JPH07124104A - マニピュレータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 体腔壁等に無理な力が働くのを抑制できるマ
ニピュレータ装置を提供すること。 【構成】 電子内視鏡２の動作部としての湾曲部１２は
モータ２２ａ，２２ｂと接続され、操作部７に設けたト
ラックボール１４の球部３１を回転する操作を行うこと
により湾曲駆動できる。この球部３１の回転量はロータ
リエンコーダで検出され、制御回路４ｂを経て操作量に
応じてモータ２２ａ，２２ｂを駆動する。湾曲部１２付
近には感圧センサ１７が設けてあり、感圧された信号は
圧電素子制御回路３６を介して圧電素子により球部３１
に感圧量に応じた制動力を与え、感圧が検出された方向
にさらに湾曲操作するのに対し、ブレーキをかけるよう
にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、体腔内等に挿入され、
動作部を備えた機械とかデバイス等の操作を遠隔的に行
うマニピュレータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から内視鏡において、湾曲部を湾曲
させるためにモータ等の駆動手段を用い、ジョイスティ
ック等の操作指示手段の操作量（指示値）に応じて駆動
手段を駆動する装置が提案されている。

【０００３】前記操作指示手段の操作量に応じて駆動手
段を駆動する装置として、特開昭５８−７８６３５号公
報の従来例には湾曲操作部材の操作量に追従して湾曲部
を駆動する装置が開示されている。この装置によれば、
簡単な構成で湾曲操作部材の操作量に対応した湾曲角に
湾曲させることができ、湾曲操作の操作性を向上させる
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来例の装置では、湾曲操作指示手段の操作量に追従して
湾曲部が湾曲するようになっているため、万一、操作者
が不用意に湾曲操作指示手段を動かしてしまった場合に
は、内視鏡が挿入されている体腔壁に無理な力を働かせ
て傷等を付けてしまう可能性があった。

【０００５】生体等に挿入される内視鏡の例で説明した
が、一般的なマニピュレータの場合においても、その先
端側等に形成された動作部がプラントその他の壁等に当
たってしまった場合に、その状態からさらに壁等に無理
な力を働かしてしまうような操作を不用意に行ってしま
うと同様の不都合が発生する。

【０００６】本発明は上述した点にかんがみてなされた
もので、体腔壁等に無理な力が働くのを抑制できるマニ
ピュレータ装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】内視鏡の湾曲
部等、可動機構を有する動作部を駆動するアクチュエー
タと、前記動作部の操作手段を形成し、手動で回転可能
な球部及び該球部の回転量を検出する検出手段と、該検
出手段により検出された回転量より前記アクチュエータ
の制御内容を決定する制御回路と、前記動作部付近に設
けられた力学的センサと、該力学的センサの検出量に応
じた制動力を前記球部に与える制動力発生手段とを設け
ることにより、操作者に対して動作部が壁等に接触した
状態からさらにその部位に圧力を与える方向に動作部を
動作させるような操作を行う場合には制動力が与えられ
るので、その方向に不用意に操作することを有効に防止
できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を具体
的に説明する。図１ないし図５は本発明の第１実施例に
係り、図１は第１実施例を備えた内視鏡装置の全体構成
を示し、図２は湾曲マニピュレータ装置を示し、図３は
トラックボールを示し、図４は挿入部の先端側の構造を
示し、図５は動作説明図を示す。

【０００９】図１に示すように第１実施例を備えた内視
鏡装置１は、撮像手段を内蔵した電子内視鏡２と、この
電子内視鏡２に照明光を供給する光源装置３と、この電
子内視鏡２の撮像手段に対する信号処理を行う信号処理
回路４ａ及び電子内視鏡２の湾曲動作の制御を行う制御
回路４ｂとを内蔵したビデオプロセッサ４と、信号処理
回路４ａから出力される映像信号を表示するモニタ５と
から構成される。

【００１０】電子内視鏡２は細長の挿入部６と、湾曲操
作等を行う操作部７と、この操作部７から延出されたユ
ニバーサルケーブル８とを有し、ユニバーサルケーブル
８の先端のコネクタ９を光源装置３に着脱自在で接続す
ることができる。また、このコネクタ９に接続された信
号ケーブル１０は信号コネクタを介してビデオプロセッ
サ４に着脱自在で接続することができる。

