JP6564668B2 - マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータに関する。

近年、外科手術の一手法として、例えば腹腔鏡下手術に代表される低侵襲手術が注目されている。低侵襲手術では、体表に開けた５〜１０ｍｍ程度の狭小な切開孔を通じて内視鏡や鉗子等の手術器具が挿入され、体の内部で手術が行われる。従って、通常の外科手術（例えば開胸手術や開腹手術）に比べて、手術時の患者の体に対するダメージや手術後の痛みの狭小化が可能という利点がある。

低侵襲手術に用いられる鉗子は、患者の体の切開孔によりその姿勢を拘束されるため、患部に対して限られた方向からのアプローチしかできない。このような条件下で把持、結紮等の作業を簡便に行うために、鉗子の先端部分を複数の方向に屈曲する屈曲鉗子（つまり、多自由度マニピュレータ）の開発要請がある。

この種の多自由度マニピュレータの製品としては、例えばインテュイティブ・サージカル社の「da Vinci surgical system」が知られている（非特許文献１参照）。非特許文献１の多自由度マニピュレータでは、駆動装置からの動力伝達手段としてワイヤーが採用されている。ワイヤーを駆動装置で巻き上げることで、関節の屈曲や把持部の開閉などを実現している。

また、多自由度マニピュレータに関する先行技術としては、例えば特許文献１などが挙げられる。特許文献１に開示される多自由度マニピュレータでは、駆動装置からの動力伝達手段としてリンク機構が採用されている。

特許第４４６０８９０号公報

Gary S. Guthart and J. Kenneth Salisbury, Jr., "The Intuitive(TM) Telesurgery System: Overview and Application", Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation San Francisco, CA April 2000, pp. 618-621, 2000

しかしながら、非特許文献１において採用されている動力伝達の手法としてのワイヤー駆動には次のような問題がある。

第一に、ワイヤーは「伸び」や「切れ」等のおそれがあるため、頻繁に交換しなければならない。例えば上述した「da Vinci surgical system」では、約１０回の手術につきワイヤー交換が必要となる。しかも、ワイヤーは複数のギアやプーリに巻回されているため、取り外しや装着に非常な手間を要する。これにより、ランニングコスト及びメンテナンス負荷の増大を招いている。

第二に、ワイヤーは伸縮するため、関節や把持部の制御精度に限界がある。また、ワイヤーは一方向（引き方向）にしか動力を伝達できないという欠点もある。

第三に、ワイヤーは滅菌・洗浄が難しいという問題がある。このため、従来の多自由度マニピュレータでは、術前、術後の滅菌・洗浄作業が非常に煩雑である。

また、特許文献１において採用されている動力伝達の手法としてのリンク機構には次のような問題がある。

第一に、複数のリンクからなる複数のリンク機構を備えた場合、部品点数が増え、小型化、軽量化が困難となり、製品コストが増大する。

第二に、複数のリンク機構によって回転動作を行わせると、捕捉器具（例えば特許文献１の第１支持体１６）の屈曲半径（言い換えると、首振り半径）が大きくなり、狭小な部位に対して行われる手術時の患部に近づくための滑らかな動きが困難となる。この不具合は、ギアやプーリを用いたワイヤー駆動においても同様に生じる。

本発明は、上記従来の事情に鑑みて案出され、患部への処置を施す先端部への動力伝達手段としてワイヤーを廃止でき、少ない部品点数で小型化、軽量化、コスト低減が可能であり、更に、患部への容易なアプローチが可能となるマニピュレータを提供することを目的とする。

本発明は、矩形状の横板ばねと、前記横板ばねの板面に垂直な板面を有して起立しかつ前記横板ばねの長手方向一端に基端が接続され、前記横板ばねの板幅方向の一方に突出するとともに、前記横板ばねの長手方向に沿って延在しかつ延在方向先端が前記突出の方向と反対方向に曲がる屈曲部となる湾曲縦板ばねと、前記屈曲部の先端に接続され、前記横板ばねの板面に垂直な回転中心で支持されて回転自在となる軸体と、前記軸体の外周から半径方向に突出して設けられた作動部と、を含む、可撓作動体を少なくとも１つ有する、マニピュレータを提供する。

このマニピュレータによれば、横板ばねと、湾曲縦板ばねと、軸体とが、同一面上で直列的に配置されて、可撓作動体が構成される。湾曲縦板ばねは、横板ばねに対し、板面が起立する向きで接続される。可撓作動体は、横板ばねの長手方向他端が、長手方向に沿う方向で押圧されると、軸体が上記の同一平面内で移動不能に支持されている場合、湾曲縦板ばねが更に湾曲する方向に変形する。横板ばねと湾曲縦板ばねの板面とが直交するので、湾曲縦板ばねの変形方向が９０°変わる。湾曲縦板ばねは、この変形によって蓄えられた内部応力の殆どが弾性復元力となる。この弾性復元力の一部は、軸体に対し、モーメントを生じさせる軸体外周の接線方向の分力として作用する。

また、本発明は、前記横板ばねと前記湾曲縦板ばねとが接続された入隅の前記横板ばねに、一対の直交する辺部を有する補強部の一方の前記辺部が固定されるとともに、前記入隅の前記湾曲縦板ばねに前記補強部の他方の前記辺部が固定される、マニピュレータを提供する。

このマニピュレータによれば、横板ばねと湾曲縦板ばねとの接続部が補強部によって補強され、剛性が高められる。これにより、横板ばねから伝わる力によって、湾曲縦板ばねに捩れが生じにくくなる。その結果、横板ばねから湾曲縦板ばねへ伝わる力の伝達効率を高めることができる。

