JPWO2018207799A1 - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

板ばねの押し引きにより板ばねを変形させて作動部を多自由度で動作させるマニピュレータは、横板ばねと、湾曲縦板ばねと、軸体と、作動部と、を含む可撓作動体（第１可撓作動体、第２可撓作動体）を、一対備える。一対の可撓作動体は、一方の第１可撓作動体に対して他方の第２可撓作動体が反対となるように重ねられ、それぞれの軸体を貫通したピンによって回転自在に連結される。ピンの両端を支持するホルダには、一対の可撓作動体のそれぞれの横板ばねを平行に挟むとともに、横板ばねと同方向に延在する一対の外側横板ばね（第１外側横板ばね、第２外側横板ばね）が一体的に形成される。

Description

本開示は、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。

日本国特許第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。

これに加え、把持部を構成する部材が多くなると、必然的に接合部が増える。接合部が増えることは、例えば脳神経外科手術などへの適用では、把持部の細径化の障害となる。接合部は、マニピュレータが脳神経外科手術への適用を可能とする所定の外径（例えば４ｍｍ程度以下）であると、接合強度が確保しにくくなる。特に異種金属との接合性が良好でないチタンやチタン合金を素材に使用した場合、接合部が離脱する可能性もある。そのため、細径化が可能で、脳神経外科手術に適用可能な細径サイズにおいても構成部材に分離が生じにくい構造を実現したい要請がある。この要請に対する技術的な対策は上述した非特許文献１や特許文献１などの従来技術では考慮されていない。

本開示は、上述した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。

本開示は、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、を含む一対の可撓作動体と、前記一対の可撓作動体のそれぞれの前記軸体を貫通し、前記一対の可撓作動体を前記回転中心で回転自在に連結するピンの両端を支持するホルダと、を備え、前記ホルダは、前記一対の可撓作動体のそれぞれの前記横板ばねを平行に挟み、前記横板ばねと同方向に延在する一対の外側横板ばねが前記ホルダと一体的に形成される、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、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、軸体が上述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度変わる。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。

一対の可撓作動体は、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。

マニピュレータは、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、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）がホルダから延出する。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。

そして、このマニピュレータでは、ホルダに、一対の外側横板ばねが一体的に形成される。即ち、ホルダは、ホルダ本体と外側横板ばねとが接合部を有さずに一体的に形成されている。ホルダは、固定具、加締め部、接着剤などによる接合部を有しない。従来、ホルダ本体をステンレス鋼、外側横板ばねをチタンやチタン合金で製作した場合、溶接の困難性からホルダ本体と外側横板ばねとはピン等により接続して一体化される（別々の部材が一つにまとめられる）。ホルダは、ホルダ本体に例えばピン等の固定具により一対の外側横板ばねのそれぞれを固定して一体化した場合、少なくとも５つの部品（一つのホルダ本体、二つの外側横板ばね、二つの固定具）が必要となる。これに対し、一体的に形成したホルダでは、一つの部品で済む。一体的に形成したホルダは、固定具等を用いた接合構造で生じる摩耗、ガタ、精度低下が生じない。また、血液等の体液が接合構造に侵入しなくなり、かつ洗浄も容易となり、十分に乾燥することで次回以降の手術等への使用も安心して行える。更に、複数の別部品を一体化した場合の個々の部品の小型化が必要なくなる。このため、同一サイズのマニピュレータを比較すれば、一体的に形成したホルダは、複数の小部品が無くなるので、強度低下のリスクや接合外れのリスクを回避できる。長期使用も可能となる。その結果、ホルダを一体的に形成したマニピュレータは、特に小型化が要求される脳神経外科手術等に適用される細径（外径４ｍｍ程度以下）の場合に、大きなメリットが生じる。

また、本開示は、一対の前記外側横板ばねは、前記ホルダが有する円筒外周面から母線に沿う方向で延出して前記円筒外周面と同一曲率半径の弧状外周面を有する、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、ホルダ本体が円筒外周面を有し、この円筒外周面から母線に沿う方向で一対の外側横板ばねを延出させている。円筒外周面とそれぞれの外側横板ばねの弧状外周面とは、同一曲率半径となる。即ち、ホルダ本体と一対の外側横板ばねとは、接合部を設けずに、同一の金属管材から加工することが可能となる。ホルダは、内外径が円形状の素材（金属管材）を用い、その一部分を除去し、他の部分を残すことにより、異なる剛性（ばね性）を所望の部位に発現させることができる。脳神経外科手術に適用するマニピュレータでは、外筒（外径４ｍｍ程度以下）の内側に挿入されるホルダの外径が３ｍｍ程度以下となる。このような細径サイズのチタンやチタン合金からなるホルダは、例えばワイヤーカット放電加工により金属管材を切断加工して製作できる。