【００１１】挿入部６は硬質の先端構成部１１と、先端
構成部１１に隣接して形成され、湾曲自在の湾曲部１２
と、この湾曲部１２の後端から操作部７の前端に至る長
尺の可撓管部１３とからなる。操作部７には湾曲部１２
の湾曲操作を行うトラックボール１４が設けてあり、こ
のトラックボール１４を操作することにより、その操作
に応じて制御回路４ｂは湾曲部１２を駆動する駆動信号
を生成し、この駆動信号により湾曲部１２を上下、左右
の任意の方向に湾曲することができる。

【００１２】また、操作部７には送気・送水の操作を行
う送気・送水ボタン１５と、吸引操作を行う吸引ボタン
１６等が設けてある。また、湾曲部１２の先端部分には
感圧する感圧センサ１７が設けてあり、この感圧センサ
１７で検出されたセンサ出力信号は制御回路４ｂに入力
され、センサ出力信に応じてトラックボール１４に制動
力を付与する。

【００１３】図２は第１実施例の湾曲マニピュレータ装
置２１を示す。図２に示すように操作部７には、湾曲部
１２を湾曲する湾曲アクチュエータとしての上下湾曲用
モータ２２ａ，左右湾曲用モータ２２ｂが内蔵され、こ
れらモータ２２ａ，２２ｂの駆動力はプーリ２３ａ、２
３ｂを介して上下湾曲操作ワイヤ２４ｕ，２４ｄ、左右
湾曲操作ワイヤ２４ｒ，２４ｌにより伝達され、ワイヤ
２４ｉ（ｉ＝ｕ，ｄ，ｒ，ｌのいずれか）が牽引された
側に湾曲部１２を形成する回動自在の湾曲駒２５、２５
…２５を湾曲動作させる。

【００１４】各モータ２２ａ，２２ｂには回転検出手段
としてのロータリエンコーダ２６ａ，２６ｂがそれそれ
回転軸に結合され、これらロータリエンコーダ２６ａ，
２６ｂで検出された信号はエンコーダ検出回路２７に入
力され、湾曲アクチュエータとしてのモータ２２ａ，２
２ｂの回転量を検出し、モータ２２ａ，２２ｂを駆動す
る駆動信号を出力するモータ駆動回路２８に出力する。

【００１５】また、操作部７に設けられたトラックボー
ル１４における手動で回転される球部３１の回転を検出
するエンコーダ３２ａ，３２ｂの出力信号はエンコーダ
検出回路３３に入力され、球部３１の回転量を検出し、
ＣＰＵ３４に出力する。

【００１６】このＣＰＵ３４はエンコーダ３２ａ，３２
ｂから出力される湾曲指示の指示量とロータリエンコー
ダ２６ａ，２６ｂで検出される実際の湾曲量とを比較
し、実際の湾曲量が指示量と一致するように制御する司
令信号をモータ駆動回路２８に出力する。

【００１７】つまり、モータ駆動回路２８は、ＣＰＵ３
４およびエンコーダ検出回路２７に接続され、ＣＰＵ３
４からの動作指令に対するフィードバック制御が行われ
る。さらにこの実施例では挿入部６の先端側に設けた感
圧センサ１７の出力信号は感圧センサ検出回路３５に入
力され、ここで感圧位置及び感圧量に対応した電気信号
に変換され、さらにＣＰＵ３４に送信される。

【００１８】ＣＰＵ３４はこの電気信号に応じてトラッ
クボール１４における球部３１の回転にブレーキをかけ
る指示信号を圧電素子制御回路３６に出力する。この圧
電素子制御回路３６は球部３１の周りに設けた４つの圧
電素子３７ａ〜３７ｄを駆動する信号を出力し、感圧セ
ンサ１７で圧力がかかった方向に湾曲操作しようとする
場合にブレーキ（制動力）をかけるようにして、操作者
がその方向にさらに湾曲操作を不用意に行ってしまうの
を防止できるようにしている。

