JP6169291B2 - 操作入力装置および医療用マニピュレータシステム - Google Patents

Description

本発明は、操作入力装置および医療用マニピュレータシステムに関するものである。

従来、操作者によって操作されることにより動作指令を入力する多関節の操作部と、該操作部の操作により入力された動作指令によって動作する多関節のマニピュレータとを備える手術用マニピュレータシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１においては、操作部とマニピュレータとの接続および切断が可能であるとともに、操作部の各関節にモータが備えられている。そして、操作部とマニピュレータとが切断されている状態では、モータを使って操作部の各関節をロックすることにより、切断時における操作部とマニピュレータとの位置ズレを防止している。

米国特許第７８０６８９１号明細書

しかしながら、特許文献１の手術用マニピュレータシステムのように、操作部にモータを備える場合には、操作部の構造が繁雑になるとともに大型化し、かつ、コストが高くつく。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、操作部の各関節にモータを設けることなく、切断時における操作部とマニピュレータとの位置ズレを防止することができる操作入力装置および医療用マニピュレータシステムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、患部の観察または処置を行うマニピュレータへの操作指令を入力する操作入力装置であって、操作者の手により把持される把持部と、２以上のリンク部材と、隣接する一対の前記リンク部材をその長手軸に交差する関節軸回りに揺動可能に連結する１以上の関節とを有し、該把持部を移動可能に支持するアーム部とを備え、該アーム部が、２以上のリンク部材と、隣接する一対の前記リンク部材をその長手軸に交差する関節軸回りに揺動可能に連結する１以上の関節とを備え、各該関節は、前記一対のリンク部材の一方に固定され前記関節軸に沿って延びるシャフト部材と、前記一対のリンク部材の他方に固定され、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられて、径方向内方に締め付ける弾性部材とを有し、トルクのかかる方向とは逆方向に摩擦トルクを発生させる摩擦発生部を備える。

本態様によれば、操作者が把持部を把持して移動させると、操作者が把持部に加えた外力が、アーム部の関節にトルクとして作用し、関節の動作によって２以上のリンク部材の相対角度を変化させる。これにより、操作者により把持部への操作指令が入力され、該操作指令に基づいてマニピュレータを作動させることができる。

この場合において、関節にトルクが作用すると、摩擦発生部によりトルクがかかる方向とは逆方向に摩擦トルクが発生する。すなわち、操作者が把持部から手を放すことにより、把持部およびアーム部の自重によって各関節にトルクがかかるが、摩擦発生部によって発生する摩擦トルクを自重によるトルクの最大値より大きく設定しておくことにより、操作者が把持部を支持していなくても、アーム部の各関節が静止した状態に維持される。

したがって、操作入力装置とマニピュレータとの連動が切断された状態で、操作者が把持部から手を放しても、把持部およびアーム部がその場で静止し同じ姿勢に維持されるので、次に操作入力装置とマニピュレータとの連動を再開させるときに、操作入力装置とマニピュレータとの位置ズレの発生を防止して、容易に再開させることができる。

上記態様では、前記摩擦発生部が、前記一対のリンク部材の一方に固定され前記関節軸に沿って延びるシャフト部材と、前記一対のリンク部材の他方に固定され、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられて、径方向内方に締め付ける弾性部材とを備えている。
このようにすることで、関節により連結された２つのリンク部材の相対角度を変化させる方向に外力が作用すると、一方のリンク部材に固定されたシャフト部材と他方のリンク部材に固定された弾性部材との間に、両者をシャフト部材の周方向に相対移動させるトルクが作用する。

弾性部材は、シャフト部材の外周面に巻き付けられてシャフト部材を径方向内方に締め付けているので、両者間の静止摩擦力によって、外力によるトルクに対抗する摩擦トルクが発生する。弾性部材による締め付け力を適当に調節しておくことにより、重力によるトルクより大きく、重力を超える外力によるトルクより小さい摩擦トルクを発生させることができる。その結果、操作者が把持部から手を放したときに静止状態に維持され、操作者により把持部に加えられる比較的小さい外力によって容易に各リンク部材の姿勢を変化させることができる。

また、上記態様においては、前記他方のリンク部材に、前記シャフト部材の外周面に前記弾性部材を巻き付けたシャフトユニットをその長手軸方向に挿入させる挿入孔が設けられ、前記弾性部材が、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられる略円筒状の締結部と、該締結部から径方向外方に延びる突出部とを備え、前記挿入孔に、前記シャフトユニットを挿入するときに前記突出部が長手軸方向に挿入されて周方向に係止する溝が設けられていてもよい。

このようにすることで、シャフト部材の外周面に弾性部材の略円筒状の締結部を巻き付けると、弾性部材の突出部がシャフト部材の径方向外方に延びたシャフトユニットが構成される。このようにして構成されたシャフトユニットを他方のリンク部材に設けられた挿入孔に長手方向に挿入していくと、挿入孔に設けられた溝に弾性部材の突出部が挿入され、弾性部材が、他方のリンク部材の挿入孔内に周方向に移動しないように固定される。

シャフト部材は一方のリンク部材に固定されているので、２つのリンク部材の間に相対角度変位を生じる方向に外力によるトルクが加わると、シャフト部材と弾性部材の締結部との間の摩擦によって摩擦トルクが発生する。すなわち、このように構成することで、シャフト部材と弾性部材とを組み付けたシャフトユニットを挿入孔に対して挿脱することにより、摩擦トルクを発生する関節の組立・分解を容易に行うことができるとともに、摩擦部材を容易に交換することができる。