また、本発明は、一対の前記可撓作動体を、備え、一対の前記可撓作動体は、一方の前記可撓作動体の前記湾曲縦板ばねの湾曲の突出方向に対して他方の前記可撓作動体の湾曲の突出方向が反対となるように重ねられるとともに、一対の前記可撓作動体のそれぞれの前記軸体を貫通した同一のピンによって前記回転中心で回転自在に連結され、一対の前記可撓作動体における一対の前記横板ばねの長手方向他端から長手方向中間までが外筒の内部に収容される、マニピュレータを提供する。

このマニピュレータによれば、一対の可撓作動体の湾曲縦板ばねの突出方向が逆向きとなるので、それぞれの横板ばねの長手方向他端（つまり、作動部側とは反対側）を同時に押したり引いたりすることにより、それぞれの作動部を接近離反させることができる。つまり、作動部が例えば腹腔鏡下手術における鉗子やピンセット等の捕捉器具であれば挟持が可能となる。また、このマニピュレータでは、一対の横板ばねの長手方向他端（つまり、作動部側とは反対側）を同時に逆方向に押したり引いたりすることにより、一対の作動部を軸体の回転中心を中心に同方向に回転させることができる。つまり、作動部が例えば腹腔鏡下手術における鉗子やピンセット等の捕捉器具であれば捕捉器具を閉じたまま正逆回転させることができる。

また、本発明は、前記軸体の回転中心が、前記横板ばねの板幅方向の中央を通る軸線上に配置される、マニピュレータを提供する。

このマニピュレータによれば、横板ばねの軸線の延長線上に１本のピンによってそれぞれの軸体の回転中心が共用的に配置されかつ固定される。これにより、マニピュレータは、一対の湾曲縦板ばねの湾曲方向突出端同士の突出幅を小さく抑制しながら、湾曲形状の確保が可能となる。

また、本発明は、前記ピンの両端を支持するホルダ、を更に備え、前記ホルダには、一対の前記可撓作動体のそれぞれの前記横板ばねと平行に挟むとともに、前記横板ばねと同方向に延在する一対の外側横板ばねの一端が接続され、一対の前記外側横板ばねは、長手方向他端から長手方向中間までが前記外筒の内部に収容される、マニピュレータを提供する。

このマニピュレータによれば、一対の横板ばねの外側に、これらを挟んで一対の外側横板ばねが配置される。つまり、外筒には、一対の横板ばねと、一対の外側横板ばねとが４層に配置される。これらの一対の横板ばねと一対の外側横板ばねとは、それぞれ独立して押し引きされる。一対の外側横板ばねは、長手方向一端（つまり、作動部側）がホルダに固定される。外筒とホルダとは離間して所定幅の空隙を介して配置される。従って、外筒とホルダとの間には、４層に重なる一対の横板ばねと、それらを挟む一対の外側横板ばねのみが露出する。マニピュレータは、一対の外側横板ばねがそれぞれ逆方向に押し引きされると、一対の外側横板ばねがともに一方の外側横板ばね側に傾く方向又は他方の外側横板ばね側に傾く方向に変形（屈曲）する。ホルダは、この一対の外側横板ばねの屈曲によって変位（傾動）する。この際、一対の外側横板ばねの間に配置されている一対の横板ばねも受動的に同方向に屈曲する。

また、本発明は、前記ホルダには、一対の前記可撓作動体のそれぞれの前記湾曲縦板ばねの湾曲外面に接する一対のガイドが設けられている、マニピュレータを提供する。

このマニピュレータによれば、湾曲縦板ばねの更に湾曲する方向の変形が、湾曲外面に接するガイドによって規制される。これにより、軸体からの反力による湾曲縦板ばねの湾曲方向の変形が規制される。その結果、軸体へ大きなモーメントを作用させることが可能となる。

また、本発明は、前記外筒の内面には、一対の前記可撓作動体のそれぞれの前記横板ばねの長手方向に沿って、それぞれ一対の側端面に接する一対のスペーサが設けられている、マニピュレータを提供する。

このマニピュレータによれば、横板ばねを押し引きする力が、軸体を回転させるモーメントに変換されて伝達される。この際、可撓作動体は、軸体からの反力によって横板ばねが板幅方向に移動する力を受ける。可撓作動体は、この横板ばねの板幅方向の移動がスペーサによって規制される。その結果、横板ばねから湾曲縦板ばねへの力の伝達効率を高め、軸体へ大きなモーメントを作用させることが可能となる。

本発明によれば、ワイヤーを廃止でき、少ない部品点数で小型化、軽量化、コスト低減が可能であり、しかも、患部への容易なアプローチが可能となる。

本実施形態のマニピュレータの外観斜視図 図１に示したマニピュレータの先端部の要部拡大斜視図 図２に示した可撓作動体と外側横板ばねの分解斜視図 図３に示した可撓作動体の斜視図 図３に示した外側横板ばねの斜視図 作動部の変位方向の説明図 一対の横板ばねによる作動部の変位方向を表す動作説明図 一対の外側横板ばねによる作動部の変位方向を表す動作説明図 作動部が開いたマニピュレータの要部拡大斜視図 作動部が−Ｙ方向に回転したマニピュレータの要部拡大斜視図 作動部がＸ方向に変位したマニピュレータの要部拡大斜視図 作動部が開いてＸ方向に変位したマニピュレータの要部拡大斜視図

以下、適宜図面を参照しながら、本発明に係るマニピュレータを具体的に開示した実施形態（以下、本実施形態という）を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。なお、以下の本実施形態において、本発明に係るマニピュレータは、例えば低侵襲手術手技における腹腔鏡下手術に用いるマニピュレータを例示して説明する。

図１は、本実施形態のマニピュレータ１１の外観斜視図である。

本実施形態のマニピュレータ１１は、マニピュレータ駆動ユニット１３に取り付けられる。マニピュレータ駆動ユニット１３は、リンクユニット（図示略）に固定される。マニピュレータ１１は、リンクユニットに固定されるトロッカー（図示略）に、先端側が挿入される。マニピュレータ１１は、トロッカーとともに、リンク駆動ユニット（図示略）により駆動されるリンクユニットによって、１つの回転中心を中心に、多自由度で移動する。

