、操作者の違和感を軽減することが可能なマニピュレータ、マニピュレータシステム及びマニピュレータ作動方法を提供することを目的としている。

一実施形態のマニピュレータは、体腔内に挿入可能な挿入部と、前記挿入部を操作する操作部と、前記挿入部を進退させる進退部と、前記挿入部及び前記進退部を駆動する駆動部と、前記操作部の操作に応じて前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記挿入部は、湾曲可能な湾曲部を有し、前記駆動部は、前記湾曲部を湾曲させる駆動力を発生する湾曲駆動部と、前記進退部を進退させる駆動力を発生する進退駆動部と、を有し、前記制御部は、前記操作部の操作に応じて前記進退駆動部及び前記湾曲駆動部を制御することを特徴とする。

本発明の一実施形態であるマニピュレータ、マニピュレータシステム及びマニピュレータ作動方法によれば、マニピュレータを押し込んだ時又は引いた時の視野が移動せず、マニピュレータの操作に慣れていない操作者の違和感を軽減することが可能となる。

本実施形態のマニピュレータ１の概略図を示す。 本実施形態の挿入部２の拡大図を示す。 本実施形態の操作部３の拡大図を示す。 本実施形態の駆動部６の模式図を示す。 本実施形態の進退部４の拡大図を示す。 本実施形態の挿入部２の動作の一例を表した模式図を示す。 本実施形態の進退部４の動作の一例を表した模式図を示す。 進退部４の他の例を表した模式図を示す。 進退部４の他の例を表した模式図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１の動作の概略図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１のブロック図を示す。 マニピュレータ１の手動モードでの第１手動状態の模式図を示す。 マニピュレータ１の手動モードでの第２手動状態の模式図を示す。 マニピュレータ１の手動モードでの第３手動状態の模式図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１の電動モードの制御に用いる式（１）及び（２）を説明する図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１の電動モードの制御に用いる式（３）及び（４）を説明する図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１の制御フローチャート図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１の電動モード制御前の状態の模式図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１の電動モード制御直後の状態の模式図を示す。 本実施形態のマニピュレータ１の電動モード終了後の状態の模式図を示す。 本実施形態のマニピュレータシステム１０の概略図を示す。 マニピュレータシステム１０の他の例の概略図を示す。

以下、本実施形態のマニピュレータ１及びマニピュレータ制御方法について説明する。

図１は、本実施形態のマニピュレータ１の概略図を示す。

本実施形態のマニピュレータ１は、挿入部２と、操作部３と、進退部４と、を備える。マニピュレータ１は、先端側に挿入部２、基端側に操作部３を備え、挿入部２の操作部３側に進退部４を備える。挿入部２は、先端部２１と、湾曲部２２と、動力伝達部２３と、を有する。操作部３は、グリップ３１と、操作部本体３２と、モード切替指示部３３と、連結部３４と、を有する。進退部４は、リンク部４１と、ガイド部４２と、を有する。

図２は、本実施形態のマニピュレータ１の挿入部２の拡大図を示す。

挿入部２は、体腔内に挿入される部分であって、先端側から順に、先端部２１と、湾曲部２２と、動力伝達部２３と、を有する。

先端部２１は、マニピュレータ１の先端に設けられる円柱状の硬質な先端部本体２１ａを有する。例えば、内視鏡の場合、先端部２１には、対象物を撮像する撮像部２１ｂ及び対象物を照明する照明部２１ｃ等を内蔵することが可能である。また、対象物を処置する図示しない処置具等を内蔵してもよい。

湾曲部２２は、先端部２１が取り付けられ略円柱状のコマ部２２ａと、コマ部２２ａを所定の角度範囲内で動力伝達部２３に回転可能に連結する関節部２２ｂと、を有する。動力伝達部２３は、細長い略円柱状のシャフト等の部材であって、先端側で湾曲部２２に関節部２２ｂを介して連結され、基端側で進退部４に連結される。

