WO2015107999A1 - 関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステム - Google Patents

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WO2015107999A1
WO2015107999A1 PCT/JP2015/050541 JP2015050541W WO2015107999A1 WO 2015107999 A1 WO2015107999 A1 WO 2015107999A1 JP 2015050541 W JP2015050541 W JP 2015050541W WO 2015107999 A1 WO2015107999 A1 WO 2015107999A1
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manipulator
distal end
guide sheath
operation wire
joint
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PCT/JP2015/050541
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中山　真悟
岸　宏亮
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オリンパス株式会社
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    • A61B2017/003—Steerable
    • A61B2017/00318—Steering mechanisms
    • A61B2017/00323—Cables or rods

Definitions

  • the present invention relates to a joint mechanism, a manipulator, and a manipulator system.
  • an operation wire connected to the proximal bending piece is arranged inside the bending piece in a radial direction with respect to the operation wire connected to the distal bending piece.
  • the guide sheath routed to a position close to the outer periphery of the bending piece is assumed to be bent because the required length differs greatly between the case where the guide sheath is arranged on the inside and the case where the guide sheath is arranged on the outside.
  • the guide sheath must be loosened in advance, and the accommodation space must be secured.
  • a force is also required to loosen the guide sheath, which may adversely affect driving.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a joint mechanism, a manipulator, and a manipulator system that can be bent with a small traction force and can be downsized and improved in control characteristics.
  • One embodiment of the present invention is a cylindrical first member having a through-hole penetrating along a central axis direction, and is disposed on a distal end side of the first member, and the center with respect to the first member
  • a second member provided so as to be swingable about a swing axis intersecting the axis, and the vicinity of the central axis of the through hole of the first member, and a tip is fixed to the second member.
  • a joint mechanism that is fixed to a position eccentric radially from.
  • the traction force when a traction force toward the proximal end is applied to the proximal end of the operation wire, the traction force propagates to the distal end of the operation wire, and the folded portion that makes the operation wire U-turn and the distal end of the operation wire This acts in the direction in which the fixed first member is brought close to each other. Since the turn-back portion and the fixing position of the operation wire to the first member are eccentric in the radial direction from the swing axis, a moment according to the amount of eccentricity and the magnitude of the traction force acts to cause the second member to move to the first member. One member can be swung in one direction around the swing axis.
  • the guide sheath whose tip is fixed to the second member is also bent in the swinging direction of the second member. Is arranged so as to penetrate the vicinity of the central axis of the joint mechanism, and only the operation wire is disposed in the vicinity of the outer periphery of the joint mechanism, so that a relatively rigid guide sheath can be bent with an extremely small radius of curvature. And can be bent with a small traction force. As a result, it is possible to reduce the size of the apparatus and improve the control characteristics.
  • the folded portion may be a pulley that winds the operation wire and makes a U-turn.
  • the pulley is rotated and the operation wire is moved with a small frictional force. Can be bent with a smaller traction force.
  • the folded portion may be a substantially U-shaped tubular member that makes a U-turn by penetrating the operation wire.
  • the second member is swung with respect to the first member by the traction force applied to the operation wire, the radius of curvature defined by the tubular member is maintained in the tubular member.
  • the operation wire can be moved and can be bent with a stable traction force.
  • the pair of guide sheath, the operation wire, and the folded portion swing the second member relative to the first member in two directions around the swing axis. It may be provided one by one. By doing so, a traction force is applied to one operation wire, the second member is swung in one direction with respect to the first member, a traction force is applied to the other operation wire, and the second member Can be swung in multiple directions with respect to the first member.
  • the guide sheath is allowed to penetrate near the center axis in that the guide sheath can be prevented from being bent with an extremely small radius of curvature in both directions. The effect is high.
  • turning part may be provided so that a pair of said operation wire may make a U-turn in the position which overlaps in radial direction partially.
  • the diameter of the folded portion can be ensured to be larger than the radius of the second member, and the frictional force generated between the operating wire and the folded portion can be reduced when the operation wire is U-turned. Can be reduced.