【００１９】前記トラックボール１４の構造を図３によ
って示す。図３に示すように球部３１と、この球部３１
に接触し、互いに直交するように配置されたローラ３９
ａ，３９ｂと各ローラ３９ａ，３９ｂにそれぞれ結合さ
れたエンコーダ３２ａ，３２ｂを有し、球部３１の２つ
の自由度の回転量をエンコーダ３２ａ，３２ｂにより検
出する。

【００２０】また、図３に示すように、球部３１の周囲
にはＰＺＴ等の圧電素子３７ａ〜３７ｄが４個設けら
れ、互いに向い合う２対３７ａ，３７ｂ；３７ｃ，３７
ｄが、それぞれ球の中心で直交するように配置されてい
る。各圧電素子３７ａ〜３７ｄは、電圧を印加すると、
球部３１に接触し、電圧を解除すると、球部３１から離
れる。

【００２１】圧電素子３７ａ〜３７ｄは球部３１に接触
すると、球部３１の回転の制動力として作用するが、球
部３１と圧電素子３７ａ〜３７ｄは点で接触するため、
例えば１対のみ圧電素子３７ａ，３７ｂに電圧を印加し
た場合には、この１対の圧電素子３７ａ，３７ｂが通る
直線回りの回転に対する制動力は発生しない。

【００２２】すなわち、１対の圧電素子３７ａ，３７ｂ
（又は３７ｃ，３７ｄ）は、１自由度の制動力の回転方
向に関与するため、互いに直交する２対の圧電素子３７
ａ，３７ｂ；３７ｃ，３７ｄを独立して制御することに
より、２自由度の制動力の回転方向を制御することが可
能である。

【００２３】さらに、印加電圧の時間的な制御を行うこ
とにより、例えばＰＷＭ制御のように印加する周期とデ
ューティを制御することにより見かけ上、制動力の大き
さの制御が可能である。以上述べた制動力の方向と大き
さの制御により、制動力の２自由度に対するベクトル制
御が可能となる。制動力のベクトル制御は、感圧センサ
１７の検出信号に基づき行われる。図４は感圧センサ１
７が設けられた挿入部６の先端側の構造を示す。

【００２４】先端構成部１１には処置具挿通チャンネル
４１の先端開口４１ａ、対物レンズ４２が取り付けられ
た観察窓４２ａ、送気・送水ノズル４３、照明レンズ４
４が取り付けられた照明窓が設けてある。この対物レン
ズ４２の後方の焦点面には図示しないＣＣＤが配置され
ている。

【００２５】また、湾曲部１２には複数の湾曲駒２５が
それぞれ枢支ピン４６を介して回動自在に連結され、例
えば湾曲操作ワイヤの牽引・弛緩操作伴い、湾曲駒２５
が枢支ピン４６を中心として回動して湾曲部１２全体が
所望の方向に湾曲できる。

【００２６】さらに、湾曲部１２及び可撓管部１３の内
部には処置具挿通チャンネル４１、ＣＣＤに接続された
信号ケーブル４０、送気・送水チューブ４７、ライトガ
イドファイバ４８がそれぞれ挿通されている。また、湾
曲部１２の先端には体腔壁と接触した部分の位置と、そ
の接触負荷とを検出する感圧センサ１７が配設されてい
る。

【００２７】この感圧センサ１７には挿入部６の外周面
に配設されたリング状の接触部５１と、挿入部６の軸心
部に配設され、接触部５１の外径寸法より外径寸法が小
さいロッド状の弾性部材（センサ支持体）５２とがそれ
ぞれ設けてある。また、接触部５１と弾性部材５２との
間には接触部５１に作用する接触圧力を弾性部材５２に
伝達する３本のスポーク状の連結部材（伝達部材）５３
が配設されている。なお、接触部５１の外周面には水蜜
用のゴム管５４が配設されている。