また、本開示は、前記外側横板ばねの延在方向中央部には、前記外側横板ばねの長手方向両端よりも薄厚かつ幅狭の可撓部が形成される、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、それぞれの外側横板ばねには、延在方向中央部に、長手方向両端よりも薄厚かつ幅狭となる部位（即ち、可撓部）が形成される。この可撓部は、長手方向両端よりも断面積が小さくなる。このため、外側横板ばねは、長手方向両端に作用する応力が、この延在方向中央部の可撓部に集中して撓み（弾性変形）が生じる。このように、ホルダは、ホルダ本体と一体的に形成した外側横板ばねの肉厚及び板幅をコントロールすることにより、同一素材からなる単一部品でありながら、所望の位置のみにばね性を発現させることができる。

また、本開示は、一対の前記外側横板ばねは、延在方向の一部分が外筒の内壁面に接して前記外筒の内部に配置される、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、一対の外側横板ばねは、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。一対の外側横板ばねは、外筒の内壁面に接しているので、外筒の内部では屈曲が規制される。一対の外側横板ばねは、殆どが外筒から突出した部分で屈曲する。このため、一対の外側横板ばねは、外筒の開口端を、屈曲の開始端と見なすことができる。つまり、外筒の開口部は、屈曲する側の外側横板ばねを支持する支点となる。このように、マニピュレータでは、外側横板ばねの一部分を外筒の内壁面にさせ、外筒の開口端を支点とする。これにより、外側横板ばねは、曲げ半径の無用な拡大を抑制できる。なお、この支点は、外側横板ばねが外筒の開口端から進退することにより、外側横板ばね上を移動する。

また、本開示は、前記外側横板ばね及び前記横板ばねは、延在方向に凹凸が隣接しない平滑面を延在方向中央部に有する、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、血液等の体液が、外側横板ばねや横板ばねに付着しにくくなる。また、付着した血液等の体液を、洗浄により外側横板ばねや横板ばねから除去し易くできる。また、特に外側横板ばねは、外筒の開口端からの進退が円滑となる。

また、本開示は、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、本開示は、前記ホルダが、金属及び樹脂の少なくとも一方により一体的に形成されている、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、ホルダが金属または樹脂により一体的に形成される。即ち、ホルダは、ホルダ本体と、一対の外側横板ばねとが金属または樹脂により一体的に形成される。本明細書において、一体的に形成とは、固定具（ボルトやナット、グロメットや鳩目、リベット）、加締め部、接着剤などにより接合した構造体を含まない。ホルダにおいて、一体的に形成とは、例えば素材である管材を切削加工、研削加工、放電加工（ワイヤーカット放電加工など）、レーザ加工することにより不要部分を除去し、所望形状の構造体（ホルダ）を得る製作法を挙げることができる。また、一体的に形成は、例えば樹脂材を金型に充填して成形し、所望の形状のホルダを得てもよい。この場合、二色成形やインサート成形が含まれる。このため、「一体的」は、「一つになって分けられない関係にある」点では「一体」と同義であるが、単一材料からなることは要件としていない。従って、一体的に形成したホルダは、別部材を使用して接合した固定部を有しない。

また、本開示は、前記ホルダは、前記ピンの一端を支持して前記一対の外側横板ばねの一方と一体的に形成される第１ホルダと、前記ピンの他端を支持して前記一対の外側横板ばねの他方と一体的に形成される第２ホルダとに分割される、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、分割された第１ホルダと第２ホルダとは、双方を一体的に連結する部分（即ち、ガイド）がなくなる。分割された第１ホルダと第２ホルダとでは、湾曲縦板ばねとガイドとが擦れ合うことによる摩擦を生じなくすることができる。これにより、分割された第１ホルダと第２ホルダによれば、作動部の傾動精度を向上させ、摩擦による湾曲縦板ばねの破壊を防止できる。また、分割された第１ホルダと第２ホルダによれば、ガイドにより連結された一体のホルダに比べ、製造が容易となる。更に、一体のホルダに比べ、ガイドとの摩擦がなくなるので、作動部の傾動を滑らかにすることができる。

また、本開示は、前記ピンの両端を前記第１ホルダ及び前記第２ホルダのそれぞれに固定する固定部は、前記外側横板ばねの延在方向に直交する幅寸法の約半分よりも大きい直径の円形状で形成される、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、固定部が、外側横板ばねの幅寸法の半分よりも大きい直径の円形状で形成される。従って、第１ホルダと第２ホルダは、外側横板ばねの幅寸法の約半分または半分よりも小さい直径の固定部でピンの両端が固定される構造に比べ、保持板からのピンの抜けを大きな強度で規制できる。これにより、ガイドが廃止されることで増加するピンの両端と保持板との固定部に作用する応力に対応させて、ピンの固定強度を増強することができる。