  • the said aspect it provided with the 1 or more intermediate member connected so that rocking
  • each of the intermediate members is provided with a sheath through hole that allows the guide sheath to pass therethrough and a wire penetration portion that allows the operation wire to pass therethrough, and the wire penetration portion is orthogonal to the intermediate axis. It may be a long hole or a notch extending in the direction in which it is made.
  • the operation wire is moved in a direction perpendicular to the intermediate axis in the wire penetration portion formed of a long hole or a notch according to the swing angle of the second member with respect to the first member.
  • the force applied to the wire in the lateral direction can be released as much as possible, and the friction when the operating wire moves can be reduced.
  • the second member can be swung with respect to the first member only by applying a small traction force to the operation wire.
  • Another aspect of the present invention is a manipulator including two or more of the above-described joint mechanisms in series. According to this aspect, it is possible to secure a larger overall curve angle range.
  • the folded portion provided in each joint mechanism may be arranged at substantially the same position in the radial direction and the circumferential direction of each second member.
  • returning part provided in each said joint mechanism may be arrange
  • a cylindrical manipulator body a proximal end joint portion provided at a distal end of the manipulator body, and any one of the above connected in series to a distal end side of the proximal end joint portion.
  • a rocking member having a distal end side joint portion including one or more joint mechanisms, the proximal end side joint portion being coupled to the manipulator body so as to be pivotable about a rocking axis, and a distal end opening being the manipulator body.
  • a cylindrical guide sheath fixed to the guide sheath a position that is introduced through the guide sheath and protrudes from the distal end opening of the guide sheath and extends radially from the swing axis of the swing member It is a manipulator provided with the operation wire fixed to.
  • the swing member in the proximal end side joint portion closest to the manipulator body, can be swung with respect to the manipulator body by pulling the swing member from the manipulator body side to the proximal end side. it can.
  • the number of guide sheaths penetrating the proximal joint portion can be reduced, the rigidity can be reduced, and the proximal joint portion can be bent with a small traction force.
  • a cylindrical manipulator body having a through-hole penetrating along the central axis direction and a rocking member that is disposed on a distal end side of the manipulator body and intersects the central axis with respect to the manipulator body.
  • a oscillating member provided so as to be able to oscillate around a moving axis, and a flexible cylindrical shape penetrating through the vicinity of the central axis of the through hole of the manipulator body and having a tip fixed to the oscillating member
  • a folding portion for U-turning the operation wire toward the manipulator main body, and the tip of the manipulation wire that is U-turned at the folding portion is the manipulator.
  • a manipulator which is fixed at a position eccentric from the swing axis of the body in the radial direction.
  • the operation wire is U-turned and the distal end is fixed to the manipulator body, so that it is sufficient in the radial direction from the swing axis. Therefore, the traction force can be applied to the position eccentric to the oscillating position, and the oscillating member can be oscillated with a small traction force.
  • a slave device including any one of the manipulators described above and a drive unit that drives the manipulator, a master device including an operation unit operated by an operator, and the operation unit of the master device. And a controller that controls the drive unit of the slave device based on the input signal input by the control unit.
  • It is a perspective view which shows a slave apparatus provided with an endoscope. It is the (a) simplified side view of the curved part of the endoscope of FIG. 2, and (b) the schematic side view.
  • It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state which extended the base end side joint group of the curved part of FIG. 3 straightly.
  • It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state which bent the most advanced bending joint of the base end side joint group of the bending part of FIG.
  • It is a disassembled perspective view which shows the bending joint of the most proximal side of the proximal end side joint group of the bending part of FIG.
  • FIG. 6 is a front view of the link member viewed in the direction along the central axis showing the arrangement of the pulley, the guide sheath, and the operation wire in the bending joint of FIG. 5.
  • FIG. 5 is a schematic side view showing the arrangement of pulleys, guide sheaths, and operation wires in the proximal-end joint group of FIG. 4 and a front view of each link member. It is a disassembled perspective view which shows the modification of FIG. 7A and 7B are front views of (a) the most proximal end link member, (b) the second link member from the proximal end side, and (c) the third link member from the proximal end side. It is.