また、本発明の第２の態様は、患部の観察または処置を行うマニピュレータへの操作指令を入力する操作入力装置であって、操作者の手により把持される把持部と、２以上のリンク部材と、隣接する一対の前記リンク部材をその長手軸に交差する関節軸回りに揺動可能に連結する１以上の関節とを有し、該把持部を移動可能に支持するアーム部とを備え、前記関節は、隣接する２つの前記リンク部材にそれぞれ固定され相互に噛み合う２つの歯車と、これら２つの歯車の平行な２つの軸線の各々を中心として搖動可能となるように２つの前記リンク部材にそれぞれ取り付けられて、２つの前記リンク部材を連結する連結部材と、前記一対のリンク部材の一方に固定された前記歯車の軸線に沿って延び、前記連結部材および前記一方のリンク部材の一方に固定されたシャフト部材と、前記連結部材および前記一方のリンク部材の他方に固定され、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられて、前記シャフト部材を径方向内方に締め付ける弾性部材とを有し、トルクのかかる方向とは逆方向に摩擦トルクを発生させる摩擦発生部と、を備える。

このようにすることで、２つのリンク部材にそれぞれ固定された２つの歯車は、連結部材によって常に噛み合った状態に維持されているので、関節により連結された２つのリンク部材の相対角度を変化させると、一方のリンク部材に対する連結部材の揺動角度と、該連結部材に対する他方のリンク部材の揺動角度とが、２つのリンク部材の相対角度の半分となる。これにより２つの軸線回りに２つのリンク部材を揺動させる、いわゆるダブルジョイント構造の関節が構成される。

この場合に、関節により連結された２つのリンク部材の相対角度を変化させる方向に外力が作用すると、一方の歯車の軸線に沿って延び、連結部材および一方のリンク部材のうち一方に固定されたシャフト部材と、連結部材および一方のリンク部材のうち他方に固定され、シャフト部材の外周面に巻き付けられた弾性部材との間に、両者をシャフト部材の周方向に相対移動させるトルクが作用する。

弾性部材は、シャフト部材の外周面に巻き付けられてシャフト部材を径方向内方に締め付けているので、両者間の静止摩擦力によって、外力によるトルクに対抗する摩擦トルクが発生する。弾性部材による締め付け力を適当に調節しておくことにより、重力によるトルクより大きく、重力を超える外力によるトルクより小さい摩擦トルクを発生させることができる。その結果、ダブルジョイント構造の関節を用いた場合においても、操作者が把持部から手を放したときに静止状態に維持され、操作者により把持部に加えられる比較的小さい外力によって容易に各リンク部材の姿勢を変化させることができる。

また、上記態様においては、前記一方のリンク部材に、前記シャフト部材の外周面に前記弾性部材を巻き付けたシャフトユニットをその長手軸方向に挿入させる挿入孔が設けられ、前記弾性部材が、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられる略円筒状の締結部と、該締結部から径方向外方に延びる突出部とを備え、前記挿入孔に、前記シャフトユニットを挿入するときに前記突出部が前記長手軸方向に挿入されて周方向に係止する溝が設けられていてもよい。

このようにすることで、ダブルジョイント構造の関節においてもシャフト部材と弾性部材とを組み付けたシャフトユニットを挿入孔に対して挿脱することにより、摩擦トルクを発生する関節の組立・分解を容易に行うことができるとともに、摩擦部材を容易に交換することができる。

また、上記態様においては、前記連結部材に、前記関節を超えて２つの前記リンク部材間で電気信号を伝達するケーブルを、前記歯車から離れたルートに沿って配線する配線用溝を備えていてもよい。
このようにすることで、ダブルジョイント構造の関節に存在する歯車から離れたルートに沿って、電気信号を伝達するケーブルを配線でき、両者の干渉をなくして、健全な状態に維持することができる。

また、上記態様においては、前記弾性部材が、前記シャフト部材に加わるトルクの方向に応じて締め付け力を増減させる一対の締結部を備え、前記一対の締結部はその締め付け力が増す方向が互いに逆方向となるように配置されていてもよい。
このようにすることで、一方の締結部により一方向のトルクに対抗する摩擦トルクを発生させ、他方の締結部により他方向のトルクに対抗する摩擦トルクを発生させることができる。これにより、関節に対していずれの方向の自重によるトルクが加わっても、いずれかの締結部により発生される摩擦トルクによって、関節を静止した状態に維持することができる。すなわち、操作者が把持部から手を放すときの把持部およびアーム部の姿勢にかかわらず、把持部およびアーム部を静止した状態に維持することができる。

また、上記態様においては、前記弾性部材による締め付け力を調節する調節部を備えていてもよい。
このようにすることで、経時変化等により弾性部材による締め付け力が低下しても、調節部により締め付け力を調節して適正な摩擦トルクを発生させることができる。また、関節が複数存在する場合には、操作者が把持部を把持して移動させる際に、いずれかの関節のみが動作するのではなく、全ての関節がバランスよく動作することでスムーズな操作指令を入力することができる。したがって、調節部により締め付け力を調節することで、関節をバランスよく動作させることができる。

また、上記態様においては、前記アーム部が、３以上の前記リンク部材と、２以上の前記関節とを備え、前記弾性部材のバネ定数が、基端側の前記関節ほど大きく設定されていてもよい。
複数の関節には、該関節よりも先端側に配置されている部材の自重によるトルクがかかるので、基端側の関節ほど大きなトルクがかかる。このようにすることで、基端側の関節ほど大きな摩擦トルクを発生させることができ、把持部から手を放したときに静止状態に維持することができるとともに、先端側の関節においては発生させる摩擦トルクを軽減して、スムーズな操作が可能となる。