先端部２１には、第１湾曲部作動ワイヤ５１と第２湾曲部作動ワイヤ５２が固着される。第１湾曲部作動ワイヤ５１と第２湾曲部作動ワイヤ５２が固着される位置は、関節部２２ｂを含む面を挟んで反対側とする。一例として、円柱状の先端部２１の中心軸Ｃに対して対称の位置が好ましい。第１湾曲部作動ワイヤ５１と第２湾曲部作動ワイヤ５２は、図１に示した操作部本体３２の図示しないアクチュエータ等により、巻き取り及び送り出しされる。

なお、挿入部２の構造は、これに限らず、種々の変形を加えてもよい。例えば、コマ部２２ａと関節部２２ｂを複数交互に組み合わせてより自由度の高い湾曲状態となることを可能にしてもよい。さらに、複数組み合わせた隣り合うコマ部２２ａ及び関節部２２ｂの各組は、真っ直ぐに伸ばした状態での湾曲部２２の軸、すなわち動力伝達部２３の中心軸Ｃを中心に９０°ずつ回転させて配設されると３次元での移動が可能となるので好ましい。

図３は、本実施形態の操作部３の拡大図を示す。

操作部３は、操作者が手で握るグリップ３１と、グリップ３１の進退部４側に設けられ挿入部２及び進退部４の動き等を操作する後述する駆動部６を内蔵する操作部本体３２と、操作部本体３２に対して押し込み可能なモード切替指示部３３と、進退部４に連結される連結部３４と、を有する。

グリップ３１は、本実施形態では、円柱状に形成しているが、握りやすい形状であればどんな形状でもよい。操作部本体３２は、後述するモータ及びプーリ等を有する駆動部６を内蔵している。操作部本体３２は、第１湾曲部作動ワイヤ５１と第２湾曲部作動ワイヤ５２とを巻き取り及び送り出しすることにより、図１に示した挿入部２の湾曲部２２を湾曲させる。また、操作部本体３２は、リンク作動ワイヤ５３を巻き取り及び送り出しすることにより、図１に示した進退部４のリンク部４１を伸縮させる。

モード切替指示部３３は、押圧スイッチ等により構成される。モード切替指示部３３は、通常、押圧スイッチ等が押されていないと第１モードとしての手動モードに設定され、押圧スイッチ等が押されている間、第２モードとしての電動モードに切り替えるように指示を出す。

連結部３４は、第１湾曲部作動ワイヤ５１、第２湾曲部作動ワイヤ５２、及びリンク作動ワイヤ５３を挿通し、図１に示した進退部４に連結される。

図４は、本実施形態の駆動部６の模式図を示す。

駆動部６は、湾曲駆動部６１と、図示しない進退駆動部６２と、を有する。湾曲駆動部６１と進退駆動部６２は、同様の構成でよいので、ここでは、湾曲駆動部６１について説明する。

湾曲駆動部６１は、モータ部６１ａと、駆動プーリ部６１ｂと、従動プーリ部６１ｃと、を有する。

第１湾曲部作動ワイヤ５１と第２湾曲部作動ワイヤ５２の一端は、図２に示した先端部２１の先端部本体２１ａに固着されると共に、第１湾曲部作動ワイヤ５１と第２湾曲部作動ワイヤ５２の他端は駆動プーリ部６１ｂに固着されている。また、第１湾曲部作動ワイヤ５１と第２湾曲部作動ワイヤ５２は従動プーリ部６１ｃに巻き掛けられている。駆動プーリ部６１ｂは、モータ部６１ａの回転軸に取り付けられ、モータ部６１ａの回転駆動に伴い、駆動プーリ部６１ｂで第１湾曲部作動ワイヤ５１と第２湾曲部作動ワイヤ５２を巻き取ったり、送り出したりする。これにより、モータ部６１ａの回転駆動力が先端部本体２１ａに伝達される。

図４に示す例では、２次元の平面内での動作を説明するために、湾曲駆動部６１を連結部３４の中心線Ｃに対して対称に２つ設置している。しかしながら、湾曲駆動部６１は、２つに限らず、関節部２２ｂの回転方向に応じて１つ又は２つ以上設置してもよい。例えば、湾曲駆動部６１及び湾曲部作動ワイヤは、それぞれ１つとした場合、１つの湾曲部作動ワイヤを湾曲駆動部６１の駆動プーリ部と関節部２２ｂに設けたプーリ部にループ状に掛け回し、１つのモータ部の回転駆動によって、駆動プーリ部を回転することで、コマ部２２ａを、湾曲部作動ワイヤ及びプーリ部を介してたとえば上下の湾曲動作を可能とする。また、３次元の動作をするには、紙面手前と奥に湾曲駆動部６１を追加してもよい。