本開示によれば、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。

本実施の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に示した先端部の一部分を切り欠いた平面図 図２に示した先端部の一部分を切り欠いた側面図 図２に示した先端部を管軸を中心に時計回りに９０度回転した斜視図 図５に示した先端部の外筒を省略した斜視図 図６に示した先端部のホルダを省略した斜視図 図７に示した一方の可撓作動体の斜視図 図８に示したピンを省略した第１可撓作動体の平面図 図５に示したホルダの斜視図 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 変形例のマニピュレータの先端部の要部拡大斜視図 図１８に示したマニピュレータの側断面図

以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係るマニピュレータを具体的に開示した実施の形態（以下、本実施の形態という）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、以下の本実施の形態において、本開示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或いは脳神経外科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、本実施の形態のマニピュレータ１１の外観斜視図である。

本実施の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）切り口に通した上述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。脳神経外科手術に適用のマニピュレータ１１は、外筒２１が、より細径（外径４ｍｍ程度以下）で形成される。上述した非特許文献１の「da Vinci surgical system」システムにおける外径８．５ｍｍの外筒２１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てもよい。

外筒２１の挿入方向基端側（つまり、作動部側とは反対側）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、作動部側）には、ストッパ２５が固定される。ストッパ２５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２５との間には、基端側（つまり、作動部側とは反対側）より第１外側スライダ２７、第１スライダ２９、第２スライダ３１、第２外側スライダ３３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２７、第１スライダ２９、第２スライダ３１、第２外側スライダ３３）は、外筒２１に挿入されて先端（つまり、作動部側）に向かって長尺となる第１外側スライダシャフト３５、第１スライダシャフト３７、第２スライダシャフト３９、第２外側スライダシャフト４１のそれぞれ（図４参照）に連結される。

第１外側スライダシャフト３５、第１スライダシャフト３７、第２スライダシャフト３９、第２外側スライダシャフト４１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２７、第１スライダ２９、第２スライダ３１、第２外側スライダ３３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。

図３は、図２に示した先端部の一部分を切り欠いた平面図である。

図４は、図２に示した先端部の一部分を切り欠いた側面図である。

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を一体的に形成したホルダ４３と、ピン４５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４７と、第２可撓作動体４９とを有する。また、一対の外側横板ばねは、図４に示す第１外側横板ばね５１と、第２外側横板ばね５３とを有する。第１外側横板ばね５１、第１可撓作動体４７、第２可撓作動体４９、及び第２外側横板ばね５３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の側）の方向である。第１外側横板ばね５１、第１可撓作動体４７、第２可撓作動体４９、及び第２外側横板ばね５３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４に示すように、外筒２１の内部において、第１外側横板ばね５１は、第１外側スライダシャフト３５に接続される。第１可撓作動体４７は、第１スライダシャフト３７に接続される。第２可撓作動体４９は、第２スライダシャフト３９に接続される。第２外側横板ばね５３は、第２外側スライダシャフト４１に接続される。

図５は、図２に示した先端部を管軸を中心に時計回りに９０度回転した斜視図である。

図６は、図５に示した先端部の外筒２１を省略した斜視図である。

図５に示すように、一対の外側横板ばねである第１外側横板ばね５１と第２外側横板ばね５３は、延在方向の一部分が外筒２１の内壁面に接して外筒２１の内部に配置される。ホルダ４３は、第１外側横板ばね５１と第２外側横板ばね５３により外筒２１に支持される。図６に示すように、ホルダ４３は、ピン４５の両端を支持する。ピン４５は、ホルダ４３に軸方向の移動が規制されて支持される。このピン４５は、第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９を貫通する。

図７は、図６に示した先端部のホルダ４３を省略した斜視図である。

図８は、図７に示した一方の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５５、第１外側横板ばね５１、第２外側横板ばね５３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４７の一部及び第２可撓作動体４９の一部をそれぞれ変形させることで、第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９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４７、第２可撓作動体４９が用いられる。

一対の第１可撓作動体４７、第２可撓作動体４９は、作動部１７と反対側の横板ばね５５の端部に拡幅部５７が形成される。拡幅部５７は、板幅方向両側が外筒２１の内面に接する。これにより、第１可撓作動体４７、第２可撓作動体４９は、外筒内おける横板ばね５５の板幅方向の移動が規制されている。

第１可撓作動体４７、第２可撓作動体４９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４７を可撓作動体の代表例として説明する。

図９は、図８に示したピン４５を省略した第１可撓作動体４７の平面図である。

図９に示すように、第１可撓作動体４７は、横板ばね５５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４７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５５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５５は、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５５の形状により第１可撓作動体４７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５５は、例えば板厚を０．４ｍｍで形成できる。なお、横板ばね５５は、脳神経外科手術に適用の場合、板厚を０．２５ｍｍで形成することができる。

湾曲縦板ばね５９は、横板ばね５５の板面に垂直な板面を有して起立し、横板ばね５５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５５の板幅方向の一方（例えば図９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５５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４７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。なお、湾曲縦板ばね５９は、脳神経外科手術に適用の場合、板厚を０．２ｍｍで形成することができる。