マニピュレータ１１は、マニピュレータ駆動ユニット１３に設けられる回転駆動装置１５によって、トロッカーの内側で回転する。また、マニピュレータ１１の先端側に設けられた作動部１７は、マニピュレータ駆動ユニット１３に設けられたスライド駆動装置１９によって多自由度で動作する。少なくとも１つの作動部１７は、エンドエフェクタを構成する。エンドエフェクタとは、手術器具の実際の作業部分を意味し、例えばクランプ、捕捉器具、はさみ、ホッチキス、持針器を含む。一対の作動部１７は、例えばクランプ、捕捉器具、はさみ、ホッチキスなどのエンドエフェクタとして用いることができる。１つの作動部１７は、例えば持針器などのエンドエフェクタとして用いることができる。本実施形態において、エンドエフェクタは、１つの作動部１７によって構成可能な捕捉器具としても使用可能ではあるが、より具体的に説明するために、一対の作動部１７によって構成される捕捉器具を例示して説明する。

例えば標準の腹腔鏡下手術において、マニピュレータ１１は、腹部の小さい（およそ１／２インチ）切り口に通した上記のトロッカーを介して挿入が行われる。外科医は、マニピュレータ１１を介して内部の手術部位に配置したエンドエフェクタを腹部の外側から操作する。外科医は腹腔鏡から内視鏡（図示略）によって撮像された手術部位の画像を表示するモニタ（図示略）で、処置を観察する。同様の内視鏡手技は、例えば、関節鏡、腹膜後腔鏡、骨盤鏡（pelviscopy）、腎盂鏡、膀胱鏡、脳槽鏡（cisternoscopy）、洞房鏡（sinoscopy）、子宮鏡、及び尿道鏡などにおいて採用される。

マニピュレータ１１は、外筒２１を有する。外筒２１は、例えばステンレス鋼管により構成され、外径６ｍｍで形成される。上述した「da Vinci surgical system」システムにおける外径８．５ｍｍの外筒よりも細径で形成されている。マニピュレータ１１は、作動部１７の先端からマニピュレータ駆動ユニット１３までの距離が１２５〜３００ｍｍで形成される。なお、外筒２１の外周は、更にシースによって覆われる。

外筒２１の挿入方向基端側（つまり、作動部１７側とは反対側）には、エンドキャップ２３が固定される。マニピュレータ１１は、マニピュレータ駆動ユニット１３に設けられた回転駆動装置１５によりエンドキャップ２３が回転することで、図２のｅ方向に一体回転する。エンドキャップ２３の挿入方向前側（つまり、作動部１７側）には、ストッパ２７が固定される。ストッパ２７は、マニピュレータ駆動ユニット１３に係合してマニピュレータ１１の長手方向の移動を規制する。エンドキャップ２３とストッパ２７との間には、基端側（つまり、作動部１７側とは反対側）より第１外側スライダ２９、第１スライダ３１、第２スライダ３３、第２外側スライダ３５の４つのスライダが外筒２１の長手方向にそれぞれ移動自在に設けられている。これら４つのスライダ（つまり、第１外側スライダ２９、第１スライダ３１、第２スライダ３３、第２外側スライダ３５）は、外筒２１に挿入されて先端（つまり、作動部１７側）に向かって長尺となる第１外側スライダシャフト３７、第１スライダシャフト３９、第２スライダシャフト４１、第２外側スライダシャフト４３のそれぞれ（図３参照）に連結される。

第１外側スライダシャフト３７、第１スライダシャフト３９、第２スライダシャフト４１、第２外側スライダシャフト４３のそれぞれは、スライド駆動装置１９のボールねじが移動することで、第１外側スライダ２９、第１スライダ３１、第２スライダ３３、第２外側スライダ３５の移動によりそれぞれが独立して長手方向に移動（つまり、押し引き）される。外筒２１の先端（つまり、作動部１７側）に設けられたエンドエフェクタは、これら４つのシャフトによって多自由度で動作する。

図２は、図１に示したマニピュレータ１１の先端部の要部拡大斜視図である。

マニピュレータ１１は、先端部が、一対の可撓作動体と、一対の外側横板ばねと、ホルダ４５と、ピン４７と、によって構成される。本実施形態において、一対の可撓作動体は、第１可撓作動体４９と、第２可撓作動体５１とを有する。また、一対の外側横板ばねは、第１外側横板ばね５３と、第２外側横板ばね５５とを有する。第１外側横板ばね５３、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１、及び第２外側横板ばね５５は、外筒２１との長手方向に沿って長尺となるように形成され、長手方向一端が外筒２１の内部から延出する。なお、本明細書中、一端側の方向とは、マニピュレータ１１の先端側（つまり、作動部１７側）の方向である。第１外側横板ばね５３、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１、及び第２外側横板ばね５５は、長手方向他端から長手方向中間までが外筒２１に収容される。

図３は、図２に示した可撓作動体と外側横板ばねの分解斜視図である。

外筒２１の内部において、第１外側横板ばね５３は、第１外側スライダシャフト３７に接続される。第１可撓作動体４９は、第１スライダシャフト３９に接続される。第２可撓作動体５１は、第２スライダシャフト４１に接続される。第２外側横板ばね５５は、第２外側スライダシャフト４３に接続される。

図４は、図３に示した可撓作動体の斜視図である。

マニピュレータ１１は、板ばね（例えば後述する横板ばね５７、第１外側横板ばね５３、第２外側横板ばね５５又はこれらの組み合わせ）の押し引きに基づいて、第１可撓作動体４９の一部及び第２可撓作動体５１の一部をそれぞれ変形させることで、第１可撓作動体４９及び第２可撓作動体５１のそれぞれの作動部１７を多自由度で動作させる構成を有する。本実施形態において、エンドエフェクタは捕捉器具として説明するので可撓作動体として一対の第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１が用いられる。