また、上記態様においては、前記把持部が、操作者の手に接触しているか否かを検知する接触検知部を備え、各前記リンク部材の相対角度変位を検出するセンサと、該接触検知部により、操作者の手の接触が検知されていない状態で、前記センサにより検出される相対角度変位が所定の閾値以上に変化したときに、その旨を報知する報知部とを備えていてもよい。
このようにすることで、経時変化等により弾性部材が発生する摩擦トルクが低減した場合等に、自重によるトルクを支えきれずに関節が動いてしまうと、センサによりリンク部材間の相対角度変位が検出され、所定の閾値以上相対角度変位が生じた場合に報知部により報知される。これに基づいて、弾性部材を交換し、あるいは、弾性部材による締め付け力を調節すれば、操作入力装置とマニピュレータとの連動を切断した際の位置ズレを防止し、操作を容易にすることができる。

また、本発明の参考例としての発明の参考態様においては、他の前記リンク部材と前記連結部材との相対角度変位を検出するセンサを備えていてもよい。
このようにすることで、一のリンク部材と連結部材との間に摩擦トルクを発生する機構が構成され、他のリンク部材と連結部材との間に、リンク部材間の相対角度変位を検出するセンサが配置されるので、スペースを有効利用することができ、ダブルジョイント構造の関節を小型化できる。上述したように、リンク部材と連結部材との相対角度変位は、リンク部材間の相対角度変位の半分となるので、センサは、リンク部材間の相対角度変位をその半分の値として間接的に検出することができる。

また、本発明の第３の態様は、患部の観察または処置を行うマニピュレータと、上記いずれかの操作入力装置と、該操作入力装置により入力された操作指令に基づいて前記マニピュレータを制御する制御部とを備える医療用マニピュレータシステムを提供する。
上記態様においては、前記マニピュレータが、前記操作入力装置と相似する関節構成となるように一以上の関節を備えていてもよい。

本発明によれば、操作部の各関節にモータを設けることなく、切断時における操作部とマニピュレータとの位置ズレを防止することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る操作入力装置を備える医療用マニピュレータシステムを示す全体構成図である。 図１の医療用マニピュレータシステムに用いられるマニピュレータ、操作入力装置および制御部を示す図である。 図１の医療用マニピュレータシステムに備えられる操作入力装置を示す斜視図である。 図３の操作入力装置の関節の内部構造を示す平面図である。 図３の操作入力装置の関節の内部構造を示す縦断面図である。 図３の操作入力装置の関節に備えられるシャフトユニットの（ａ）分解斜視図および（ｂ）挿入孔への挿入を示す斜視図である。 図６のシャフトユニットの平面図であり、（ａ）大きな摩擦トルクを発生するシャフト部材の回転方向、（ｂ）小さな摩擦トルクを発生するシャフト部材の回転方向をそれぞれ示す図である。 図３の操作入力装置に備えられる（ａ）最も基端側の関節、（ｂ）先端側２つの関節にかかる自重トルクを説明する模式図である。 図３の操作入力装置の第１の変形例であり、摩擦トルクを調節する押しネジを示すリンク部材の部分的な横断面図である。 図３の操作入力装置の第２の変形例であり、摩擦トルクを調節するすり割りを有するシャフト部材とテーパ雌ネジを示すシャフトユニットの部分的な斜視図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの変形例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る操作入力装置２および医療用マニピュレータシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１は、図１に示されるように、操作者Ｏにより操作される操作入力装置２と、患者Ｐの体腔内に挿入されるマニピュレータ３と、操作入力装置２の操作に基づいてマニピュレータ３を制御する制御部４と、モニタ５とを備えている。

マニピュレータ３は、例えば、図２に示されるように、患者Ｐの体腔内に挿入される挿入部６と、該挿入部６の長手方向に貫通形成されたチャネルＲを介して患者Ｐの体内に挿入される先端側動作部７とを備えている。各先端側動作部７は、チャネルＲ内に長手方向に移動可能に配置される長尺部８と、該長尺部８の先端に備えられた可動部９と、可動部９の先端に設けられた高周波グリッパ１１と、長尺部８の基端側に配置され、図示しないワイヤ等の動力伝達部材によって可動部９を駆動する先端駆動部１０とを備えている。先端駆動部１０は、制御部４からの動作指令に応じてワイヤに張力を付与するモータ等の電気的な駆動源（図示略）を備えている。

各可動部９は、図２に白抜きの矢印で示すように、先端に配置される把持鉗子等の処置部１１を長尺部８の長手軸に直交する軸線回りに揺動させる３つの関節１２，１３，１４と、長尺部８の長手軸回りに回転させる１つの関節１５とを有している。各可動部９は、これら４つの関節１２，１３，１４，１５の動作によって各把持鉗子１１の先端位置を３次元的に位置決めすることができるようになっている。

また、マニピュレータ３は、各先端側動作部７の基端側に接続され、各先端側動作部７を挿入部６の長手方向に進退させるとともに、挿入部６の先端近傍において、長尺部８を長手方向に直交する方向に湾曲させる２つの基端側動作部１６を備えている。

本実施形態に係る操作入力装置２は、図２および図３に示されるように、操作者Ｏの手によって操作される第１の操作部１９と、操作者Ｏの手首または腕によって操作される第２の操作部２０と、これらの操作部１９，２０により入力された操作指令をマニピュレータ３に伝達する指令伝達部２１とを備えている。