第１可撓作動体４７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５５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４５（図８参照）が挿入される。ピン４５の両端は、ホルダ４３によって支持される。ホルダ４３は、一対の外側横板ばね（つまり、第１外側横板ばね５１、第２外側横板ばね５３）によって外筒２１に支持される。

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度とした場合、図９の反時計回りに略９０度の位置の外周にＲ部６５が接続される。Ｒ部６５は、この外周の０度の位置から９０度の位置で軸体６１を巻くようにして接続されている。Ｒ部６５は、例えば外周の０度の位置から１２０度の範囲で軸体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７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４７の湾曲部６３の突出方向に対して、他方の第２可撓作動体４９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４７と第２可撓作動体４９とは、一対の軸体６１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４７と第２可撓作動体４９とは、双方の軸体６１に貫通したピン４５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４７及び第２可撓作動体４９は、第１可撓作動体４７と第２可撓作動体４９のそれぞれの横板ばね５５の長手方向他端から長手方向中間までが外筒２１の内部に収容される。

第１可撓作動体４７と第２可撓作動体４９とは、軸体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９に示す第１可撓作動体４７の作動部１７は、図７に示す２つの作動部１７が紙面下側を向く場合において図７に示す紙面右下側の作動部１７となる。また、第２可撓作動体４９の作動部１７は、同様に図７に示す２つの作動部１７が紙面下側を向く場合において図７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４７及び第２可撓作動体４９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。即ち、第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９は、直線方向の力を、湾曲縦板ばね５９によりピン４５を中心としたモーメントに変換する。このため、第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９は、押す場合に比べ、湾曲縦板ばね５９に生じる座屈を回避して、大きな把持力を得ることができる。

また、第１可撓作動体４７は、軸体６１の回転中心６７が、横板ばね５５の板幅方向の中央を通る軸線の延長線上に配置される。つまり、第１可撓作動体４７は、ほぼ直線状に配置された横板ばね５５、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１０は、図５に示したホルダ４３の斜視図である。

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４５の両端を支持するホルダ４３を備える。ホルダ４３には、一対の可撓作動体（第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９）のそれぞれの横板ばね５５を平行に挟むとともに、横板ばね５５と同方向に延在する一対の外側横板ばね（第１外側横板ばね５１及び第２外側横板ばね５３）が一体的に形成される。

ホルダ４３は、金属及び樹脂の少なくとも一方により一体的に形成されている。本実施形態においてホルダ４３には、第１可撓作動体４７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。ホルダ４３は、ニッケルチタンの管材を素材にワイヤーカット放電加工することにより製作できる。マニピュレータ１１は、脳神経外科手術に適用の場合、このホルダ４３の素材には、外径３ｍｍ、内径１．４ｍｍの管材が用いられる。

一対の外側横板ばねは、この管材からワイヤーカット放電加工により形成される。このことから、一対の外側横板ばね（第１外側横板ばね５１、第２外側横板ばね５３）は、ホルダ４３が有するホルダ本体７１の円筒外周面７３から母線に沿う方向で延出して円筒外周面７３と同一曲率半径の弧状外周面７５を有する。

第１外側横板ばね５１、第２外側横板ばね５３は、同一形状のものが上下反転して形成される。以下、第１外側横板ばね５１を外側横板ばねの代表例として説明する。

図４、図１０に示すように、第１外側横板ばね５１は、延在方向中央部に、外側横板ばねの長手方向両端よりも薄厚かつ幅狭の可撓部７７が形成される。ホルダ４３は、第１外側横板ばね５１に可撓部７７を形成することにより、この可撓部７７に応力を集中させて第１外側横板ばね５１を弾性変形可能としている。この可撓部７７は、延在方向の長さが７ｍｍ程度、幅が１．４ｍｍ程度で形成される。

第１外側横板ばね５１は、弧状外周面７５と反対側が、対向平坦面７９となる。第１外側横板ばね５１は、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となる。つまり、第１外側横板ばね５１の形状により第１可撓作動体４７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５１及び上述の横板ばね５５は、延在方向に凹凸が隣接しない平滑面を延在方向中央部に有する。これにより、マニピュレータ１１は、外筒２１から露出する第１外側横板ばね５１及び横板ばね５５に、血液等の体液を付着し難くしている。また、平滑面を有する第１外側横板ばね５１及び横板ばね５５は、洗浄が良好に行える。

ホルダ４３は、離間する一対の平行な保持板８１を有する。１つの保持板８１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８１は、両側がそれぞれ側板８３によって接続される。これにより、ホルダ４３は、正面視で角穴状の内部空間を有する。上述のピン４５は、両端が一対の保持板８１に穿設されるピン支持孔８５に固定される。ホルダ４３は、この内部空間に、軸体６１や、湾曲縦板ばね５９を収容する。