第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１は、同一の物体が上下反転させて用いられる。従って、以下では、第１可撓作動体４９を可撓作動体の代表例として説明する。

図４に示すように、第１可撓作動体４９は、横板ばね５７と、湾曲縦板ばね５９と、軸体６１と、作動部１７とが一体で形成される。第１可撓作動体４９の材質としては、例えば生体適合性、広い弾性域、耐腐食性に優れるＮｉ−Ｔｉ（ニッケルチタン）が用いられる。横板ばね５７は、外筒２１の長手方向に沿って長い矩形状に形成される。横板ばね５７は、溝付きの板ばね形状となっており、このような形状とすることで、変形の単一方向性が増加し、またねじれが抑制され、より高い位置決め精度でマニピュレータ１１を動作させることが可能である。つまり、横板ばね５７の形状により第１可撓作動体４９の変形方向を制御し、エンドエフェクタの位置決めが可能である。横板ばね５７は、例えば板厚を０．４ｍｍで形成でき、溝部の板厚を０．２ｍｍで形成できる。

湾曲縦板ばね５９は、横板ばね５７の板面に垂直な板面を有して起立し、横板ばね５７の長手方向一端に湾曲縦板ばね５９の基端が接続される。湾曲縦板ばね５９は、横板ばね５７の板幅方向の一方（例えば図４の紙面左上側に向かう方向）に突出するとともに、横板ばね５７の長手方向に沿って延在する。湾曲縦板ばね５９は、延在方向先端が、湾曲部６３の突出方向と反対方向に曲がる屈曲部の一例としてのＲ部６５となる。湾曲縦板ばね５９は、軸体６１との接続部分にＲ部６５を設けることにより、第１可撓作動体４９の変形動作時に効率的な動力伝達が可能となり、変形動作を行い易くしている。湾曲縦板ばね５９は、例えば湾曲部６３の板厚を０．３ｍｍで形成できる。

軸体６１は、湾曲縦板ばね５９のＲ部６５の先端が軸体６１の外周に接続される。軸体６１は、横板ばね５７の板面に垂直な回転中心６７で支持されて回転自在となる。より具体的には、軸体６１にはピン孔６９が穿設される。このピン孔６９に、回転中心６７と同軸でピン４７（図２参照）が挿入される。ピン４７の両端は、ホルダ４５によって支持される。ホルダ４５は、一対の外側横板ばね（つまり、第１外側横板ばね５３、第２外側横板ばね５５）によって支持される。

軸体６１は、回転中心６７から湾曲部６３が突出する側の半径位置を０°とした場合、図４の反時計回りに略９０°の位置の外周にＲ部６５が接続される。Ｒ部６５は、この外周の０°の位置から９０°の位置で軸体６１に接続されている。Ｒ部６５は、例えば外周の０°の位置から１２０°の範囲で軸体６１に接続することがスペース効率上、好ましい。

作動部１７は、軸体６１の外周に回転半径（つまり、半径方向）の外側に突出して設けられる。本実施形態において、作動部１７は、基端がＲ部６５の接続位置と略一致する軸体６１の外周に接続される。捕捉器具を構成する作動部１７は、回転中心６７に沿う板幅を有し、突出先端に向かって板幅と板厚とが徐々に減少する略角錐形状で形成される。

また、図３に示すように、マニピュレータ１１は、一方の第１可撓作動体４９の湾曲部６３の突出方向に対して、他方の第２可撓作動体５１の湾曲部６３の突出方向が反対となるように重ねられる。第１可撓作動体４９と第２可撓作動体５１とは、一対の軸体６１同士が回転中心６７に沿う方向で重ねられることで、一対の軸体６１と、作動部１７とが回転中心６７に沿う方向に同一高さとなって組み立てられる。

第１可撓作動体４９と第２可撓作動体５１とは、双方の軸体６１に貫通したピン４７によって、同一の回転中心６７で回転自在に連結される。一体に組み立てられた第１可撓作動体４９及び第２可撓作動体５１は、第１可撓作動体４９と第２可撓作動体５１のそれぞれの横板ばね５７の長手方向他端から長手方向中間までが外筒内に収容されている。

第１可撓作動体４９と第２可撓作動体５１とは、軸体６１同士が重ねられた状態で、それぞれの作動部１７が、交差して配置される。従って、図３に示す第１可撓作動体４９の作動部１７は、図２に示す紙面右下側の作動部１７となる。また、図３に示す第２可撓作動体５１の作動部１７は、図２に示す紙面左上側の作動部１７となる。このため、一対の作動部１７は、第１可撓作動体４９及び第２可撓作動体５１が同時に引っ張られることで、相互に接近する（つまり、把持する）方向に回転される。これにより、把持動作の際に、横板ばね５７や湾曲縦板ばね５９に生じる座屈を回避して、大きな把持力が得られる。

第１可撓作動体４９は、横板ばね５７と湾曲縦板ばね５９とが接続された入隅に、直角三角形状の補強部７１が固定される。補強部７１は、一対の直交する辺部を有する。補強部７１は、一方の辺部が横板ばね５７に固定される。また、補強部７１は、他方の辺部が湾曲縦板ばね５９に固定される。これにより、横板ばね５７からの力が湾曲縦板ばね５９に加えられた際、湾曲縦板ばね５９にねじれが生じにくくなっている。

また、第１可撓作動体４９は、軸体６１の回転中心６７が、横板ばね５７の板幅方向の中央を通る軸線７３の延長線上に配置される。つまり、第１可撓作動体４９は、ほぼ直線状に配置された横板ばね５７、軸体６１及び作動部１７から、湾曲縦板ばね５９のみが片側から膨出した形状となる。