  • FIG. 14A is a front view of (a) the most proximal side link member, (b) the second link member from the proximal side, and (c) the third link member from the proximal side.
  • FIG. 15 is a front view of (a) a most proximal end link member, (b) a second link member from the proximal end side, and (c) a third link member from the proximal end side, illustrating a modification of FIG. 14. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the curved part which has a single bending joint. It is a front view which shows the modification of a top. It is a front view which shows the other modification of a top. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the curved part which has the top of FIG.
  • the manipulator system according to the present embodiment is an endoscope system 1, and as shown in FIG. 1, a master device 2 operated by a doctor (operator) A, and input via the master device 2 A slave device 3 to be driven, a controller 4 that controls the slave device 3 based on an input to the master device 2, and a monitor 25 are provided.
  • the slave device 3 includes an endoscope (manipulator) 5 according to this embodiment that is inserted into a body cavity of a patient P, and drive units 6 a and 6 b that drive the endoscope 5.
  • the endoscope 5 according to the present embodiment is a flexible endoscope having a bendable flexible elongated insertion portion 7, which is an elongated flexible portion (manipulator body) 8, a distal end portion 9 disposed at the distal end, The bending part 10 arrange
  • a flexible endoscope is used, but a rigid endoscope having an elongated rigid portion may be used.
  • the bending portion 10 includes a distal-end joint group 11 and a proximal-end joint group 12 for changing the position and posture of the distal end portion 9 with respect to the distal end of the flexible portion 8. And.
  • the distal end side joint group 11 and the proximal end side joint group 12 are arranged side by side in the longitudinal direction of the insertion portion 7.
  • FIG. 3A is a simplified diagram of the bending portion 10
  • FIG. 3B is a diagram schematically illustrating the bending portion 10.
  • the proximal-end joint group 12 includes a plurality of, for example, four bending joints (joint mechanisms) 12a to 12d. These bending joints 12a to 12d are provided between the two link members 13a to 13e, respectively, and change the relative angles between the two adjacent link members 13a to 13e.
  • the bending joints 12a to 12d are arranged around an axis line 14a to 14d that is arranged in parallel with a space in the longitudinal direction of the insertion portion 7, that is, the longitudinal axis direction of the link members 13a to 13e (along the Y-axis direction). Each can be bent independently.
  • Each of the bending joints 12a to 12d is configured to be able to be bent over a bending angle range of ⁇ 60 °, for example, and can be bent ⁇ 240 ° as a whole of the proximal-side joint group 12.
  • the axes 14a to 14d are not necessarily arranged in parallel, but may be arranged in parallel so that they can be bent.
  • the bending joint 12 a includes a link member (first member) 13 a that constitutes an end of the flexible portion 8, a link member (second member) 13 b, and a portion between them.
  • first member first member
  • second member link member
  • the link members 13a to 13e and the tops 15a to 15d are connected so as to be relatively swingable around substantially parallel axes (intermediate axes) 16a to 16e.
  • the axes 16a to 16e are not necessarily arranged in parallel, but may be arranged in parallel so that they can be bent.
  • the flexible portion 8 and the link members 13a and 13b are provided with a through hole 17 penetrating in the longitudinal direction.
  • the tops 15a to 15d are formed in a ring shape having a through hole 18 penetrating in the thickness direction at the center.
  • the link member 13b and the tops 15a to 15d are connected to the link members 13a and 13b or other tops 15a to 15d arranged on both sides of the link member 13b and the tops 15a to 15d so as to be relatively swingable around two substantially parallel axes 16a to 16e. Two pairs of connecting portions 19a and 19b are provided.
  • the link member 13b is configured by combining two parts 13b1 and 13b2.
  • the bending joint 12a penetrates the two pulleys 20a and 20b rotatably attached to the link member 13b, the through hole 17 of the flexible portion 8, and the through holes 18 of the tops 15a to 15d.
  • the flexible cylindrical guide sheaths 21a and 21b are disposed along the vicinity of the center axis and the distal end opening is fixed to the component 13b1 of the link member 13b, and the guide sheaths 21a and 21b.