また、ホルダ４３には、一対の平行なガイド８７が、それぞれの側板８３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８７は、一対の第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９における湾曲縦板ばね５９のそれぞれの湾曲外面８９（図９参照）に接する。ガイド８７は、湾曲縦板ばね５９の湾曲外面８９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。

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９１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９１によって動作が制御される。コントロール部９１は、制御コンピュータ９３と、モータドライバ９５とを有する。コントロール部９１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９７と、ＤＣモータ９９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２７、第１スライダ２９、第２スライダ３１及び第２外側スライダ３３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９１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１０１と、ＤＣモータ１０３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９１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４３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４３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４３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１１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４３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４５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４３が変位（傾動）したとき、ピン４５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４５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４５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４５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。なお、この距離Ｐは、脳神経外科手術に適用のマニピュレータ１１では、４．８５ｍｍに設定される。

図１２は、一対の横板ばね５５による作動部１７の変位方向を表す動作説明図である。

図１３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１４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１５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１２に示すように、第１可撓作動体４７の横板ばね５５及び第２可撓作動体４９の横板ばね５５が同時に押される（つまり、作動部側に押される）と、一対の軸体６１が逆方向に回転する。即ち、図１４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４７の横板ばね５５及び第２可撓作動体４９の横板ばね５５が同時に引っ張られる（つまり、作動部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４７の横板ばね５５が引かれ、第２可撓作動体４９の横板ばね５５が押されると、図１５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４７の横板ばね５５が押され、第２可撓作動体４９の横板ばね５５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１３に示すように、第１外側横板ばね５１及び第２外側横板ばね５３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５１及び第２外側横板ばね５３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４７及び第２可撓作動体４９は、従動又は同時に押し引きされる。

図１６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５１が押され、第２外側横板ばね５３が引っ張られると、図１６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５１が引かれ、第２外側横板ばね５３が押されると、一対の作動部１７が、−Ｘ軸側に傾動する。

図１７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５１及び第２外側横板ばね５３の押し引き量を変更することで、屈曲中心Ｂ（図１１参照）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４７及び第２可撓作動体４９の押し引き量を変更することで、図１７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９３でマニピュレータ１１の第１外側スライダ２７、第１スライダ２９、第２スライダ３１及び第２外側スライダ３３の送り量の目標値を求め、モータドライバ９５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９９によりボールねじ９７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１７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５１及び第２外側横板ばね５３の押し引き量を変更しながら、第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９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度の任意な方向に旋回動作させることができる。

次に、上述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５５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４７、第２可撓作動体４９）が構成される。湾曲縦板ばね５９は、横板ばね５５に対し、板面が起立する向きで接続される。即ち、横板ばね５５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５５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４７、第２可撓作動体４９）は、横板ばね５５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が上述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５５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度変わる。これにより、湾曲縦板ばね５９は、上述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４３に、一対のガイド８７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４７、第２可撓作動体４９）は、横板ばね５５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、上述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５５の押し引きによって、軸体６１に設けられた作動部１７を、上述の回転中心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４７、第２可撓作動体４９）は、横板ばね５５が、表裏の板面側に変位する方向（図１１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４７、第２可撓作動体４９）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４７、第２可撓作動体４９）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４７、第２可撓作動体４９）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４７、第２可撓作動体４９）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４７、第２可撓作動体４９）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、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５５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５５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５５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５５の軸線の延長線上に１本のピン４５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５５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５５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５１、第２外側横板ばね５３）が配置される。つまり、外筒２１には、一対の横板ばね５５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４３に固定される。外筒２１の先端面と、ホルダ４３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４３との間には、４層に重なる一対の横板ばね５５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４３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５５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５５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５５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４３（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）。

更に、マニピュレータ１１は、エンドキャップ２３が回転することで、外筒２１の管軸を中心としたｅ方向（図２参照）に一体回転する（５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５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８９に接するガイド８７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。

そして、このマニピュレータ１１では、ホルダ４３に、一対の外側横板ばねが一体的に形成される。即ち、ホルダ４３は、ホルダ本体７１と外側横板ばねとが接合部を有さずに一体的に形成されている。ホルダ４３は、固定具、加締め部、接着剤などによる接合部を有しない。従来、ホルダ本体７１をステンレス鋼、外側横板ばねをチタンやチタン合金で製作した場合、溶接の困難性からホルダ本体７１と外側横板ばねとはピン４５等により接続して一体化される（別々の部材が一つにまとめられる）。ホルダ４３は、ホルダ本体７１に例えばピン４５等の固定具により一対の外側横板ばねのそれぞれを固定して一体化した場合、少なくとも５つの部品（一つのホルダ本体７１、二つの外側横板ばね、二つの固定具）が必要となる。これに対し、一体的に形成したホルダ４３では、一つの部品で済む。一体的に形成したホルダ４３は、固定具等を用いた接合構造で生じる摩耗、ガタ、精度低下が生じない。また、血液等の体液が接合構造に侵入しなくなり、かつ洗浄も容易となり、十分に乾燥することで次回以降の手術等への使用も安心して行える。更に、複数の別部品を一体化した場合の個々の部品の小型化が必要なくなる。このため、同一サイズのマニピュレータ１１を比較すれば、一体的に形成したホルダ４３は、複数の小部品が無くなるので、強度低下のリスクや接合外れのリスクを回避できる。長期使用も可能となる。その結果、ホルダ４３を一体的に形成したマニピュレータ１１は、特に小型化が要求される脳神経外科手術等に適用される細径（外径４ｍｍ程度以下）の場合に、大きなメリットが生じる。