図５は、図３に示した外側横板ばねの斜視図である。

マニピュレータ１１は、一対の第１外側横板ばね５３、第２外側横板ばね５５を備えることができる。第１外側横板ばね５３、第２外側横板ばね５５は、同一の物体が上下反転させて用いることができる。以下、第１外側横板ばね５３を外側横板ばねの代表例として説明する。なお、図５に示す第１外側横板ばね５３は、図３に示した物体が上下反転して示されている。

第１外側横板ばね５３には、第１可撓作動体４９と同様に、例えば生体適合性、広い弾性域、耐腐食性に優れるＮｉ−Ｔｉ（ニッケルチタン）が用いられる。第１外側横板ばね５３は、外筒２１の長手方向に沿って長い矩形状に形成される。第１外側横板ばね５３は、横板ばね５７と同様に溝付きの板ばね形状となっており、このような形状とすることで、変形の単一方向性が増加し、また、ねじれが抑制され、より高い位置決め精度でマニピュレータ１１を動作させることが可能である。つまり、第１外側横板ばね５３の形状により第１可撓作動体４９の変形方向を制御し、エンドエフェクタの位置決めが可能である。第１外側横板ばね５３は、例えば板厚を０．４ｍｍで形成でき、溝部の板厚を０．２ｍｍで形成できる。

マニピュレータ１１は、重ねられた一対の軸体６１を貫通したピン４７の両端を支持するホルダ４５を備える。ホルダ４５には、一対の第１外側横板ばね５３及び第２外側横板ばね５５の一端が接続される。

ホルダ４５は、図２に示すように、離間する一対の平行な保持板７５を有する。１つの保持板７５は、長円を長軸で回転して得られる回転体を、長軸に沿う面で切った先端湾曲面の半筒状に形成される。離間する一対の保持板７５同士は、両側がそれぞれ側板７７によって接続される。これにより、ホルダ４５は、正面視で角穴状の内部空間を有する。上記のピン４７は、両端が一対の保持板７５に固定される。ホルダ４５は、この内部空間に、軸体６１や、湾曲縦板ばね５９、第１外側横板ばね５３及び第２外側横板ばね５５の一部分を収容する。

また、ホルダ４５には、一対の平行なガイド７９が、それぞれの側板７７から外筒２１に向かって突出して形成される。一対のガイド７９は、一対の第１可撓作動体４９及び第２可撓作動体５１における湾曲縦板ばね５９のそれぞれの湾曲外面８１（図３参照）に接する。ガイド７９は、湾曲縦板ばね５９の湾曲外面８１に外側から接することで、湾曲縦板ばね５９の外側へ膨出する変形動作を規制するので、Ｒ部６５へ動力を効果的に伝達することができ、変形動作が行い易くなる。

また、マニピュレータ１１は、外筒２１の内面に、第１可撓作動体４９と第２可撓作動体５１のそれぞれの横板ばね５７を、板幅方向両側から挟む一対のスペーサ８３が固定されている。一対のスペーサ８３は、一対の横板ばね５７の長手方向に沿うそれぞれ一対の側端面に接する。これにより、一対のスペーサ８３は、外筒内おける横板ばね５７の板幅方向の移動を規制する。

次に、マニピュレータ１１のスライド駆動装置１９及び回転駆動装置１５を制御するコントロール部８５について説明する。

マニピュレータ１１は、図１に示すコントロール部８５によって動作が制御される。コントロール部８５は、制御コンピュータ８７と、モータドライバ８９とを有する。コントロール部８５は、スライド駆動装置１９と、回転駆動装置１５との動作を制御する。スライド駆動装置１９は、ボールねじ９１と、ＤＣモータ９３とを備える。スライド駆動装置１９は、図１に示す外筒２１の長手方向における４つの第１外側スライダ２９、第１スライダ３１、第２スライダ３３及び第２外側スライダ３５の位置をそれぞれ制御する。スライド駆動装置１９は、コントロール部８５からの指示に基づき動作する。

回転駆動装置１５は、ギヤユニット９５と、ＤＣモータ９７とを備える。回転駆動装置１５は、図１に示す外筒２１の長手方向後端におけるエンドキャップ２３の回転方向及び回転角度を制御する。回転駆動装置１５は、コントロール部８５からの指示に基づき動作する。

次に、マニピュレータ１１の動作を説明する。

マニピュレータ１１は、作動部１７が外筒２１に対して多自由度で動作する。即ち、一対の作動部１７を接近離反（開閉等）させる方向（図２の矢印ａ方向）に移動できる。マニピュレータ１１は、一対の作動部１７を閉じたまま、軸体６１の回転中心６７を中心に正逆回転（図２の矢印ｂ方向に回転）することができる。ホルダ４５を外側横板ばねの屈曲の方向（図２の矢印ｃ方向）に変位させることができる。ホルダ４５を、外筒２１の中心軸に沿う方向（図２矢印ｄ方向）へ進退させることができる。なお、マニピュレータ１１は、回転駆動装置１５により、更にホルダ４５及び外筒２１をエンドキャップ２３を介して一体回転（図２の矢印ｅ方向）させることができる。

図６は、作動部１７の変位方向の説明図である。

ここで、マニピュレータ１１の先端部分における動作の説明を容易とするため動作の方向を定義する。なお、外筒２１の先端面は、外筒２１の中心軸に直交する面で、中心軸を中心とする円形状とする。このとき、外筒２１の中心軸は、「Ｚ軸」とする。ホルダ４５が変位していない状態（図２に示す状態）のマニピュレータ１１において、外筒２１の先端面を含む面で、Ｚ軸を通り、ピン４７の回転中心６７と同方向の軸を「Ｘ軸」とする。外筒２１の先端面を含む面で、Ｚ軸を通り、Ｘ軸に直交する軸を「Ｙ軸」とする。回転中心６７を回転することで開いた一対の作動部１７の挟角は、「θ」とする。板ばねがＸ軸方向に撓み、ホルダ４５が変位（傾動）したとき、ピン４７の回転中心６７とＸ軸とが成す角は、「φ」とする。このとき、ピン４７の回転中心６７とＸ軸とが交わる点は、屈曲中心Ｂとする。