  • operation wires 22a and 22b introduced from the base end side of the flexible portion 8.
  • the pulleys 20a and 20b are rotatable about axes 23a and 23b substantially parallel to the axis 16a on both sides of the axis 16a connecting the link member 13b and the top 15a. It is attached to the link member 13b.
  • the pair of pulleys 20a and 20b makes a U-turn in the opposite direction from the pair of operation wires 22a and 22b protruding from the distal end openings of the pair of guide sheaths 21a and 21b disposed in the vicinity of the axis 16a of the link member 13b.
  • the link member 13b and the tops 15a to 15d that are furthest away from the axis 16a in the radial direction return to the direction of the link member 13a along the paths near the outer peripheries.
  • Each of the tops 15a to 15d is provided with a pair of through holes 24a and 24b through which a pair of operation wires 22a and 22b which are U-turned to the outer periphery by a pair of pulleys 20a and 20b, respectively.
  • the pair of operation wires 22a and 22b folded back by the pair of pulleys 20a and 20b passes through the through holes 24a and 24b of the respective tops 15a to 15d, and then end portions thereof are respectively fixed to the fixing portions 26a and 26b of the link member 13a. It is fixed.
  • the other bending joints 12b to 12d have the same structure as the bending joint 12a. That is, in each of the bending joints 12b to 12d, the link members 13b to 13d on the distal end side of the bending joints 12b to 12d adjacent to the proximal end side are used as the first members, and the link members 13c to 13e adjacent to the distal end side are used as the second members. As members, four pieces 15a to 15d are provided between them.
  • the guide sheaths 21a and 21b, the pulleys 20a and 20b, and the operation wires 22a and 22b of the bending joints 12a to 12d are arranged as shown in a simplified manner in FIG.
  • FIG. 5 shows the operation of the bending joint 12d arranged at the most distal end in the proximal-end joint group 12.
  • the wires 22a and 22b are U-turned by the pulleys 20a and 20b, respectively, and fixed to the link member 13d on the proximal end side of the bending joint 12d at the fixing portions 26a and 26b.
  • FIG. 1 shows the operation of the bending joint 12d arranged at the most distal end in the proximal-end joint group 12.
  • the distal joint group 11 includes a plurality of, for example, three bending joints (tip bending joints) 11a to 11c, as shown in FIG. These bending joints 11a to 11c are also arranged between the two link members 13f to 13h, respectively, so as to change the relative angle between the two link members 13f to 13h.
  • the proximal end side bending joints 11a and 11b are respectively the axis 14d of the most advanced bending joint 12d of the proximal end joint group 12 and the longitudinal lengths of the link members 13e to 13h.
  • the link members 13f to 13h are swung around the axes 14e and 14f orthogonal to the plane including the axis (along the Z-axis direction).
  • the most advanced bending joint 11c has a distal end around an axis 14g perpendicular to the plane including the axes 14e and 14f of the bending joints 11a and 11b and the longitudinal axes of the link members 13e to 13h (along the Y-axis direction).
  • the part 9 is swung.
  • the axes 14e and 14f do not necessarily have to be orthogonal to the plane including the axis 14d and the longitudinal axis, and may be provided so as to intersect the plane so that it can be bent.
  • the operation wires 22a and 22b for operating all the bending joints 11a to 11c and 12a to 12d are introduced into the bending portion 10 from the base end side of the soft portion 8 through the through holes 17 in the soft portion 8.
  • the driving units 6 a and 6 b include two parts, that is, a distal side driving unit 6 a that drives the distal side joint group 11 and a proximal side driving unit 6 b that drives the proximal side joint group 12. ing.
  • Each drive part 6a, 6b is connected to the flexible part 8 of the endoscope 5 via the relay part 27.
  • Each drive part 6a, 6b pulls the base end part of the operation wires 22a, 22b extending to the base end side via the inside of the soft part 8, and adjusts the traction force F applied individually to each operation wire 22a, 22b.
  • a slider (not shown) attached to the base end of each operation wire 22a, 22b is provided.