また、マニピュレータ１１では、ホルダ本体７１が円筒外周面７３を有し、この円筒外周面７３から母線に沿う方向で一対の外側横板ばねを延出させている。円筒外周面７３とそれぞれの外側横板ばねの弧状外周面７５とは、同一曲率半径となる。即ち、ホルダ本体７１と一対の外側横板ばねとは、接合部を設けずに、同一の金属管材から加工することが可能となる。ホルダ４３は、内外径が円形状の素材（金属管材）を用い、その一部分を除去し、他の部分を残すことにより、異なる剛性（ばね性）を所望の部位に発現させることができる。脳神経外科手術に適用するマニピュレータ１１では、外筒２１（外径４ｍｍ程度以下）の内側に挿入されるホルダ４３の外径が３ｍｍ程度以下となる。このような細径サイズのチタンやチタン合金からなるホルダ４３は、例えばワイヤーカット放電加工により金属管材を切断加工して製作できる。

また、マニピュレータ１１では、それぞれの外側横板ばねには、延在方向中央部に、長手方向両端よりも薄厚かつ幅狭となる部位（即ち、可撓部７７）が形成される。この可撓部７７は、長手方向両端よりも断面積が小さくなる。このため、外側横板ばねは、長手方向両端に作用する応力が、この延在方向中央部の可撓部７７に集中して撓み（弾性変形）が生じる。このように、ホルダ４３は、ホルダ本体７１と一体的に形成した外側横板ばねの肉厚及び板幅をコントロールすることにより、同一素材からなる単一部品でありながら、所望の位置のみにばね性を発現させることができる。

また、一対の外側横板ばねは、延在方向の一部分が外筒２１の内壁面に接して外筒２１の内部に配置される。一対の外側横板ばねは、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。一対の外側横板ばねは、外筒２１の内壁面に接しているので、外筒２１の内部では屈曲が規制される。一対の外側横板ばねは、殆どが外筒２１から突出した部分で屈曲する。このため、一対の外側横板ばねは、外筒２１の開口端を、屈曲の開始端と見なすことができる。つまり、外筒２１の開口部は、屈曲する側の外側横板ばねを支持する支点となる。このように、マニピュレータ１１では、外側横板ばねの一部分を外筒２１の内壁面にさせ、外筒２１の開口端を支点とする。これにより、外側横板ばねは、曲げ半径の無用な拡大を抑制できる。なお、この支点は、外側横板ばねが外筒２１の開口端から進退することにより、外側横板ばね上を移動する。

そして、外側横板ばね及び横板ばね５５は、延在方向に凹凸が隣接しない平滑面を延在方向中央部に有する。これにより、マニピュレータ１１は、血液等の体液が、外側横板ばねや横板ばね５５に付着しにくくなる。また、付着した血液等の体液を、洗浄により外側横板ばねや横板ばね５５から除去し易くできる。また、特に外側横板ばねは、外筒２１の開口端からの進退が円滑となる。

更に、マニピュレータ１１では、湾曲縦板ばね５９の更に湾曲する方向の変形が、湾曲外面８９に接するガイド８７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。

また、マニピュレータ１１では、ホルダ４３が金属または樹脂により一体的に形成される。即ち、ホルダ４３は、ホルダ本体７１と、一対の外側横板ばねとが金属または樹脂により一体的に形成される。本明細書において、一体的に形成とは、固定具（ボルトやナット、グロメットや鳩目、リベット）、加締め部、接着剤などにより接合した構造体を含まない。ホルダ４３において、一体的に形成とは、例えば素材である管材を切削加工、研削加工、放電加工（ワイヤーカット放電加工など）、レーザ加工することにより不要部分を除去し、所望形状の構造体（ホルダ４３）を得る製作法を挙げることができる。また、一体的に形成は、例えば樹脂材を金型に充填して成形し、所望の形状のホルダ４３を得てもよい。この場合、二色成形やインサート成形が含まれる。このため、「一体的」は、「一つになって分けられない関係にある」点では「一体」と同義であるが、単一材料からなることは要件としていない。従って、一体的に形成したホルダ４３は、別部材を使用して接合した固定部を有しない。

次に、上記した本実施の形態のマニピュレータ１１の変形例を説明する。

図１８は、変形例のマニピュレータ１１１の先端部の要部拡大斜視図である。なお、変形例のマニピュレータ１１１において本実施の形態と同等の部材若しくは部位には同一の符号を付し重複する説明は省略する。