第１の操作部１９は、マニピュレータ３の可動部９と相似形に構成されており、操作者Ｏの手によって把持される把持部２５と、可動部９と同じ数の関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋによって把持部２５を支持するアーム部２２と、該アーム部２２を支持する本体部２３とを備えている。

把持部２５は、図２および図３に示されるように、操作者Ｏによって把持される棒状に形成され、その外周面に、スライドセンサ３２および３つの押しボタン３３，３４，３５を備えている。
スライドセンサ３２は、棒状の把持部２５の長手軸方向にスライド可能に設けられており、エンドエフェクタである高周波グリッパ１１の主機能の１つであるグリッパの開閉角度を調節するために使用されるようになっている。スライドセンサ３２は、スライド可能なスライダ３６を備えている。スライダ３６は、操作者Ｏが把持部２５を把持した手の人差し指で操作し易い位置に配置され、人差し指を離したときには、その位置に停止した状態に維持されるようになっている。

３つの押しボタン３３，３４，３５のうちの２つの押しボタン３３，３４は、スライドセンサ３２のスライダ３６のスライド方向に並んで配列されている。これらの押しボタン３３，３４は、エンドエフェクタである高周波グリッパ１１の他の主機能であるグリッパからの高周波通電を行うためのオンオフスイッチである。２つの押しボタン３３，３４は、例えば、切開モード、凝固モードでの処置の際に選択的に押されて使用されるようになっている。

他の１つの押しボタン３５は、スライドセンサ３２等とは把持部２５の周方向に９０°異なる位置に配列されている。この押しボタン３５は、例えば、クラッチボタンであり、押す度に操作入力装置２とマニピュレータ３との連動の接続と切断とを切り替えることができるようになっている。

アーム部２２は、４つのリンク部材３７，３８，３９，４０と、該４つのリンク部材３７，３８，３９，４０を直列に連結する３つの関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３と、これら全体を本体部２３に対して水平軸線回りに回転可能に支持する１つの回転関節Ｋとを備えている。最先端のリンク部材３７の先端には把持部２５が固定されている。

先端側の３つの関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は、同一の構造を有しているので、関節Ｊ１を例に挙げて説明する。関節Ｊ１は、図４および図５に示されるように、隣接する２つのリンク部材３７，３８にそれぞれ固定され相互に噛み合う平歯車（歯車）４１，４２と、これら２つの平歯車４１，４２の平行な各々の軸線回りに揺動可能となるように、２つのリンク部材３７，３８にそれぞれ取り付けられて２つのリンク部材３７，３８を連結する連結部材５１とを備えている。

２つのリンク部材３７，３８にそれぞれ固定された２つの平歯車４１，４２は、連結部材５１によって常に噛み合った状態に維持される。したがって、関節Ｊ１により連結された２つのリンク部材３７，３８の相対角度を変化させると、一のリンク部材３７に対する連結部材５１の揺動角度と、連結部材５１に対する他のリンク部材３８の揺動角度とが、２つのリンク部材３７，３８の相対角度の半分となる関係で動作するようになっている。これにより２つの軸線回りに２つのリンク部材３７，３８を揺動させる、いわゆるダブルジョイント構造の関節が構成されている。

例えば、先端側に配置されるリンク部材３７を第１のリンク部材、基端側に配置されるリンク部材３８を第２のリンク部材とすると、第１のリンク部材３７に固定された平歯車４１の軸線位置には角度センサ（センサ）４７が配置され、第２のリンク部材３８に固定された平歯車４２の軸線位置にはシャフトユニット（摩擦発生部）４８が配置されている。

角度センサ４７はエンコーダであって、第１のリンク部材３７に固定されたセンサ本体４９と、連結部材５１に固定された検出軸５０とを備え、第１のリンク部材３７と連結部材５１との間の相対角度を検出するようになっている。上述したように、リンク部材３７と連結部材５１との相対角度変位は、第１のリンク部材３７と第２のリンク部材３８との相対角度変位の丁度半分なので、角度センサ４７は、２つのリンク部材３７，３８の相対角度変位を、その半分の角度信号として間接的に検出するようになっている。

シャフトユニット４８は、図６（ａ）に示されるように、連結部材５１に固定されるシャフト部材５４と、該シャフト部材５４の外周面に巻き付けられて該シャフト部材５４を径方向内方に締め付ける一対の板バネ部材（弾性部材）５５とを備えている。
シャフト部材５４は、図５に示されるように、ネジ５６によって連結部材５１に固定されている。

板バネ部材５５は、スリット５７を有する円筒状の締結部５８と、該締結部５８の周方向の一端を径方向外方に折り曲げて突出させた突出部５９とを備えている。自由状態における締結部５８の内径寸法はシャフト部材５４の外径寸法より小さく設定されている。板バネ部材５５をシャフト部材５４に装着する際には、弾発力に抗してスリット５７を押し広げるように締結部５８を弾性変形させながら内側にシャフト部材５４を嵌合させる。これにより、板バネ部材５５は、その締結部５８がシャフト部材５４の外周面に巻き付いて径方向内方に締め付けるように装着されるようになっている。

シャフトユニット４８に備えられた一対の板バネ部材５５は、図６（ｂ）に示されるように、突出部５９を基準とした締結部５８の巻き付け方向を異ならせてシャフト部材５４に装着されている。
例えば、締結部５８がシャフト部材５４の外周面に反時計回りに巻き付けられている場合を例に挙げて説明すると、図７（ａ）に示されるように、板バネ部材５５を固定してシャフト部材５４を反時計回りに回転させるトルクが加わった場合には、シャフト部材５４の外周面と締結部５８の内面との間の摩擦によって締結部５８がスリット５７を狭める方向に引っ張られるため、摩擦トルクが大きくなる。