  • Each drive part 6a, 6b can be attached to and detached from a drive source 28 having an electric actuator or a manual manual operation master (not shown).
  • the actuator of the drive source 28 is, for example, a linear actuator such as a linear motor.
  • a linear actuator such as a linear motor.
  • the operation unit is engaged with the sliders of the drive units 6a and 6b, and the slider is slid by the force applied by the doctor A, and the traction force is applied to the operation wires 22a and 22b.
  • F is given.
  • the relay portion 27 is provided with a treatment tool insertion port 29 into a forceps channel (not shown) that extends along the longitudinal direction of the insertion portion 7 and opens at the distal end surface.
  • the master device 2 is a similar input device having the same number of joints as the bending portion 10 of the endoscope 5.
  • Each joint is provided with a detector (not shown) such as an encoder for detecting the bending angle, and each of the master devices 2 detected by the detector when the doctor A grips and moves the distal end portion.
  • a joint bending angle signal is output.
  • the controller 4 indicates the bending angle of each joint of the master device 2 indicated by the bending angle signal output from the master device 2, and the bending angles of the bending joints 11a to 11c and 12a to 12d of the bending portion 10 of the endoscope 5.
  • the drive units 6a and 6b are controlled so as to have the same angle.
  • a manual operation master is attached only to the distal-side drive unit 6a that drives the distal-side joint group 11, and the intra-body cavity Perform the insertion work.
  • Physician A holds the insertion unit 7 with the right hand while holding the manual operation master with the left hand, and inserts the endoscope 5 into the body cavity in the same manner as a conventional endoscope. At this time, by operating the endoscope 5, the state inside the body cavity is photographed and displayed on the monitor 25. The doctor A operates the manual operation master while looking at the monitor 25 to drive the distal joint group 11 so that the insertion portion 7 is moved into the body cavity until the distal end portion 9 of the endoscope 5 comes close to the affected area. Insert into.
  • the proximal-side joint group 12 is the distal-side joint group 11. It can be operated passively following the operation. As a result, the proximal end joint group 12 does not hinder the insertion operation. And when the front-end
  • the endoscope 5 Since the endoscope 5 according to the present embodiment has four bending joints 12a to 12d that bend in total by ⁇ 240 ° as the proximal end side joint group 12, the bending portion 10 is bent in a U shape.
  • the distal end surface of the endoscope 5 can be directed backward. Further, even when the bending portion 10 is bent in a U shape, there is a margin in the operation range of each of the bending joints 12a to 12d, so that the distal end portion 9 of the insertion portion 7 can be advanced and retracted.
  • the distal end of the insertion portion 7 is positioned not only at the affected portion arranged in the front of the body cavity in the insertion direction but also at the position where observation or treatment is easily performed on the affected portion arranged in the opposite direction, such as the back side of the eyelid.
  • the surface can be turned.
  • the one operation wire 22a to be arranged inside is pulled by applying a traction force F by the drive source 28, and the other operation wire 22b to be arranged outside the bend is routed outside. Send out in time.
  • guide sheaths 21a and 21b for introducing the operation wires 22a and 22b from the proximal end side of the flexible portion 8 to the link members 13b to 13e on the distal end side of the bending joints 12a to 12d Arranged along the vicinity of the central axis. For this reason, the curvature radii of the guide sheaths 21a and 21b when the bending joints 12a to 12d are bent can generally be maintained larger than the case where the sheath is arranged on the inner side by disposing them near the outer periphery of the joint.
  • the bending joints 12a to 12d are disposed along the vicinity of the central axis, so that the deviation of the curvature radius of the sheath is small, and the resistance in bending generated by the rigidity of the sheath is small. Fluctuations in force can be reduced. Since the guide sheaths 21a and 21b are larger in diameter and higher in bending rigidity than the operation wire 22a disposed on the inner side, the traction force F required for bending can be reduced and the necessary traction force can be reduced by maintaining a large radius of curvature at the time of bending. There is an advantage that fluctuations in F can be suppressed to a minimum.