マニピュレータ１１１は、上記のホルダ４３が、第１ホルダ１１３と第２ホルダ１１５とに分割される。第１ホルダ１１３は、ピン４５の一端を支持して一対の外側横板ばねの一方である第１外側横板ばね５１と一体的に形成される。第２ホルダ１１５は、ピン４５の他端を支持して一対の外側横板ばねの他方である第２外側横板ばね５３と一体的に形成される。

マニピュレータ１１１は、上記のホルダ４３から、側板８３及びガイド８７がなくなることで、第１ホルダ１１３と第２ホルダ１１５とに分離されている。

また、マニピュレータ１１１は、ピン４５の両端を第１ホルダ１１３及び第２ホルダ１１５のそれぞれに固定する固定部１１７が、第１外側横板ばね５１及び第２外側横板ばね５３の延在方向に直交する幅寸法Ｗ（図３参照）の約半分（例えばＷ／２の長さ）よりも大きい直径Ｄ（図１８参照）の円形状で形成されている。

この固定部１１７は、ピン４５の外径より大きいことが好ましい。固定部１１７は、例えばピン４５の一端に形成されたボルトやリベットなどの頭部形状や、ピン４５の他端に係合、接着、ろう付け、或いは溶接により固定されるナット形状のものとすることができる。第１ホルダ１１３及び第２ホルダのそれぞれの保持板８１には、固定部１１７を内方に嵌めて表面を保持板８１と同一表面とする凹部が形成されることが好ましい。

また、マニピュレータ１１１は、外筒２１の先端にばね分配部１１９が設けられている。ばね分配部１１９には、外筒２１と同軸でガイド孔１２１が貫通して形成される。ガイド孔１２１には、第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９のそれぞれの横板ばね５５が挿通される。ガイド孔１２１は、挿通された横板ばね５５の外筒２１における半径方向に変位する偏芯を抑制する。

また、外筒２１は、先端にばね分配部１１９が設けられることにより、先端の開口に、ばね分配部１１９を挟んで一対のばね位置規制間隙１２３が形成される。一対のばね位置規制間隙１２３のそれぞれには、第１外側横板ばね５１と第２外側横板ばね５３とが挿通される。ばね位置規制間隙１２３は、外筒２１の半径方向内側への第１外側横板ばね５１と第２外側横板ばね５３の変位を規制する。

図１９は、図１８に示したマニピュレータの側断面図である。ばね分配部１１９は、外筒２１と一体で形成することができる。また、ばね分配部１１９は、外筒２１と別体で形成したものを係合、接着、ろう付け、或いは溶接により固定してもよい。ばね分配部１１９は、外筒２１と別体で設ける場合には、外筒２１の内壁面に固定するための鍔部１２５を形成することにより、固定代を確保することができる。

なお、第１可撓作動体４７、第２可撓作動体４９は、ピン４５の貫通するそれぞれの軸体６１の間に、スペーサ１２７が配置されていてもよい。スペーサ１２７は、第１可撓作動体４７と第２可撓作動体４９が開閉する際の軸体６１同士の相対回転による摩擦を軽減し、開閉動作を滑らかにすることができる。

次に、変形例のマニピュレータ１１１の作用を説明する。

この変形例のマニピュレータ１１１では、ホルダ４３が、第１ホルダ１１３と第２ホルダ１１５とに分割される。分割された第１ホルダ１１３と第２ホルダ１１５とは、可撓作動体のそれぞれの横板ばね５５を平行に挟む。第１ホルダ１１３と第２ホルダ１１５との間には、一対の横板ばね５５に接続するそれぞれの湾曲縦板ばね５９が配置される。それぞれの湾曲縦板ばね５９は、一対の横板ばね５５のそれぞれにより、異なる向きに押し引きされる。マニピュレータ１１１は、図１２に示したように、一対の横板ばね５５の異なる向きの押し引きにより作動部１７がＹ方向、−Ｙ方向に変位する。この際、湾曲縦板ばね５９は、傾動方向と反対側の一方が、外側に変形して膨出する場合がある。外側に膨出した湾曲縦板ばね５９は、湾曲外面８９が、ホルダ４３のガイド８７（図２参照）と接触することがある。湾曲外面８９は、ガイド８７と擦れ合うことにより摩擦が生じる。この摩擦が過大な場合、作動部１７の傾動精度を低下させたり、湾曲縦板ばね５９を破壊したりする可能性がある。