なお、湾曲駆動部６１の構造は、図４に示す例に限らず、種々の変形を加えてもよい。例えば、各関節部２２ｂを個別に作動できる構造にしてもよい。個別に作動できる構造にすることで、湾曲部２２の姿勢の自由度が増えるので好ましい。また、図４に示す例では、湾曲駆動部６１を操作部３内に設置しているが、操作部３とは別体に設置してもよい。すなわち、挿入部２は、患者の近くに設置され、操作部３は、操作者が遠隔位置から操作できるようにしてもよい。

図５は、本実施形態の進退部４の拡大図を示す。

進退部４は、一方を操作部３に連結され、他方を挿入部２に連結されるリンク部４１と、リンク部４１の作動をガイドするガイド部４２と、を有する。

リンク部４１は、連結部３４に取り付けられガイド部４２にガイドされる第１突起部４１ａと、第１突起部４１ａに対して回転可能に取り付けられる第１アーム４１ｂと、動力伝達部２３に取り付けられガイド部４２にガイドされる第２突起部４１ｃと、第２突起部４１ｃに対して回転可能に取り付けられる第２アーム４１ｄと、第１アーム４１ｂと第２アーム４１ｄを接続する接続部４１ｅと、を有する。

ガイド部４２は、一方を連結部３４に固着され、他方を動力伝達部２３に固着される細長い部材である。ガイド部４１には、第１突起部４１ａと第２突起部４１ｃを挿入する長孔４２ａが形成される。すなわち、第１突起部４１ａと第２突起部４１ｃは、長孔４２ａに沿って移動可能となっている。

本実施形態では、第１アーム４１ｂ、第２アーム４１ｄ、及び接続部４１ｅが、ガイド部４２を挟んで２つずつ設置されている。少なくとも１つの接続部４１ｅには、リンク作動ワイヤ５３が巻き掛けられており、操作部本体３２がリンク作動ワイヤ５３を巻き取り及び送り出しすることにより、所謂パンタグラフ構造のリンク部４１を伸縮させる。

第１アーム４１ｂと第２アーム４１ｄの内側は、空洞になっており、第１湾曲部作動ワイヤ５１、第２湾曲部作動ワイヤ５２、リンク作動ワイヤ５３、及び電気部品のための配線等が通されている。

なお、リンク部４１とガイド部４２は、複数設置してもよい。複数設置することで、進退距離を長くすることが可能となる。

次に、マニピュレータ１の動作について説明する。まず、湾曲動作の一例について説明する。

図６は、本実施形態の挿入部２の動作の一例を表した模式図を示す。

本実施形態のマニピュレータ１は、実際には３次元空間で動作するものであるが、本実施形態の説明は、理解を簡単にするため、図６に示すような模式図を用いて、２次元の平面内での動作について説明する。

作動前、挿入部２は、図１に示すように、先端部２１、湾曲部２２、及び、動力伝達部２３が直線の状態にある。図３に示した操作部３を操作することによって、駆動部６が作動すると、第１湾曲部作動ワイヤ５１又は第２湾曲部作動ワイヤ５２によって、先端部２１及びコマ部２２ａが引っ張られることによって、図６に示すように、先端部２１及び湾曲部２２は、動力伝達部２３に対して、関節部２２ｂで屈曲する。

図６Ａは、図４に示した駆動部６によって第１湾曲部作動ワイヤ５１が引っ張られた状態を示し、先端部２１及びコマ部２２ａは、矢印Ａの方向に回転する。この時、第２湾曲部作動ワイヤ５２は、送り出されることが好ましい。図６Ｂは、図４に示した駆動部６によって第２湾曲部作動ワイヤ５２が引っ張られた状態を示し、先端部２１及びコマ部２２ａは、矢印Ｂの方向に回転する。この時、第１湾曲部作動ワイヤ５１は、送り出されることが好ましい。