  • the operation wires 22a and 22b are folded back so as to make a U-turn by the pulleys 20a and 20b, the movement of the operation wires 22a and 22b when the bending joints 12a to 12d are bent by applying the traction force F is small. It is done smoothly by friction. Thereby, the traction force F for bending the bending joints 12a to 12d can be further reduced.
  • the tips of the operation wires 22a and 22b folded back by the pulleys 20a and 20b are fixed to fixing portions 26a and 26b which are largely separated in the radial direction from the axis 16e of the link members 13a to 13d constituting the first member. Therefore, a large moment can be generated by the traction force F applied to the operation wires 22a and 22b, and the bending joints 12a to 12d can be bent efficiently.
  • the link members 13b to 13e are shared. The number of parts can be reduced.
  • the endoscope 5 according to the present embodiment having such bending joints 12a to 12d can suppress a change in the traction force F according to the degree of bending of the bending joints 12a to 12d. Therefore, there is an advantage that the control characteristics by the drive units 6a and 6b can be improved. Furthermore, according to the endoscope system 1 according to the present embodiment, the control characteristics of the endoscope 5 are improved, thereby improving the responsiveness of the slave device 3 to the operation of the master device 2 and improving the operability. There is an advantage that you can.
  • the pair of guide sheaths 21a and 21b for guiding the pair of operation wires 22a and 22b for bending the bending joints 12a to 12d to both sides are provided on the axis lines 16a to 16a. Although they are arranged adjacent to each other with 16e in between, it is preferable to arrange them in a line on the axes 16a to 16e if space allows. As a result, the radius of curvature when bent to both sides of all the guide sheaths 21a and 21b can be made the same, the path length of the sheath becomes constant, and it is not necessary to loosen the sheath, which is necessary for bending. Traction force can be reduced most.
  • the pulleys 20a and 20b are employed as the folded portions for making the U-turns of the operation wires 22a and 22b, but instead of this, as shown in FIG. U-shaped tubular members 30a and 30b that make a U-turn by penetrating the wires 22a and 22b may be employed. Also by this, since the operation wires 22a and 22b smoothly move in the tubular members 30a and 30b while maintaining the curvature determined by the tubular members 30a and 30b, the bending operation can be performed with a small traction force F. Moreover, durability can be improved by the structure which does not have movable parts like the pulleys 20a and 20b which rotate.
  • the arrangement of the pulleys 20a and 20b is made common in all the link members 13b to 13e constituting the second member, but instead, this is shown in FIGS. 10 (a) to (c). As shown, the arrangement of the pulleys 20a and 20b in the different link members 13b to 13d may be varied in the circumferential direction.
  • the oblique lines indicate the guide sheaths 21a and 21b for introducing the operation wires 22a and 22b into the pulleys 20a and 20b of the corresponding link members 13b to 13d.
  • the pair of pulleys 20a and 20b are disposed at symmetrical positions on both sides of the axis 16a.
  • the pair of pulleys 20a and 20b is arranged between the pair of pulleys 20a and 20b. They may be arranged shifted in the thickness direction so as to partially overlap each other in the radial direction.
  • the operation wires 22a and 22b are U-turned by the pulleys 20a and 20b in all the bending joints 12a to 12d.
  • a system in which the link member 13b is pulled to the proximal end side by operating wires 22a and 22b extending from the guide sheaths 21a and 21b fixed to the link member 13a at the end of the soft portion 8 to the distal end side. May be adopted.
  • the guide sheaths 21a and 21b can be arranged at positions that do not bend depending on the bending of the bending joint 12a, and the structure can be simplified by omitting the pulleys 20a and 20b.
  • the proximal-end joint group 12 is configured by the four bending joints 12a to 12d having the substantially parallel axes 14a to 14d.
  • the proximal joint group 12 may be adopted in which the bending directions are alternately arranged in the orthogonal directions.
  • the guide sheaths 21a and 21b are arranged in common, and the link members 13b to 13e having different arrangements of the pulleys 20a and 20b are alternately adopted.
  • the phases of the common link members 13b to 13e may be different from each other by 90 °.
  • reference numeral 31 denotes a channel that penetrates wiring and the like having higher rigidity than the guide sheaths 21a and 21b.