これに対し、ホルダ４３を第１ホルダと第２ホルダとに分割したマニピュレータ１１１は、双方を一体的に連結していたガイド８７がなくなる。このため、分割された第１ホルダ１１３と第２ホルダ１１５とでは、湾曲縦板ばね５９とガイド８７とが擦れ合うことによる摩擦が生じない。これにより、マニピュレータ１１１によれば、作動部１７の傾動精度を向上させ、摩擦による湾曲縦板ばね５９の破壊を防止できる。また、マニピュレータ１１１によれば、ガイド８７により連結された一体のホルダ４３を有する構造に比べ、製造が容易となる。更に、一体のホルダ４３に比べ、ガイド８７との摩擦がなくなるので、作動部１７の傾動を滑らかにすることができる。

また、このマニピュレータ１１１では、分割された第１ホルダ１１３と第２ホルダ１１５の先端（保持板８１）同士をピン４５が貫通する。ピン４５の両端は、それぞれが固定部１１７により保持板８１に固定される。この固定部１１７は、外側横板ばねの延在方向に直交する幅寸法Ｗの約半分（例えば、半分Ｗ／２）よりも大きい直径Ｄの円形状で形成される。従って、第１ホルダ１１３と第２ホルダ１１５は、外側横板ばねの幅寸法Ｗの半分Ｗ／２よりも小さい直径の固定部でピン４５の両端が固定される構造に比べ、保持板８１からのピン４５の抜けを大きな強度で固定できる。これにより、ガイド８７が廃止されることで増加するピン４５の両端と保持板８１との固定構造に作用する応力に対応させて、ピン４５の固定強度を増強することができる。

また、このマニピュレータ１１１では、外筒２１の先端にばね分配部１１９を設けたので、第１可撓作動体４７及び第２可撓作動体４９のそれぞれの横板ばね５５をガイド孔１２１に挿通する。これと同時に、第１外側横板ばね５１と第２外側横板ばね５３とを一対のばね位置規制間隙１２３のそれぞれに挿通してガイドすることができる。これにより、一対の横板ばね５５や、第１外側横板ばね５１及び第２外側横板ばね５３における外筒２１の半径方向への変位を抑制することができる。その結果、作動部１７の開閉や傾動の動作精度を高めることができる。

従って、本実施の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の形態について説明したが、本開示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、修正例又は組み合わせ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開示の技術的範囲に属するものと了解される。

尚、上述した実施の形態では、マニピュレータが可撓作動体を３つ以上有してもよい。

なお、本出願は、２０１７年５月８日出願の日本特許出願（特願２０１７−０９２５７４）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

本開示は、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
４３ ホルダ
４５ ピン
４７ 第１可撓作動体（可撓作動体）
４９ 第２可撓作動体（可撓作動体）
５１ 第１外側横板ばね（外側横板ばね）
５３ 第２外側横板ばね（外側横板ばね）
５５ 横板ばね
５９ 湾曲縦板ばね
６１ 軸体
６５ Ｒ部（屈曲部）
６７ 回転中心
７３ 円筒外周面
７５ 弧状外周面
７７ 可撓部
８７ ガイド
８９ 湾曲外面
１１１ マニピュレータ
１１３ 第１ホルダ
１１５ 第２ホルダ
１１７ 固定部

Claims (9)

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、を含む一対の可撓作動体と、
   前記一対の可撓作動体のそれぞれの前記軸体を貫通し、前記一対の可撓作動体を前記回転中心で回転自在に連結するピンの両端を支持するホルダと、を備え、
   前記ホルダは、前記一対の可撓作動体のそれぞれの前記横板ばねを平行に挟んで収容し、
   前記横板ばねと同方向に延在する一対の外側横板ばねが前記ホルダと一体的に形成される、
   マニピュレータ。
2. 一対の前記外側横板ばねは、前記ホルダが有する円筒外周面から母線に沿う方向で延出して前記円筒外周面と同一曲率半径の弧状外周面を有する、
   請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記外側横板ばねの延在方向中央部には、前記外側横板ばねの長手方向両端よりも薄厚かつ幅狭の可撓部が形成される、
   請求項１又は２に記載のマニピュレータ。
4. 一対の前記外側横板ばねは、延在方向の一部分が外筒の内壁面に接して前記外筒の内部に配置される、
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のマニピュレータ。
5. 前記外側横板ばね及び前記横板ばねは、延在方向に凹凸が隣接しない平滑面を延在方向中央部に有する、
   請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のマニピュレータ。
6. 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る、
   請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のマニピュレータ。
7. 前記ホルダと前記一対の外側横板ばねとが、金属及び樹脂のいずれか一方により一体的に形成されている、
   請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のマニピュレータ。
8. 前記ホルダは、前記ピンの一端を支持して前記一対の外側横板ばねの一方と一体的に形成される第１ホルダと、前記ピンの他端を支持して前記一対の外側横板ばねの他方と一体的に形成される第２ホルダとに分割される、
   請求項１に記載のマニピュレータ。
9. 前記ピンの両端を前記第１ホルダ及び前記第２ホルダのそれぞれに固定する固定部は、前記外側横板ばねの延在方向に直交する幅寸法の約半分よりも大きい直径の円形状で形成される、
   請求項８に記載のマニピュレータ。

Images