なお、コマ部２２ａと関節部２２ｂが複数ある構造では、各関節部２２ｂを個別に作動できる構造にしてもよい。個別に作動できる構造にすることで、湾曲部２２の姿勢の自由度が増えるので好ましい。また、操作部本体３２は、操作部３とは別体に設置してもよい。すなわち、操作部本体３２は、患者の近くに設置され、操作部３は、操作者が遠隔位置から操作できるようにしてもよい。

図７は、本実施形態の進退部４の動作の一例を表した模式図を示す。

本実施形態では、マニピュレータ１の挿入部２の進退動作を発生する進退部４の一例として、パンタグラフ機構を適用する。

図５に示したように、リンク部４１の接続部４１ｅには、リンク作動ワイヤ５３が巻き掛けられている。リンク部４１は、リンク作動ワイヤ５３を巻き取り及び送り出しする図示しないモータを駆動することによって作動する。

図７Ａに示した状態の進退部４に対して、図示しないモータを駆動してリンク作動ワイヤ５３を巻き取ると、接続部４１ｅがリンク作動ワイヤ５３に引っ張られて第１アーム４１ｂが第１突起部４１ａを中心に回転する。すると、リンクが形成されている第２アーム４１ｄは、第２突起部４１ｃを中心に回転する。

その結果、図７Ｂにしめすように、第１アーム４１ｂと第２アーム４１ｄの形成する角度が大きくなり、第２突起部４１ｃがガイド部４２の長孔４２ａに沿って第１突起部４１ａから離れるように移動する。したがって、第１突起部４１ａと第２突起部４１ｃの間の距離が長くなり、進退部４が伸びることとなる。

図８は、進退部４の他の例を表した模式図を示す。

図８に示す進退部４は、第１アーム４１ｂ、第２アーム４１ｄ、及び接続部４１ｅを片側に１つのみ設置した例である。このように、片側に１つのみ設置することで軽量化することが可能となる。

図９は、進退部４の他の例を表した模式図を示す。

図９に示す進退部４は、内視鏡１の挿入部２の進退動作を発生する機構の一例として、駆動部６のうち、進退駆動部６２として歯車機構を操作部３に配設する。進退部４は、可動部４３と、ストッパ部４４と、ピニオン部４５と、を有する。

進退駆動部６２は、操作部３内に配設され、図示しない電源により回転するモータ部６２ａと、モータ部６２ａの駆動力を出力するモータ出力軸６２ｂと、を有する。ギア部６２ｃは、モータ出力軸６２ｂ及びピニオン部４５に噛み合い、モータ出力軸６２ｂの回転をピニオン部４５から可動部４３を経て挿入部２に伝達し、進退部４及び挿入部２を操作部３に対して進退させる。

ストッパ部４４は、可動部４３の移動を制限するため、可動部４３よりも径が大きく構成されている部分であり、操作部３の進退支持部３４の径よりも径が大きく構成されることが好ましい。ピニオン部４５は、モータ出力軸６２ｂの回転運動を直線運動に変換して挿入部２に伝達し、可動部４３を操作部３に対して進退させるための部分である。

図９Ａに示す状態は、可動部４３が進退支持部３４に後退して可動部４３の露出した部分の長さが縮んでいる状態である。この状態から進退駆動部６２を作動させると、図９Ｂに示すように、モータ部６２ａの駆動力により、まずモータ出力軸６２ｂが回転し、モータ出力軸６２ｂに噛み合うギア部６２ｃが回転し、ギア部６２ｃに噛み合うピニオン部２３ｃが前進する。

図９に示す例では、２次元の平面内での動作を説明するために、進退駆動部６２を可動部４３の中心線Ｃに対して対称に２つ設置している。しかしながら、進退駆動部６２は、２つに限らず、１つ又は２つ以上設置してもよい。

なお、進退駆動部６２の構造は、図７〜９に示した例に限らず、種々の変形を加えてもよい。例えば、図７〜９に示した例では、進退駆動部６２を操作部３内に設置しているが、操作部３とは別体に設置してもよい。すなわち、進退駆動部６２は、患者の近くに設置され、操作部３は、操作者が遠隔位置から操作できるようにしてもよい。