【００２８】さらに、弾性部材５２の外周面には図４
（ｂ）に示すように歪を検出する４つの歪ゲージ（歪検
出センサ）５５が装着されている。これらの歪ゲージ５
５の内２つは弾性部材５２の軸心方向と直交する方向に
配置されたＸ軸５６に沿う弾性部材５２の上下位置に配
置されている。また、残りの２つの歪ゲージ５５はＸ軸
５６と直交する方向に配置されたＹ軸５７に沿う弾性部
材５２の左右位置に配置されている。

【００２９】４つの歪ゲージ５５はリード線を介して感
圧センサ検出回路３５と接続されている。この感圧セン
サ検出回路３５にはＹ軸５７上の１対の歪ゲージ（ゲー
ジ抵抗Ｒ１、Ｒ２）と接続され、Ｙ軸５７の回りの曲げ
歪εｙを検出するブリッジ回路５８ａと、Ｘ軸５６上の
１対の歪ゲージ（ゲージ抵抗Ｒ３、Ｒ４）と接続され、
Ｘ軸５６の回りの曲げ歪εｘを検出するブリッジ回路５
８ｂとを有する。

【００３０】各ブリッジ回路５８ｂ，５８ａの出力電圧
をｅ１，ｅ２、ブリッジ電圧をＥ、ゲージ率をＫｓとす
ると、 Ｘ軸５６の回りの曲げ歪εｘ＝２ｅ１／ＥＫｓ （１） Ｙ軸５７の回りの曲げ歪εｙ＝２ｅ２／ＥＫｓ （２） となる。

【００３１】さらに各ゲージ５５からの検出信号に基づ
いて求められる直交する２方向の曲げ量をベクトル合成
することにより、挿入部６の先端側の外周面が接触した
部位の位置と接触負荷が求められ、挿入部６の先端側の
接触状態が検出される。これらの情報はＣＰＵ３４を介
して圧電素子制御回路３６に入力される。

【００３２】そして、ＣＰＵ３４を経由して圧電素子制
御回路３６に入力された２自由度の感圧に対応した電気
信号は、２対の圧電素子３７ａ，３７ｂ；３７ｃ，３７
ｄの駆動回路に分配され、圧電素子制御回路３６内の図
示しないＰＷＭ回路により変調されて２対の圧電素子３
７ａ，３７ｂ；３７ｃ，３７ｄに印加される。この印加
される駆動信号は例えばＰＷＭ形式で周波数とＤｕｔｙ
により制動力をコントロールするものであり、接触した
場合の圧力が大きくなる程、大きな制動力を付与するよ
うにしている。

【００３３】次にこの実施例の作用を図５を参照して説
明する。図５（ａ）に示す電子内視鏡２の操作部６を図
５（ｂ）に示すように把持し、トラックボール１４によ
る湾曲操作により挿入部６の先端側を体腔内に挿入で
き、この挿入等の際に先端側が体腔壁６０等の生体組織
に接触すると、感圧センサ１７により検出され、感圧セ
ンサ検出回路３５によってその作用力の方向（位置）と
大きさが検出される。

【００３４】作用力の方向と大きさはＣＰＵ３４及び圧
電素子制御回路３６を介して圧電素子３７ａ，３７ｂ；
３７ｃ，３７ｄにより球部３１に対し、操作しようとす
るトラックボール１４の制動力としてブレーキを掛ける
ように設定してあるので、不用意に生体組織に無理な力
を作用させることを防止できる。

【００３５】つまり、体腔壁６０等に接触した状態でさ
らにその接触方向に湾曲させるように球部３１を回転移
動しようとした場合、その方向への操作に対してブレー
キがかかるので操作者は先端側が接触していることを把
握でき、不用意にその方向へ操作することを有効に防止
できることになる。

【００３６】また、トラックボール１４はジョイスティ
ックよりも操作量を大きくとれるため微妙な湾曲動作を
実現できる。また、生体組織の硬さをトラックボール１
４の制動力という形で、操作者に伝えることができる。

【００３７】次に本発明の第２実施例を説明する。この
第２実施例は光学式内視鏡装置で構成され、その全体構
成は図１において電子内視鏡２の代わりに光学式内視鏡
が用いられ、かつ光源装置３と制御回路４ｂとから構成
されている。