逆に、図７（ｂ）に示されるように、板バネ部材５５を固定してシャフト部材５４を時計回りに回転させるトルクが加わった場合には、シャフト部材５４の外周面と締結部５８の内面との間の摩擦によって締結部５８がスリット５７を広げる方向に引っ張られるため、摩擦トルクが小さくなる。
すなわち、一対の板バネ部材５５が巻き付け方向を異ならせて同一のシャフト部材５４に装着されることにより、シャフト部材５４が時計回りまたは反時計回りのいずれの方向に回転しても、いずれかの板バネ部材５５による摩擦トルクが増大するようになっている。

関節Ｊ１を例に挙げて説明すると、シャフトユニット４８は、図５および図６（ｂ）に示されるように、第２のリンク部材３８を貫通する挿入孔６０に挿入され、第１および第２のリンク部材３７，３８を平歯車４１，４２の軸線方向に両側から挟むように着脱可能に取り付けられる２つの連結部材５１の少なくとも一方にネジ５６により固定されている。第２のリンク部材３８に設けられた挿入孔６０には、図６（ｂ）に示されるように、周方向に間隔をあけて２カ所に長手方向に沿って形成された溝６２が設けられている。

溝６２は、板バネ部材５５の厚さと略同等の溝幅寸法を有し、シャフトユニット４８が挿入孔６０に挿入される際に、一対の板バネ部材５５の２つの突出部５９をそれぞれ収容するようになっている。すなわち、シャフト部材５４および一対の板バネ部材５５はシャフトユニット４８の形態で、挿入孔６０に挿入でき、かつ挿入孔６０から取り出すことができるようになっている。
そして、突出部５９が溝６２に収容されることにより、板バネ部材５５は締結部５８の周方向に移動しないように第２のリンク部材３８に係止されるようになっている。

また、本実施形態においては、板バネ部材５５による摩擦トルクの大きさは以下のように設定されている。
すなわち、アーム部２２を構成する各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３には、図８に示されるように、該関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３より先端側に配置されているリンク部材３７，３８，３９、関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３および把持部２５の自重の合計がそれらの合成重心位置にかかることによるトルクが作用するものと考えることができる。したがって、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３において発生させる摩擦トルクは、これらの自重により関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に作用するトルクを超える大きさとなるように設定されている。

各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に作用する自重によるトルクが最も大きくなるのは、関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３からの合成重心位置が最も遠くなる状態、すなわち、全ての関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３を延ばした状態である。
最も基端側の関節Ｊ３には、図８（ａ）に示されるように、それより先端側の部材３７，３８，３９の合計自重ｍ_Ｊ３が合成重心位置ｘ_Ｊ３にかかるため、関節Ｊ３に作用するトルクＴ_Ｊ３は、
Ｔ_Ｊ３＝ｍ_Ｊ３×ｘ_Ｊ３
となる。

また、図８（ｂ）に示されるように、先端側の２つの関節Ｊ１，Ｊ２にも、図８（ｂ）に示されるように、各関節Ｊ１，Ｊ２よりも先端側の部材３７，３８の合計自重ｍ_Ｊ１，ｍ_Ｊ２が、合成重心位置ｘ_Ｊ１，ｘ_Ｊ２にかかるため、関節Ｊ１，Ｊ２に作用するトルクＴ_Ｊ１，Ｔ_Ｊ２は、
Ｔ_Ｊ１＝ｍ_Ｊ１×ｘ_Ｊ１
Ｔ_Ｊ２＝ｍ_Ｊ２×ｘ_Ｊ２
となる。

すなわち、一対の板バネ部材５５はシャフト部材５４のいずれの方向にトルクが作用してもそれに対抗し得るように、それぞれ上記トルクＴ_Ｊ１，Ｔ_Ｊ２，Ｔ_Ｊ３より大きな摩擦トルクを発生させるようにそのバネ定数および締結部５８の寸法（自由状態での内径および締結部５８の内周面の面積等）が設定されている。つまり、板バネ部材５５のバネ定数は、基端側の関節Ｊ３ほど大きく設定されている。

連結部材５１は、リンク部材３７，３８にそれぞれ設けられたボス部５２に嵌合する凹部５３を備え、例えば、スナップフィット式に嵌合されることによって、２つのリンク部材３７，３８に対して揺動可能に取り付けられ、かつ、２つのリンク部材３７，３８を連結するようになっている。
また、連結部材５１にはその周縁近傍に全周にわたって周溝（配線用溝）６５が設けられている。関節Ｊ１を例に挙げて説明すると、図４および図５に示されるように、一方のリンク部材３７の空洞部を経由して導かれてきたケーブル６６をリンク部材３７の開口部から連結部材５１の周溝６５内に取り出し、周溝６５を経由した後に他方のリンク部材３８の開口部からその空洞部内に導くように配線することができるようになっている。これにより、平歯車４１，４２との干渉を回避するルートでケーブル６６を容易に配線することができるようになっている。

また、アーム部２２の最も基端側に配置されている回転関節Ｋは、本体部２３に対して回転可能に支持された回転部（図示略）を備え、本体部２３に対する回転部の相対角度変位を検出するエンコーダのような角度センサ（図示略）と、回転部に固定されたシャフト部材（図示略）と、本体部２３に固定されシャフト部材の外周面に巻き付けられた一対の板バネ部材（図示略）とを備えている。
この回転関節Ｋにおける摩擦トルクの設定は、関節Ｊ１，Ｊ２を延ばし、関節Ｊ３を９０°に屈曲させた状態で、水平方向にアーム部２２を延ばしたときに回転関節Ｋにかかる自重によるトルクを超える大きさとなるように行われている。