次に、このように作動可能なマニピュレータ１の動作について説明する。

図１０は、本実施形態のマニピュレータ１の動作の概略図を示す。

図１０では、紙面をＸＹ平面とし、紙面の奥に向かう方向をＺ方向とする。マニピュレータ１は、トロッカー８を介して体腔内１００に挿入されている。

図１０Ａに示すように、操作者がグリップ３１を握ってＹＺ面内で動かすと、マニピュレータ１の先端部２１は、トロッカー８を中心にグリップ３１とは対称に体腔内１００でＹＺ面内を移動する。

図１０Ｂに示すように、操作者がグリップ３１を握ってＸＺ面内で動かすと、マニピュレータ１の先端部２１は、トロッカー８を中心にグリップ３１とは対称に体腔内１００でＸＺ面内を移動する。

図１０Ｃに示すように、操作者がグリップ３１を握ってＺ方向に動かすと、マニピュレータ１の先端部２１は、体腔内１００をＺ方向に移動する。

図１１は、本実施形態のマニピュレータ１のブロック図を示す。

操作部３は、モード切替指示部３３と、加速度センサ９１と、挿入量センサ９２と、を有する。また、進退部４は、進退距離センサ９３を有する。なお、加速度センサ９１と挿入量センサ９２で移動量検知センサを構成する。

モード切替指示部３３は、ボタン等のスイッチが押されていない状態では、進退駆動部６２を作動しない手動モードに設定し、ボタン等が押されている間、進退駆動部６２を制御する電動モードに切り替える。手動モードと電動モードについては後述する。

加速度センサ９１は、操作部３の加速度を検知するセンサである。操作者は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示したように、トロッカー８を支点として操作部３を移動させることが可能である。この移動した操作部３の加速度を検知することで、先端部２１の位置を検知することが可能となる。

挿入量センサ９２は、操作部３と図１０に示したトロッカー８との距離を検知するセンサである。操作者は、図１０Ｃに示したように、トロッカー８に対して操作部３を挿入方向及び引出方向に移動させることが可能である。この移動により変化した操作部３とトロッカー８との距離を検知することで、操作者が挿入部２を挿入した量を検知し、先端部２１の位置を検知することが可能となる。

進退距離センサ９３は、進退部４の作動距離を検知するセンサである。本実施形態では、図５に示した進退部４の第１アーム４１ｂ又は第２アーム４１ｄのガイド部４２に対する角度を検知するセンサである。本実施形態のマニピュレータ１は、駆動部６を駆動する電動モード時には、操作部３とトロッカー８との距離を変更することなく、先端部２１を移動させることが可能である。そこで、進退距離センサ９３によって第１アーム４１ｂ又は第２アーム４１ｄのガイド部４２に対する角度を検知することで、進退部４の進退量を取得し、先端部２１の位置を検知することが可能となる。

制御部９は、第１ＡＤコンバータ９４と、第２ＡＤコンバータ９５と、ＣＰＵ９６と、を有する。

第１ＡＤコンバータ９４は、加速度センサ９１からの信号をＡＤ変換する。第２ＡＤコンバータ９５は、挿入量センサ９２からの信号をＡＤ変換する。

ＣＰＵ９６は、モード切替指示部３３からの信号により、手動モードと電動モードとを判断し、手動モード時には、駆動部６を駆動させず、電動モード時には、加速度センサ９１、挿入量センサ９２、及び進退距離センサ９３に応じて駆動部６を制御する。

次に、このような構造のマニピュレータ１の制御について説明する。

まず、マニピュレータ１の制御をしない手動モードの一例について説明する。

図１２は、マニピュレータ１の手動モードでの第１手動状態の模式図を示す。図１３は、マニピュレータ１の手動モードでの第２手動状態の模式図を示す。図１４は、マニピュレータ１の手動モードでの第３手動状態の模式図を示す。なお、図１２〜図１４では進退部４を省略する。