マニピュレータ１１は、外筒２１の先端面とピン４７までの距離が屈曲可能範囲となってエンドエフェクタを傾動する。外筒２１の先端面からピン４７の回転中心６７までの距離Ｐ（図２参照）は、例えば７．５ｍｍに設定される。この距離Ｐは、上述した「da Vinci surgical system」における同等の距離９ｍｍよりも短い。これにより、エンドエフェクタが傾動する際の屈曲半径を小さくできる。このことは、例えば腹腔鏡下手術等の狭小な部位（つまり、患部）への滑らかなアプローチの容易性に寄与する。

図７は、一対の横板ばね５７による作動部１７の変位方向を表す動作説明図である。図８は、一対の外側横板ばねによる作動部１７の変位方向を表す動作説明図である。図９は、作動部１７が開いたマニピュレータ１１の要部拡大斜視図である。図１０は、作動部１７が−Ｙ方向に回転したマニピュレータ１１の要部拡大斜視図である。

マニピュレータ１１は、図７に示すように、第１可撓作動体４９の横板ばね５７及び第２可撓作動体５１の横板ばね５７が同時に押される（つまり、作動部１７側に押される）と、一対の軸体６１が逆方向に回転する。即ち、図９に示すように、一対の作動部１７が開く。また、マニピュレータ１１は、第１可撓作動体４９の横板ばね５７及び第２可撓作動体５１の横板ばね５７が同時に引っ張られる（つまり、作動部１７側とは反対側に引かれる）と、一対の軸体６１が開き時とは逆方向に回転する。即ち、図２に示すように、一対の作動部１７が閉じる。

マニピュレータ１１は、第１可撓作動体４９の横板ばね５７が引かれ、第２可撓作動体５１の横板ばね５７が押されると、図１０に示すように、一対の作動部１７が、閉じたまま回転中心６７を中心に図２の時計回りに回転し、−Ｙ軸側に傾動する。また、マニピュレータ１１は、第１可撓作動体４９の横板ばね５７が押され、第２可撓作動体５１の横板ばね５７が引っ張られると、一対の作動部１７が、閉じたまま回転中心６７を中心に図２の反時計回りに回転し、Ｙ軸側に傾動する。

マニピュレータ１１は、図８に示すように、第１外側横板ばね５３及び第２外側横板ばね５５が同時に押されると、一対の作動部１７がＺ方向に進出する。また、マニピュレータ１１は、第１外側横板ばね５３及び第２外側横板ばね５５が同時に引っ張られると、一対の作動部１７が−Ｚ方向に後退する。なお、これらの進退動作時には、第１可撓作動体４９及び第２可撓作動体５１は、従動又は同時に押し引きされる。

図１１は、作動部１７がＸ方向に変位したマニピュレータ１１の要部拡大斜視図である。

マニピュレータ１１は、第１外側横板ばね５３が押され、第２外側横板ばね５５が引っ張られると、図１１に示すように、一対の作動部１７が、Ｘ軸側に傾動する。また、マニピュレータ１１は、第１外側横板ばね５３が引かれ、第２外側横板ばね５５が押されると、一対の作動部１７が、−Ｘ軸側に傾動する。

図１２は、作動部１７が開いてＸ方向に変位したマニピュレータ１１の要部拡大斜視である。

マニピュレータ１１は、第１外側横板ばね５３及び第２外側横板ばね５５の押し引き量を変更することで、屈曲中心Ｂ（図６参照）の移動が可能である。また、マニピュレータ１１は、屈曲中心Ｂの移動と同時に、第１可撓作動体４９及び第２可撓作動体５１の押し引き量を変更することで、図１２に示すように、一対の作動部１７の開閉が可能である。

マニピュレータ１１は、目標の屈曲角φに対して、制御コンピュータ８７でマニピュレータ１１の第１外側スライダ２９、第１スライダ３１、第２スライダ３３及び第２外側スライダ３５の送り量の目標値を求め、モータドライバ８９から制御信号を送信し、スライド駆動装置１９において、ＤＣモータ９３によりボールねじ９１を駆動することで、マニピュレータ１１の先端（つまり、エンドエフェクタであってより具体的には一対の作動部１７）を動作させる。これにより、マニピュレータ１１は、図１２に示すように、エンドエフェクタを目標の屈曲角φに屈曲しながら、一対の作動部１７を開閉することができる。更に、マニピュレータ１１は、第１外側横板ばね５３及び第２外側横板ばね５５の押し引き量を変更しながら、第１可撓作動体４９及び第２可撓作動体５１の押し引き量を変更することで、エンドエフェクタの先端を、Ｚ軸を中心に３６０°の任意な方向に旋回動作させることができる。

次に、上記したマニピュレータ１１の構成の作用及び当該作用による効果を具体的に説明する。

本実施形態のマニピュレータ１１では、横板ばね５７と、湾曲縦板ばね５９と、軸体６１とが、同一面上で直列的に配置されて、可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）が構成される。湾曲縦板ばね５９は、横板ばね５７に対し、板面が起立する向きで接続される。即ち、横板ばね５７と湾曲縦板ばね５９とは、板面が直交して接続される。軸体６１は、横板ばね５７の板面に垂直な回転中心６７で回転自在に支持される。