第２の操作部２０は、第１の操作部１９の本体部２３に固定された腕置き台２６と、該腕置き台２６および第１の操作部１９を一体的に移動可能に支持する直動機構２７とを備えている。腕置き台２６は、操作者Ｏが第１の操作部１９の把持部２５を把持したときに、丁度把持部２５を把持する手の手首近傍の腕が載せられる位置に配置されている。

直動機構２７は、腕置き台２６および第１の操作部１９を固定するスライダ２８と、図２に黒塗りの矢印で示すように、該スライダ２８を相互に直交する水平２方向に移動可能に支持する直線ガイド２９とを備えている。腕置き台２６に乗せた腕によってスライダ２８を水平方向に移動させることにより第１の操作部１９を把持した姿勢を維持したままで、第１の操作部１９の位置を移動させることができるようになっている。これにより、第２の操作部２０は、操作者Ｏの手首または腕により操作指令を入力し、手首または腕により入力した力を、２つのスライダ２８の機械的な駆動力として発生することができるようになっている。

指令伝達部２１は、第１の操作部１９と先端駆動部１０とを接続する電気信号伝達部３０と、第２の操作部２０と基端側動作部１６とを接続する機械的動力伝達部３１とを備えている。
電気信号伝達部３０は、第１の操作部１９により発生された電気信号からなる動作指令を制御部４に伝達し、制御部４によって生成された指令信号を先端駆動部１０の各モータに供給するようになっている。制御部４は、第１の操作部１９により発生した動作指令に基づいて、先端駆動部１０の各モータの回転移動量および回転速度を算出し、各モータを制御するようになっている。

また、制御部４は、第１の操作部１９の把持部２５に設けられたスライドセンサ３２のスライダ３６のスライド位置に応じて高周波グリッパ１１の開閉角度を変更するように、エンドエフェクタを制御するようになっている。また、制御部４は、押しボタン３３，３４，３５が押されたときには、各押しボタン３３，３４，３５に割り当てられた機能、すなわち、切開モードでの通電の入切、凝固モードでの通電の入切、クラッチの断続を制御するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る操作入力装置２および医療用マニピュレータシステム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１を用いて患者Ｐの体内の患部を処置するには、患者Ｐの体腔内にマニピュレータ３の挿入部６を挿入し、挿入部６のチャネルＲを介して患者Ｐの体内に可動部９および長尺部８を挿入する。

そして、可動部９が体腔内の患部に近接して配置された状態で、操作者Ｏは、図示しない内視鏡により取得された画像をモニタ５で確認しながら、操作入力装置２を操作する。操作入力装置２を操作するには、操作者Ｏは、第１の操作部１９の把持部２５を一方の手で把持し、その手の腕を第２の操作部２０の腕置き台２６に乗せる。

そして、操作者Ｏが、腕から腕置き台２６に力を加えると、腕置き台２６が固定されたスライダ２８がその力の方向に移動し、その移動量が、前後進方向の直進移動量と、左右方向の直進移動量とに分解されて、それぞれ、可動部９の先端に位置する高周波グリッパ１１の先端位置を手動によって前後進方向および左右方向に大まかに移動させることができる。

一方、操作者Ｏが手で把持している第１の操作部１９の把持部２５を移動させると、その移動量が各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋに設けられた角度センサ４７によって検出され、電気信号として制御部４に伝達される。制御部４においては、角度センサ４７によって検出された各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋの角度に一致するように可動部９の各関節１２，１３，１４，１５を動作させる電気的な動作指令が算出されて、各関節１２，１３，１４，１５に接続されたモータに供給される。これにより、可動部９の先端に設けられている高周波グリッパ１１の先端位置が、手の動作によって指示された通りに、電動で精密に移動させられる。

そして、操作者Ｏが、高周波グリッパ１１により生体組織を把持するようにスライドセンサ３２のスライダ３６をスライドさせたときには、制御部４がスライダ３６の位置に応じて高周波グリッパ１１を開閉させる。この場合に、把持部２５を把持している操作者Ｏの手の人差し指がスライダ３６に接触する位置に配置されているので、人差し指の動作によりスライダ３６を把持部２５の長手方向に容易にスライドさせることができる。

また、操作入力装置２とマニピュレータ３との連動を切断したいときには、操作者Ｏは親指をスライドさせて押しボタン３５を押す。クラッチボタンとしての押しボタン３５を、把持部２５を把持している状態の親指の位置からずれた位置に配置しているので、クラッチボタンの誤操作を防止することができるとともに、クラッチでの操作中断を意味づけることができる。

そして、操作入力装置２とマニピュレータ３との連動が切断された状態で、操作者Ｏが把持部２５から手を放すと、操作入力装置２の第１の操作部１９を構成しているアーム部２２の各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋには、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋよりも先端側に配置されている部材の自重の合計が、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋを回転させる自重トルクとして作用する。本実施形態に係る操作入力装置２によれば、自重トルクとは逆方向に自重トルクより大きな摩擦トルクを発生させる板バネ部材５５が設けられているので、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋは静止状態に維持される。

その結果、操作入力装置２とマニピュレータ３との連動が切断された状態で、操作者Ｏが把持部２５から手を放しても、アーム部２２の各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋが静止して、把持部２５およびアーム部２２がその場で静止し同じ姿勢に維持されるので、次に操作入力装置２とマニピュレータ３との連動を再開させるときに、操作入力装置２とマニピュレータ３との位置ズレの発生を防止して、容易に再開させることができるという利点がある。