図１２に示すように、第１手動状態では、対象部１０１を正面から観察している。この状態から、操作者が対象部１０１のうち奥側に位置する第１対象部１０１ａを観察したい場合、図１３に示す第２手動状態のように、操作部３でトロッカー８を中心にマニピュレータ１を回転させながら湾曲部２２を湾曲させて第１対象部１０１ａを観察しようとする。

しかしながら、第２手動状態では、先端部２１が対象部１０１から遠ざかってしまい、モニタ１７に映る対象部１０１の映像が小さくなると共に、先端部２１が対象部１０１の正面からずれてしまい、うまく観察できない。そのため、図１４に示す第３手動状態のように、操作者は、操作部３を押し込み、先端部２１を対象部１０１に近づけることによって、良好な観察映像を得ることが可能となる。

手動モードでは、操作者が操作に慣れている場合には、感覚的に素早い操作で、図１２に示す第１手動状態から図１４に示す第３手動状態へ操作することが可能である。

次に、マニピュレータ１の電動モードの制御について説明する。

図１５は、本実施形態のマニピュレータ１の電動モードの制御に用いる式（１）及び（２）を説明する図を示す。図１６は、本実施形態のマニピュレータ１の電動モードの制御に用いる式（３）及び（４）を説明する図を示す。なお、図１５及び図１６において、先端部２１は最も先端に位置する先端点、湾曲部２２は屈曲点、トロッカー８はピボット点、操作部３は操作点でそれぞれ表す。

本実施形態のマニピュレータ１の電動モードの制御では、図１２〜図１４に示した一例のように操作者が手動モードで操作したような動きを自動的に行う制御である。例えば、制御前後の先端部２１と対象部１０１の距離が同じになると共に、先端部２１が対象部１０１の方向を向くように制御する。

図１５において、制御前のマニピュレータ１を二点鎖線で示す。この時、対象部１０１から制御前の先端部２１’までの距離をＤ、制御前の先端部２１’から制御前の湾曲部２２’までの距離をＬ１、制御前の湾曲部２２’からトロッカー８のピボット点となる位置までの距離をＬ２、制御可能範囲をθ_maxとする。

制御後の先端部２１と対象部１０１の距離を制御前と同じにするには、対象部１０１を中心とした距離Ｄを半径とする第１の円２０１上に制御後の先端部２１が配置されればよい。加えて、先端部２１が対象部１０１の方向を向くようにするには、対象部１０１を中心とした距離Ｄ＋Ｌ１を半径とする第２の円２０２上に制御後の湾曲部２２が配置されればよい。なお、制御可能範囲θ_maxは、トロッカー８から第２の円２０２に引いた２つの接線の角度とする。

したがって、制御量である進退量δ１と湾曲角φ１は、図１５から以下のように求めればよい。ただし、φ１≦９０°とする。

次に、９０°＜φ２の場合について説明する。この場合は、操作者がマニピュレータ１を挿入した時に、湾曲部２２の湾曲角φが９０°を超えなければ、先端部２１を対称部１０１の方向に向けられない状態になった場合等に適用するとよい制御である。図１５の場合と同様に、制御量である進退量δ２と湾曲角φ２は、図１６から以下のように求めればよい。

なお、９０°＜φ２となる場合には、図１１に示した加速度センサ９１の検知した加速度、該加速度を積分して求めた挿入速度、又は、挿入量センサ９２の検知した挿入量Ｚ２等が、所定の閾値を超える場合が含まれてもよい。挿入速度が速い又は挿入量Ｚ２が多いということは、操作者が対称部１０１を奥側から観察したいのだと、考えられるからである。所定の閾値は、図示しない記憶部等によりあらかじめ記憶させておいてもよいし、対称部１０１の状況に応じて制御するごとに設定してもよい。

また、本実施形態では、理解を容易にするために２次元内での移動について説明したが、３次元においても同様である。３次元の場合、第１の円２０１及び第２の円２０２を球に置き換えて考えればよい。

図１７は、本実施形態のマニピュレータ１の制御フローチャート図を示す。図１８は、本実施形態のマニピュレータ１の電動モード制御前の状態の模式図を示す。

図１８に示すように、本実施形態の制御前に、マニピュレータ１は、すでに挿入部２が皮膚１００の内側の体腔内に挿入された状態であるとする。この時、マニピュレータ１内の内視鏡は、対象物１０１を撮像している状態であるとする。電動モード制御は、モード切替指示部３３からの指示により開始する。