【００３８】この実施例における光学式内視鏡の挿入部
を形成する湾曲部６１の断面構造を図６に示す。湾曲部
６１は外皮及びブレード等からなる外装部材６２で覆わ
れ、その内側に湾曲自在の湾曲駒（節輪）６３が収納さ
れている。、節輪６３の内周で、上下，左右の相対する
４カ所には、複数のワイヤガイド６４ａ，６４ａ，６４
ｂ，６４ｂが突出して設けられている。

【００３９】そして、この上下，左右の相対する４カ所
の各複数のワイヤガイド６４ａ，６４ａ，６４ｂ，６４
ｂによって湾曲用操作ワイヤ６５ａ，６５ａ，６５ｂ，
６５ｂを挿通して案内している。また節輪６３の内方に
は内蔵物としてチャンネルチューブ６６、送気，送水用
チューブ６７、ライトガイドファイバ６８、イメージガ
イドファイバ６９等が設けられている。

【００４０】本実施例のワイヤガイド６４ａ（他のワイ
ヤガイド６４ｂ等も同様）は、図７に示すように略３角
形をしており底面は上記節輪６３の一部と接するように
ロウ付されている。

【００４１】従来のパイプ状のワイヤガイドと比較し
て、節輪６３との接触面が多くなるため、ロウ付面積が
広がり、結果として従来例よりワイヤガイドの取り付け
強度の向上が図られる。

【００４２】また、従来のパイプ状のワイヤガイドと比
較して、内蔵物と接する側が鋭角になっているため、内
蔵物に対してデッドスペースが確保でき、その分、湾曲
管の細径化等が図られる。

【００４３】また、図８に示すように内蔵物Ａ，Ｂの間
にこの実施例におけるワイヤガイド６４ａ等が配設され
るとその頂上部によって、Ａ，Ｂのレイアウトが規制さ
れるため、組立時の配列が保たれやすい。

【００４４】また、この実施例ではトラックボール１７
の球部３１の２自由度の回転量を検出する手段として、
図９に示すようにレーザ光の干渉縞、つまりスペックル
パターンを利用した非接触式の移動量センサ７１ａ、７
１ｂを備え、移動量センサ７１ａ、７１ｂは図３と同様
に互いに直交するように配置される。

【００４５】検出された回転量は、エンコーダ検出回路
を経てＣＰＵ３４に取り込まれ、対応する湾曲方向へ湾
曲部６１を駆動するモータ２２ａ，２２ｂの指令値に変
換され、モータ駆動回路２８へ出力される。

【００４６】また、図３と同様に球部３１の周囲には圧
電素子３７ａ，３７ｂ；３７ｃ，３７ｄが４個設けられ
互いに向い合う２対が、それぞれ球の中心で直交するよ
うに配置されている。

【００４７】次にレーザ光の干渉縞を利用した非接触式
の移動量検出について説明する。図１０に示すようにレ
ーザ発振器７５によるレーザ光を粗面（拡散反射をする
面）７６にあてると光の干渉を起こす。この光の干渉縞
のことをスペックルパターンと言う。これはレーザ光が
粗面にあたる時に微妙に粗面との距離に差ができること
により拡散光に位相の差が生じる。図１１はスペックル
パターンの１例を示す。

【００４８】上記位相の差によって光の干渉が起き、明
と暗の干渉縞となり、この干渉縞は粗面の状態により変
化する。粗面が静止していれば干渉縞も静止し、粗面が
移動すればこの干渉縞も移動する。しかし粗面が移動す
ることにより粗面の状態も変化する。

【００４９】よって干渉縞そのものも縞模様が変化す
る。この干渉縞が変化し、移動する状態をイメージセン
サ７７で検出する。粗面の材質に影響を受けずに干渉縞
は発生するが、粗面からの反射光量が少なすぎたり、多
すぎることによってイメージセンサ７７で検出すること
ができなくなることがある。光量が少ない時は対象物側
にセンサを近づけ、逆に、光量が多い時はセンサヘッド
を前後方向に傾けることにより光量を減らして適度の光
量に設定できる。