また、本実施形態においては、連結部材５１に固定されたシャフト部材５４と、リンク部材３８，３９，４０に固定されシャフト部材５４の外周面に巻き付けられた板バネ部材５５とにより、自重トルクに対抗する摩擦トルクを発生させるので、簡易な構成によって安定的に、連動切断状態のアーム部２２を静止状態に維持することができる。特に、モータ等の大がかりな装置を使用しないので、アーム部２２の小型化を図ることができる。

また、シャフト部材５４に逆方向に巻き付けられた一対の板バネ部材５５を備えるので、自重トルクがいずれの方向に作用してもこれに対抗する摩擦トルクを発生させ、簡易な構成によって安定的に、連動切断状態のアーム部２２を静止状態に維持することができる。

さらに、単に大きな摩擦トルクを発生させるだけではなく、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋに作用する自重トルクの最大値に対抗し得る摩擦トルクを発生するように、関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋ毎に摩擦トルクを調節しているので、操作者Ｏが把持部２５を操作する際に、把持部２５に加えた力によって容易に動作させることができる。
特に、自重トルクを超えるトルクを発生させる外力により把持部２５を動かしたときに、いずれかの関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋのみが動くのではなく、全ての関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋが動くように摩擦トルクを調節することにより、操作性が低下するのを防止することができる。

また、リンク部材３８，３９，４０に設けた挿入孔６０に、その長手方向に沿ってシャフトユニット４８を挿入し、シャフト部材５４と連結部材５１とをネジ５６で固定するだけで摩擦トルクを発生する機構を構成できる。逆に、シャフト部材５４を連結部材５１に固定するネジ５６を外し、連結部材５１を取り外せば、シャフトユニット４８の形態で挿入孔６０から取り外すことができる。すなわち、シャフト部材５４と板バネ部材５５とを組み付けたシャフトユニット４８を挿入孔６０に対して挿脱することにより、摩擦トルクを発生する関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の組立・分解を容易に行うことができるとともに、板バネ部材５５を容易に交換することができる。

なお、本実施形態に係る操作入力装置２においては、アーム部２２の３つの関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３としてダブルジョイント構造の関節を例示したが、これに代えて、単一の軸線を有する関節を採用してもよい。関節Ｊ１を例に挙げて説明すると、この場合には、一方のリンク部材３７にシャフト部材５４が固定され、該シャフト部材５４に巻き付けられる板バネ部材５５が他方のリンク部材３８に固定されればよい。

また、本実施形態においては、シャフト部材５４の外周面を締め付ける弾性部材として板バネ部材５５を例示したが、これに代えて、バネ材を螺旋状に巻いて全体として円筒状に形成されたコイルバネ部材を採用してもよい。

また、図９に示される押しネジ（調節部）６１のように、外部から板バネ部材５５による締め付け力を調節する機構を採用してもよい。経年変化により締め付け力が低下したときに、押しネジ６１によって板バネ部材５５を外側から押して締め付け力を増大させたり、複数の関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３において発生する摩擦トルクのバランスをとるために、押しネジ６１により摩擦トルクの大きさを調節したりすることができる。

また、図１０に示されるように、シャフト部材５４に周方向に間隔をあけて複数のスリットを形成し、中心にテーパ雌ネジ（調節部）６７を設けておくことにより、該テーパ雌ネジ６７に締結するテーパ雄ねじ（図示略）の締結量を調節して、シャフト部材５４の外径を変化させ、板バネ部材５５により発生する摩擦トルクの大きさを外部から調節することにしてもよい。

また、本実施形態においては、摩擦トルクの調節を、アーム部２２の関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３を全て延ばした状態において各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋに係るトルクを基準に調節することとしたが、さらに、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋの動作範囲の中心位置（スイートスポット）を定義し、そこに力をかけたときに関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋに発生する摩擦トルクが各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋで一致するように摩擦トルクを調節してもよい。これにより、自重トルクを補償しつつ、各関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋを連動して動作させることができ、高い操作性を達成することができる。

また、図１１に示されるように、把持部２５に、操作者Ｏの手が接触しているか否かを検知する接触センサ（接触検知部）６３を設け、接触センサ６３により操作者Ｏの手の接触が検知されていない状態で、角度センサ４７により検出され制御部４に送られてくる相対角度変位が所定の閾値以上か否かを判定し、所定の閾値以上の場合にその旨を報知する報知部６４を備えていてもよい。接触センサ６３は、例えば、把持部２５を把持したときに、その操作者Ｏの把持する手の親指が配置されることとなる位置において親指が接触したか否かを検出する。

関節Ｊ１を例に挙げて説明すると、経時変化等により弾性部材５５が発生する摩擦トルクが低減した場合等に、自重トルクを支えきれずに関節Ｊ１が動いてしまうと、角度センサ４７によりリンク部材３７，３８間の相対角度変位が検出され、動きが大きい場合には報知部６４により報知される。これに基づいて、板バネ部材５５を交換し、あるいは、板バネ部材５５による締め付け力を調節すれば、操作入力装置２とマニピュレータ３との連動を切断した際の位置ズレを防止し、操作を容易にすることができる。

また、本実施形態においては、各関節に角度センサ４７を配置し、リンク部材３７，３８，３９，４０相互の相対角度変位を検出することとしたが、これに限定されるものではなく、他の任意の方法によってリンク部材３７，３８，３９，４０相互の相対角度変位を検出することにしてもよい。