まず、ステップ１で、加速度センサ９１及び挿入量センサ９２の出力から操作部３の旋回角度θを計算する（ＳＴ１）。

続いて、ステップ２で、ステップ１において求めた旋回角度θがθ≦θ_maxを満たすか否かを判定する（ＳＴ２）。

ステップ２において、θ≦θ_maxを満たさない場合、電動モードを終了する。電動モードを終了する際は、制御可能範囲外であることを警報等により操作者に知らせるとよい。

ステップ２において、θ≦θ_maxを満たす場合、挿入量センサ９２の出力から操作部３の挿入量Ｚ２を計算する（ＳＴ３）。

次に、ステップ４で、マニピュレータ１の湾曲部２の湾曲角度φが９０°より小さくなるか否かを判定する（ＳＴ４）。

ステップ４において、マニピュレータ１の湾曲部２の湾曲角度φが９０°より小さくなる場合、ステップ５で、式（１）及び（２）を用いて、旋回角度θと挿入量Ｚ２から湾曲部２２の湾曲角度φ１と進退部３の進退量δ１の目標値を計算する（ＳＴ５）。

続いて、ステップ６で、式（１）及び（２）で求めた目標値に基づいて駆動部６を駆動する（ＳＴ６）。なお、湾曲駆動部６１による湾曲動作と進退駆動部６２による進退動作は、どちらを先におこなってもよい。

ステップ４において、マニピュレータ１の湾曲部２の湾曲角度φが９０°以上になる場合、ステップ７で、式（３）及び（４）を用いて、旋回角度θと挿入量Ｚ２から湾曲部２２の湾曲角度φ２と進退部３の進退量δ２の目標値を計算する（ＳＴ７）。

続いて、ステップ８で、式（３）及び（４）で求めた目標値に基づいて駆動部６を駆動する（ＳＴ８）。なお、湾曲駆動部６１による湾曲動作と進退駆動部６２による進退動作は、どちらを先におこなってもよい。

図１９は、本実施形態のマニピュレータ１の電動モード制御直後の状態の模式図を示す。

例えば、電動モード制御後のマニピュレータ１は、式（１）及び（２）で求めた目標値に基づいて、図１９に示すように、湾曲部２２が湾曲角度φ１回転し、進退部３が進退量δ１移動する。その結果、モニタ１２には、対称部１０１の第１対象部１０１ａの映像が拡大して映される。

上述より、従来のマニピュレータでは、移動したい位置と対象物への角度（姿勢）を別々の操作で合わせなければならず、非常に手間がかかっていたが、本実施形態によれば、操作者はマニピュレータ１の先端を対象物１０１に合わせるだけで、加速度センサ９１又は挿入量センサ９２により、マニピュレータ１が角度（姿勢）を自動的に合わせてくれるので、楽に操作できる。

図２０は、本実施形態のマニピュレータ１の電動モード終了後の状態の模式図を示す。

電動モードの制御後、操作者がモード切替指示部３３により電動モードを解除し、加速度センサ９１又は挿入量センサ９２の出力から操作者がマニピュレータ１を引き抜く方向に所定の距離動かしたと判断した場合に、マニピュレータ１は、図２０に示すように、湾曲部２２の湾曲角度φ１及び進退部３の進退量δ１が元に戻るように作動され、直線状態に戻る。そして、操作者は、直線状態のマニピュレータ１を体腔内１００から引き抜けばよい。

なお、湾曲駆動部６１による湾曲動作と進退駆動部６２による進退動作は、どちらを先におこなってもよい。また、湾曲駆動部６１による湾曲動作と進退駆動部６２による進退動作は、対象部１０１を画面にとらえたまま行うことが好ましい。