可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）は、横板ばね５７の長手方向他端が、長手方向に沿う方向で押圧されると、軸体６１が上記の同一平面内で移動不能に支持されている場合、湾曲縦板ばね５９が更に湾曲する方向に変形する。この変形は、湾曲縦板ばね５９の弾性限度内で起こる。このため、可撓作動体には、伸びや収縮（永久ひずみ）が生じない。横板ばね５７と湾曲縦板ばね５９の板面とが直交するので、湾曲縦板ばね５９の変形方向が９０°変わる。これにより、湾曲縦板ばね５９は、上記の同一平面に沿う変形が可能となる。湾曲縦板ばね５９は、この変形によって蓄えられた内部応力の殆どが弾性復元力となる。この弾性復元力の一部は、軸体６１に対し、モーメントを生じさせる軸体外周の接線方向の分力として作用する。なお、ホルダ４５に、一対のガイド７９が設けられたマニピュレータ１１では、湾曲縦板ばね５９の変形が主にＲ部６５で起こることになる。

また、可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）は、横板ばね５７の長手方向他端が、長手方向に沿う方向で引っ張られると、湾曲縦板ばね５９が湾曲を解消する方向（直線状に近づく方向）に変形する。湾曲縦板ばね５９は、この変形によって蓄えられた弾性復元力の一部が、軸体６１に対し、上記とは逆方向のモーメントを生じさせる軸体外周の接線方向の分力として作用する。その結果、軸体６１は、横板ばね５７の押し引きによって、軸体６１に設けられた作動部１７を、上記の回転中心６７を中心に逆方向で回転動作させることが可能となる。

更に、可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）は、横板ばね５７が、表裏の板面側に変位する方向（図６のＸ軸側、−Ｘ軸側）の変形を許容する。これにより、可撓作動体は、作動部１７の同方向の傾動を妨げることがない。

このように可撓作動体を用いたマニピュレータ１１は、従来の常套手段であったワイヤーを廃止し、作動部１７を多自由度で動作させることができる。

可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）は、ワイヤーのように伸びたり切れたりするおそれがない。よって、耐久性を向上でき、マニピュレータ１１の交換回数を極めて少なくすることができる。可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）は、ワイヤーのように伸びないことから、作動部１７の回転精度や位置精度を高めることができる。更に、可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）は、単体の部材であるため、シンプルな機械構成が実現でき、滅菌や洗浄が極めて容易である。しかも、可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）は、ワイヤーのようにギアやプーリに巻回する必要がないので、マニピュレータ１１と駆動手段との着脱を簡易化・容易化できる。

また、可撓作動体（つまり、第１可撓作動体４９、第２可撓作動体５１）は、リンク機構のように、複数のリンク、受動関節を用いる必要がない。よって、部品点数を少なくし、小型化、軽量化が容易となる。それに伴って製品コストの低減も容易となる。また、軽量化によってエンドエフェクタの移動質量が小さくなり、慣性力の低減が可能となる。これにより、エンドエフェクタの位置決め制御が容易となるとともに、位置決め精度を高めることができる。また、ワイヤーやプーリ、複数のリンクや受動関節を用いないので、作動部１７を軸体６１と共に変位させる際の屈曲半径を小さくできる。

マニピュレータ１１は、横板ばね５７と湾曲縦板ばね５９の接続部が補強部７１によって補強され、剛性が高められる。これにより、横板ばね５７から伝わる力によって、湾曲縦板ばね５９に捩れが生じにくくなる。その結果、横板ばね５７から湾曲縦板ばね５９へ伝わる力の伝達効率を高めることができる。

マニピュレータ１１は、一対の可撓作動体の湾曲縦板ばね５９の突出方向が逆向きとなるので、それぞれの横板ばね５７の長手方向他端を同時に押したり引いたりすることにより、それぞれの作動部１７を接近離反させることができる。つまり、作動部１７が捕捉器具であれば挟持が可能となる。作動部１７がはさみであれば、切断が可能となる。マニピュレータ１１は、一対の横板ばね５７の長手方向他端を同時に逆方向に押したり引いたりすることにより、一対の作動部１７を軸体６１の回転中心６７を中心に同方向に回転させることができる。つまり、作動部１７が捕捉器具であれば捕捉器具を閉じたまま正逆回転させることができる。

また、マニピュレータ１１は、一対の湾曲縦板ばね５９が逆方向に突出する。これに対し、一対の可撓作動体のそれぞれの横板ばね５７は、長手方向及び板幅方向にずれることなく重なる。マニピュレータ１１は、横板ばね５７の軸線７３の延長線上に１本のピン４７によってそれぞれの軸体６１の回転中心６７が共用的に配置されかつ固定される。これにより、マニピュレータ１１は、一対の湾曲縦板ばね５９の湾曲方向突出端同士の突出幅を小さく抑制しながら、湾曲形状の確保が可能となる。

また、マニピュレータ１１は、一対の横板ばね５７が外筒２１の中心軸を挟むようにして、一対の可撓作動体が重ねられる。マニピュレータ１１は、更に、一対の横板ばね５７の外側に、これらを挟んで一対の外側横板ばね（第１外側横板ばね５３、第２外側横板ばね５５）が配置される。つまり、外筒２１には、一対の横板ばね５７と、一対の外側横板ばねとが４層に配置される。これらそれぞれの板ばねは、独立して押し引きされる。一対の外側横板ばねは、長手方向一端がホルダ４５に固定される。外筒２１の先端面と、ホルダ４５とは離間して配置される。従って、外筒２１の先端面とホルダ４５との間には、４層に重なる一対の横板ばね５７と、それらを挟む一対の外側横板ばねとが露出する。

マニピュレータ１１は、一対の外側横板ばねが逆方向に押し引きされると、一対の外側横板ばねがともに一方の外側横板ばね側に傾く方向、及び一対の外側横板ばねが共に他方の外側横板ばね側に傾く方向に変形（屈曲）する。ホルダ４５は、この一対の外側横板ばねの屈曲によって変位する（つまり、傾動する）。この際、一対の外側横板ばねの間に配置されている一対の横板ばね５７も同方向の屈曲を許容する。