１ 医療用マニピュレータシステム
２ 操作入力装置
３ マニピュレータ
４ 制御部
１２，１３，１４，１５，Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｋ 関節
２２ アーム部
２５ 把持部
３７，３８，３９，４０ リンク部材
４１，４２ 平歯車（歯車）
４７ 角度センサ（センサ）
４８ シャフトユニット（摩擦発生部）
５１ 連結部材
５４ シャフト部材
５５ 板バネ部材（弾性部材）
５８ 締結部
５９ 突出部
６０ 挿入孔
６１ 押しネジ（調節部）
６２ 溝
６３ 接触センサ（接触検知部）
６４ 報知部
６５ 周溝（配線用溝）
６６ ケーブル
６７ テーパ雌ネジ（調節部）
Ｏ 操作者

Claims (12)

1. 患部の観察または処置を行うマニピュレータへの操作指令を入力する操作入力装置であって、
   操作者の手により把持される把持部と、
   ２以上のリンク部材と、隣接する一対の前記リンク部材をその長手軸に交差する関節軸回りに揺動可能に連結する１以上の関節とを有し、該把持部を移動可能に支持するアーム部とを備え、
   各該関節は、前記一対のリンク部材の一方に固定され前記関節軸に沿って延びるシャフト部材と、前記一対のリンク部材の他方に固定され、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられて、径方向内方に締め付ける弾性部材とを有し、トルクのかかる方向とは逆方向に摩擦トルクを発生させる摩擦発生部を備える操作入力装置。
2. 前記他方のリンク部材に、前記シャフト部材の外周面に前記弾性部材を巻き付けたシャフトユニットをその長手軸方向に挿入させる挿入孔が設けられ、
   前記弾性部材が、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられる略円筒状の締結部と、該締結部から径方向外方に延びる突出部とを備え、
   前記挿入孔に、前記シャフトユニットを挿入するときに前記突出部が前記長手軸方向に挿入されて周方向に係止する溝が設けられている請求項１に記載の操作入力装置。
3. 前記弾性部材が、前記シャフト部材に加わるトルクの方向に応じて締め付け力を増減させる一対の締結部を備え、前記一対の締結部はその締め付け力が増す方向が互いに逆方向となるように配置されている請求項１に記載の操作入力装置。
4. 患部の観察または処置を行うマニピュレータへの操作指令を入力する操作入力装置であって、
   操作者の手により把持される把持部と、
   ２以上のリンク部材と、隣接する一対の前記リンク部材をその長手軸に交差する関節軸回りに揺動可能に連結する１以上の関節とを有し、該把持部を移動可能に支持するアーム部とを備え、
   前記関節は、
   隣接する２つの前記リンク部材にそれぞれ固定され相互に噛み合う２つの歯車と、
   これら２つの歯車の平行な２つの軸線の各々を中心として搖動可能となるように２つの前記リンク部材にそれぞれ取り付けられて、２つの前記リンク部材を連結する連結部材と、
   前記一対のリンク部材の一方に固定された前記歯車の軸線に沿って延び、前記連結部材および前記一方のリンク部材の一方に固定されたシャフト部材と、前記連結部材および前記一方のリンク部材の他方に固定され、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられて、前記シャフト部材を径方向内方に締め付ける弾性部材とを有し、トルクのかかる方向とは逆方向に摩擦トルクを発生させる摩擦発生部と、
   を備える操作入力装置。
5. 前記一方のリンク部材に、前記シャフト部材の外周面に前記弾性部材を巻き付けたシャフトユニットをその長手軸方向に挿入させる挿入孔が設けられ、
   前記弾性部材が、前記シャフト部材の外周面に巻き付けられる略円筒状の締結部と、該締結部から径方向外方に延びる突出部とを備え、
   前記挿入孔に、前記シャフトユニットを挿入するときに前記突出部が前記長手軸方向に挿入されて周方向に係止する溝が設けられている請求項４に記載の操作入力装置。
6. 前記連結部材に、前記関節を超えて２つの前記リンク部材間で電気信号を伝達するケーブルを、前記歯車から離れたルートに沿って配線する配線用溝を備える請求項４または請求項５に記載の操作入力装置。
7. 前記弾性部材が、前記シャフト部材に加わるトルクの方向に応じて締め付け力を増減させる一対の前記締結部を備え、前記一対の締結部はその締め付け力が増す方向が互いに逆方向となるように配置されている請求項５に記載の操作入力装置。
8. 前記弾性部材による締め付け力を調節する調節部を備える請求項１に記載の操作入力装置。
9. 前記アーム部が、３以上の前記リンク部材と、２以上の前記関節とを備え、
   前記弾性部材のバネ定数が、基端側の前記関節ほど大きく設定されている請求項１に記載の操作入力装置。
10. 前記把持部が、操作者の手に接触しているか否かを検知する接触検知部を備え、
    各前記リンク部材の相対角度変位を検出するセンサと、
    該接触検知部により、操作者の手の接触が検知されていない状態で、前記センサにより検出される相対角度変位が所定の閾値以上に変化したときに、その旨を報知する報知部と、を備える請求項１に記載の操作入力装置。
11. 患部の観察または処置を行うマニピュレータと、
    請求項１に記載の操作入力装置と、
    該操作入力装置により入力された操作指令に基づいて前記マニピュレータを制御する制御部とを備える医療用マニピュレータシステム。
12. 前記マニピュレータが、前記操作入力装置と相似する関節構成となるように一以上の関節を備える請求項１１に記載の医療用マニピュレータシステム。

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