図２１は、本実施形態のマニピュレータシステム１０の概略図を示す。

本実施形態のマニピュレータシステム１０は、前述の内視鏡を有するマニピュレータ１と、画像処理装置１１と、モニタ１２と、光源装置１３と、を備える。

画像処理装置１１は、マニピュレータ１内の内視鏡から得られた画像信号に対してＹ調整、輪郭強調、出力フォーマット変換等の種々の画像処理を行い、映像信号をモニタ１２に送り出す装置である。モニタ１２は、画像処理装置１１から受け取った映像信号を観察画像として表示するものである。光源装置１３は、マニピュレータ１内の図示しないライトガイドファイバを通して図２に示した先端部２１の照明部２１ｃから照明光を発生させ、対象物Ｘを照らす装置である。

図２２は、マニピュレータシステム１０の他の例の概略図を示す。

把持部２１ａは、対象部１０１を把持及び切断する鉗子等である。把持部２１ａは、ハサミのような操作部３によって図示しないワイヤ等を操作することで開閉される。その他の構造は、内視鏡を有するマニピュレータ１と同様である。なお、把持部２１ａは、操作部３を別体とし、無線等により遠隔操作されてもよい。

なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

本発明に係るマニピュレータを利用すると、体腔内で押し込んだ時又は引いた時の視野が移動せず、操作に慣れていない操作者の違和感を軽減することが可能となる。

１…マニピュレータ、２…挿入部、２１…先端部、２２…湾曲部、２３…動力伝達部、３…操作部、３１…グリップ、３２…操作部本体、３３…モード切替指示部、３４…連結部
４…進退部、４１…リンク部、４２…ガイド部、５…ワイヤ、５１…第１湾曲部作動ワイヤ、５２…第２湾曲部作動ワイヤ、５３…リンク作動ワイヤ、６…駆動部、６１…湾曲駆動部、６２…進退駆動部、８…トロッカー、９…制御部、９１…加速度センサ、９２…挿入量センサ、９３…進退距離センサ、９４…第１ＡＤコンバータ、９５…第２ＡＤコンバータ、９６…ＣＰＵ、１０…マニピュレータシステム、１１…画像処理装置、１２…モニタ、１３…光源装置、１００…体腔内、１０１…対象部

Claims (7)

1. 体腔内に挿入可能な挿入部と、
   前記挿入部を操作する操作部と、
   前記挿入部を進退させる進退部と、
   前記挿入部及び前記進退部を駆動する駆動部と、
   前記操作部の操作に応じて前記駆動部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記挿入部は、
   湾曲可能な湾曲部
   を有し、
   前記駆動部は、
   前記湾曲部を湾曲させる駆動力を発生する湾曲駆動部と、
   前記進退部を進退させる駆動力を発生する進退駆動部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記操作部の操作に応じて前記進退駆動部及び前記湾曲駆動部を制御する
   ことを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記操作部は、手動モードと前記制御部が前記操作部の操作に応じて前記駆動部を制御する制御モードのどちらのモードにするかを指示するモード切替指示部を有する
   請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記操作部は、前記操作部の移動量を検知する移動量検知センサを有し、
   前記制御部は、前記移動量検知センサの検知した前記操作部の移動量に応じて前記駆動部を制御する
   請求項１又は２に記載のマニピュレータ。
4. 前記制御部は、制御後の前記先端部が前記対象部に向いているように制御する
   請求項３に記載のマニピュレータ。
5. 内視鏡を有する請求項１乃至４に記載のマニピュレータと、
   前記内視鏡から得られた画像信号に対して画像処理を行う画像処理装置と、
   前記画像処理装置から送信された映像信号を表示するモニタと、
   を備える
   ことを特徴とするマニピュレータシステム。
6. 体腔内に挿入可能な挿入部と、
   前記挿入部を操作する操作部と、
   前記挿入部を進退させる進退部と、
   を有するマニピュレータの作動方法であって、
   前記操作部の旋回角度を計算するステップと、
   前記操作部の挿入量を計算するステップと、
   前記操作部の旋回角度と挿入量に応じて前記挿入部に含まれる湾曲可能な湾曲部の湾曲角度及び前記進退部の進退量を制御するステップと、
   を有することを特徴とするマニピュレータの作動方法。
7. 前記湾曲部の湾曲角度及び前記進退部の進退量を制御するステップは、制御後の前記先端部が前記対象部に向いているように制御する
   請求項６に記載のマニピュレータの作動方法。
   

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