  • the endoscope 5 having the proximal-side joint group 12 in which the four bending joints 12a to 12d are connected in series is illustrated, but instead of this, as shown in FIG. You may apply to the manipulator 5 which has the single bending joint 12a.
  • tops 15a to 15d are illustrated as having the through holes 24a and 24b that allow the operation wires 22a and 22b to pass therethrough, but instead of this, as shown in FIGS. 17 and 18, the operation wires 22a and 22b are provided as shown in FIGS.
  • the penetrating portion to be penetrated one having elongated holes 32a and 32b or grooves 33a and 33b extending in a direction perpendicular to the axes 16a to 16e may be adopted.
  • the through holes 24a and 24b have an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the operation wires 22a and 22b, the tops 15a to 15d swing when the bending joints 12a to 12d are bent.
  • the through holes 24a and 24b provided in each of the tops 15a to 15d are arranged on a curve, so that the operation wires 22a and 22b passing through the through holes 24a and 24b are curved so as to connect the through holes 24a and 24b. Be made.
  • FIG. 17 and FIG. 18 by making the through-holes into long holes 32a and 32b or grooves 33a and 33b, the bending joints 12a to 12d are bent as shown in FIG. The deformation of the operation wires 22a and 22b in the radial direction when they are applied is reduced, and the frictional force between the operation wires 22a and 22b and the long holes 32a and 32b or the inner surfaces of the grooves 33a and 33b is reduced even if the tension increases. Smooth movement of the operation wires 22a and 22b can be ensured.
  • FIG. 19 itself has shown the bending state in case a penetration part is groove
  • the endoscope 5 and the endoscope system 1 were illustrated as an example of a manipulator and a manipulator system, it is not limited to this, In other manipulators and manipulator systems, such as a treatment tool, You may apply.
  • the bending joint provided in the endoscope 5 provided in the slave apparatus 3 was illustrated, it may replace with this and may apply to the bending joint provided in a manual type endoscope.
  • operation wire 22a, 22b a single wire, a strand wire, a braided wire, plate shape, etc. can be mentioned.

Abstract

小さい牽引力で湾曲可能とし、装置の小型化及び制御特性向上を図る。貫通孔（１７）を有する筒状の第１部材（１３ａ）と、その先端側に配置され、第１部材（１３ａ）に対し中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられた第２部材（１３ｂ）と、貫通孔（１７）の中心軸近傍を貫通し、先端が第２部材（１３ｂ）に固定された可撓性を有する筒状のガイドシース（２１ａ，２１ｂ）と、その先端側に導入された操作ワイヤ（２２ａ，２２ｂ）と、第２部材（１３ｂ）に揺動軸線から径方向に偏心した位置に設けられ、ガイドシース（２１ａ，２１ｂ）を経由し第１部材（１３ａ）側から導入された操作ワイヤ（２２ａ，２２ｂ）を第１部材（１３ａ）側にＵターンさせる折り返し部（２０ａ，２０ｂ）とを備え、折り返し部（２０ａ，２０ｂ）でＵターンさせられた操作ワイヤ（２２ａ，２２ｂ）の先端が、径方向に偏心した位置に固定された関節機構（１２ａ）を提供する。