【００５０】次に移動量の測定について説明する。上述
のようにレーザ光を粗面にあてると反射光が干渉し、ス
ペックルパターンとなり、粗面が移動するとパターンも
移動するが、この移動量を以下のように測定する。

【００５１】拡散光の受光素子として一次元のイメージ
センサを使用する。イメージセンサは丁度、受光素子が
一定の間隔にならんでいるような形状をしている。たと
えば、リセット入力がＯＮの時に図１２の（ａ）のスペ
ックルパターンがイメージセンサに入光されていたとす
る。

【００５２】リセット入力がＯＦＦとなり（ｂ）のパタ
ーンにイメージセンサの入光が変化すると、＋方向にイ
メージセンサ個分（たとえば２０μｍ）パターンが動い
たとすると、エンコーダ検出回路７２ではパターンの比
較によりそのパターンの移動量を検出し、（ｂ）の時点
で『０．０２０』の移動量であると表示器に表示するこ
とができる。測定対象物がさらに＋方向に動き（ｂ）の
パターンから（ｃ）のパターンに入光が変化するとさら
に２０μｍ動いたと判断し『０．０４０』と表示するこ
とができる。さらに（ｃ）のパターンから−方向に
（ｄ）のパターンに入光が変化すると−方向に４０μｍ
動いたので表示は『０．０００』となる。この第２実施
例におけるその他の構成は第１実施例と同様であり、そ
の効果も第１実施例とほぼ同様である。

【００５３】なお、湾曲部等の動作部の付近に配置さ
れ、接触した位置及び負荷状態等を検出する力学的セン
サとしては、例えば第１実施例で説明した構造の感圧セ
ンサ１７に限定されるものでない。

【００５４】また、本発明は内視鏡に設けられる湾曲マ
ニピュレータ装置に限定されるものでなく、処置具等に
使用されるマニピュレータ装置とか、その他の医療用或
は工業用に使用され、動作部を遠隔的に操作するマニピ
ュレータ装置に広く適用できる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、湾
曲部等の動作部付近に圧力等を検出する力学的センサを
設けて、そのセンサ出力に基づき、動作部の動作を遠隔
的に操作するための球部に対して制動力を与えるように
しているので、動作部を無理に移動させる等の望ましく
ない操作を不用意に行うことを有効に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例を備えた内視鏡装置の全体構成図。

【図２】湾曲マニピュレータ装置を示す斜視図。

【図３】トラックボールを示す斜視図。

【図４】挿入部の先端側の構造等を示す図。

【図５】動作説明図。

【図６】本発明の第２実施例における湾曲部の断面図。

【図７】図６に用いられるワイヤガイドを示す斜視図。

【図８】隣接する内蔵物の間にワイヤガイドを配置した
状態を示す説明図。

【図９】非接触方式で球部の移動量を検出する場合のト
ラックボールを示す斜視図。

【図１０】レーザ発振器のレーザ光を粗面に当てた反射
光を受光する様子を示す説明図。

【図１１】スペックルパターンの１例を示す説明図。

【図１２】スペックルパターンの移動から移動量の検出
を行う動作説明図。

【符号の説明】

１…内視鏡装置 ２…電子内視鏡 ３…光源装置 ４…ビデオプロセッサ ４ａ…信号処理回路 ４ｂ…制御回路 ５…モニタ ６…挿入部 ７…操作部 １１…先端構成部 １２…湾曲部 １４…トラックボール １７…感圧センサ ２１…湾曲マニピュレータ装置 ２２ａ，２２ｂ…モータ ２７、３３…エンコーダ回路 ２８…モータ駆動回路 ３５…感圧センサ検出回路 ３６…圧電素子駆動回路 ３１…球部 ３７ａ〜３７ｄ…圧電素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動作部を駆動するアクチュエータと、前
   記動作部の操作手段を形成し、手動で回転可能な球部及
   び該球部の回転量を検出する検出手段と、該検出手段に
   より検出された回転量より前記アクチュエータの制御内
   容を決定する制御回路と、前記動作部付近に設けられた
   力学的センサと、該力学的センサの検出量に応じた制動
   力を前記球部に与える制動力発生手段とを設けたことを
   特徴とするマニピュレータ装置。