このように、マニピュレータ１１は、一対の可撓作動体における横板ばね５７の長手方向他端を同時に押し引きすることにより、一対の作動部１７を接近離反（開閉）させる方向ａ（図２参照）に移動できる（１自由度）。

一対の可撓作動体における横板ばね５７の長手方向他端を逆方向に押し引きすることにより、一対の作動部１７を、軸体６１の回転中心６７を中心に正逆方向ｂ（図２参照）に回転することができる（２自由度）。

一対の外側横板ばねを逆方向に押し引きすることにより、ホルダ４５（即ち、作動部１７）を外側横板ばねの屈曲の方向ｃ（図２参照）に変位させることができる（３自由度）。

また、一対の可撓作動体、及び一対の外側横板ばねの全てのばねを長手方向に沿って同方向へ押し引きすることにより、一対の作動部１７を、外筒２１の中心軸に沿う方向ｄ（図２参照）へ進退させることができる（４自由度）。

即ち、マニピュレータ１１は、ワイヤーやリンク機構を用いずに、弾性体の変形を応用し、機械的な動力変換を行うことで、作動部１７を多自由度（具体的には４自由度）に動作可能としている。

また、このマニピュレータ１１では、湾曲縦板ばね５９が更に湾曲する方向の変形が、湾曲外面８１に接するガイド７９によって規制される。これにより、軸体６１からの反力による湾曲縦板ばね５９の湾曲方向の変形が規制される。その結果、軸体６１へ大きなモーメントを作用させることが可能となる。

更に、このマニピュレータ１１では、横板ばね５７を押し引きする力は、軸体６１を回転させるモーメントに変換されて伝達される。この際、可撓作動体は、軸体６１からの反力によって横板ばね５７が板幅方向に移動する力を受ける。可撓作動体は、この横板ばね５７の板幅方向の移動がスペーサ８３によって規制される。その結果、横板ばね５７から湾曲縦板ばね５９への力の伝達効率を高め、軸体６１へ大きなモーメントを作用させることが可能となる。

従って、本実施形態に係るマニピュレータ１１によれば、ワイヤーを廃止でき、少ない部品点数で小型化、軽量化、コスト低減が可能であり、しかも、患部への容易なアプローチが可能となる。

以上、図面を参照しながら実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

尚、上記実施形態では、マニピュレータが可撓作動体を３つ以上有してもよい。

本発明は、患部への処置を施す先端部への動力伝達手段としてワイヤーを廃止でき、少ない部品点数で小型化、軽量化、コスト低減が可能であり、更に、患部への容易なアプローチが可能となるマニピュレータとして有用である。

１１…マニピュレータ
１７…作動部
２１…外筒
４５…ホルダ
４７…ピン
４９…第１可撓作動体（可撓作動体）
５１…第２可撓作動体（可撓作動体）
５３…第１外側横板ばね（外側横板ばね）
５５…第２外側横板ばね（外側横板ばね）
５７…横板ばね
５９…湾曲縦板ばね
６１…軸体
６５…Ｒ部
６７…回転中心
７１…補強部
７３…軸線
７９…ガイド
８１…湾曲外面
８３…スペーサ

Claims (7)

1. 矩形状の横板ばねと、
   前記横板ばねの板面に垂直な板面を有して起立しかつ前記横板ばねの長手方向一端に基端が接続され、前記横板ばねの板幅方向の一方に突出するとともに、前記横板ばねの長手方向に沿って延在しかつ延在方向先端が前記突出の方向と反対方向に曲がる屈曲部となる湾曲縦板ばねと、
   前記屈曲部の先端に接続され、前記横板ばねの板面に垂直な回転中心で支持されて回転自在となる軸体と、
   前記軸体の外周から半径方向に突出して設けられた作動部と、を含む、
   可撓作動体を少なくとも１つ有する、
   マニピュレータ。
2. 請求項１に記載のマニピュレータであって、
   前記横板ばねと前記湾曲縦板ばねとが接続された入隅の前記横板ばねに、一対の直交する辺部を有する補強部の一方の前記辺部が固定されるとともに、前記入隅の前記湾曲縦板ばねに前記補強部の他方の前記辺部が固定される、
   マニピュレータ。
3. 請求項１又は２に記載のマニピュレータであって、
   一対の前記可撓作動体、を備え、
   一対の前記可撓作動体は、
   一方の前記可撓作動体の前記湾曲縦板ばねの湾曲の突出方向に対して他方の前記可撓作動体の湾曲の突出方向が反対となるように重ねられるとともに、一対の前記可撓作動体のそれぞれの前記軸体を貫通した同一のピンによって前記回転中心で回転自在に連結され、
   一対の前記可撓作動体における一対の前記横板ばねの長手方向他端から長手方向中間までが外筒の内部に収容される、
   マニピュレータ。
4. 請求項３に記載のマニピュレータであって、
   前記軸体の回転中心が、前記横板ばねの板幅方向の中央を通る軸線上に配置される、
   マニピュレータ。
5. 請求項３又は４に記載のマニピュレータであって、
   前記ピンの両端を支持するホルダ、を更に備え、
   前記ホルダには、一対の前記可撓作動体のそれぞれの前記横板ばねと平行に挟むとともに、前記横板ばねと同方向に延在する一対の外側横板ばねの一端が接続され、
   一対の前記外側横板ばねは、長手方向他端から長手方向中間までが前記外筒の内部に収容される、
   マニピュレータ。
6. 請求項５に記載のマニピュレータであって、
   前記ホルダには、一対の前記可撓作動体のそれぞれの前記湾曲縦板ばねの湾曲外面に接する一対のガイドが設けられている、
   マニピュレータ。
7. 請求項５又は６に記載のマニピュレータであって、
   前記外筒の内面には、一対の前記可撓作動体のそれぞれの前記横板ばねの長手方向に沿って、それぞれ一対の側端面に接する一対のスペーサが設けられている、
   マニピュレータ。

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