Description

関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステム
　本発明は、関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステムに関する。
　従来、揺動可能に連結された複数の湾曲駒を、それぞれ操作ワイヤによって独立して個々に操作する多関節湾曲機構を有する医療機器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　この多関節湾曲機構は、モーメントを発生させるために各操作ワイヤによって各湾曲駒の外周に近い位置を基端側に牽引する方式である。このため、牽引力を効率的に湾曲駒に伝達するように、各操作ワイヤおよび該操作ワイヤを案内する筒状のガイドシースが、湾曲駒の比較的外周に近い経路を通るようにルーティングされている。
　また、特許文献１の多関節湾曲機構では、先端側の湾曲駒に接続される操作ワイヤよりも湾曲駒の径方向の内側に基端側の湾曲駒に接続される操作ワイヤが配置されている。そして、操作ワイヤに牽引力を加えることにより各湾曲駒が他の湾曲駒に対して揺動させられると、これに伴って操作ワイヤおよびガイドシースが湾曲させられるようになっている。
特許第５１９７９８０号公報
　しかしながら、特許文献１の多関節湾曲機構のように、湾曲駒の外周に近い位置にガイドシースをルーティングする場合、特に、湾曲の最も内側に配置されるガイドシースは、極めて小さな曲率半径で湾曲されなければならず、各関節の湾曲に要する牽引力が、操作ワイヤおよびガイドシースの剛性により、湾曲の度合いに従って大きく変化するという不都合がある。湾曲に応じて牽引力が変化する場合には、牽引力を増大させるために装置を大型化する必要があり、また、制御特性が悪化することにもなるので好ましくない。
　また、湾曲駒の外周に近い位置にルーティングされたガイドシースは、関節湾曲時に内側に配置される場合と外側に配置される場合とで必要長さが大きく相違するため、湾曲することを想定してあらかじめ、ガイドシースを弛ませておかなければならず、その収容スペースを確保しなければならないという不都合もある。また、ガイドシース自体の剛性により、ガイドシースを弛ませるためにも力が必要となり、駆動に悪影響を及ぼす場合もある。
　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、小さい牽引力で湾曲させることができ、装置の小型化および制御特性の向上を図ることができる関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステムを提供する。
　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。
　本発明の一態様は、中心軸方向に沿って貫通する貫通孔を有する筒状の第１の部材と、該第１の部材の先端側に配置され、該第１の部材に対して前記中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられた第２の部材と、前記第１の部材の前記貫通孔の前記中心軸近傍を貫通し、先端が前記第２の部材に固定された可撓性を有する筒状のガイドシースと、該ガイドシースを経由して該ガイドシースの先端側に導入された操作ワイヤと、前記第２の部材に前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に設けられ、前記ガイドシースを経由して前記第１の部材側から導入されてきた操作ワイヤを前記第１の部材側にＵターンさせる折り返し部とを備え、該折り返し部においてＵターンさせられた前記操作ワイヤの先端が、前記第１の部材の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定されている関節機構である。
　本態様によれば、操作ワイヤの基端に基端側に向かう牽引力を作用させると、牽引力が操作ワイヤを先端まで伝播し、操作ワイヤをＵターンさせている折り返し部と、操作ワイヤの先端を固定している第１の部材とを相互に近接させる方向に作用する。折り返し部および操作ワイヤの第１の部材への固定位置は、揺動軸線から径方向に偏心しているので、偏心量と牽引力の大きさとに応じたモーメントが作用して、第２の部材を第１の部材に対して揺動軸線回りに一方向に揺動させることができる。
　この場合において、第１の部材に対して第２の部材が揺動すると、第２の部材に先端が固定されているガイドシースも第２の部材の揺動方向に湾曲させられるが、ガイドシースが関節機構の中心軸近傍を貫通するように配置され、操作ワイヤのみが関節機構の外周近傍に配置されているので、比較的剛性の高いガイドシースが極度に小さい曲率半径で湾曲させられることを防止でき、小さい牽引力で湾曲させることができる。その結果、装置の小型化および制御特性の向上を図ることができる。
　上記態様においては、前記折り返し部が、前記操作ワイヤを巻き付けてＵターンさせるプーリであってもよい。
　このようにすることで、操作ワイヤに加えた牽引力によって、第１の部材に対して第２の部材が揺動させられる際に、プーリを回転させて、操作ワイヤを少ない摩擦力で移動させることができ、さらに小さい牽引力で湾曲させることができる。
　また、上記態様においては、前記折り返し部が、前記操作ワイヤを貫通させることによりＵターンさせる略Ｕ字状の管状部材であってもよい。
　このようにすることで、操作ワイヤに加えた牽引力によって、第１の部材に対して第２の部材が揺動させられる際に、管状部材によって定められた曲率半径を維持しつつ管状部材内で操作ワイヤを移動させることができ、安定した牽引力で湾曲させることができる。
　また、上記態様においては、前記ガイドシース、前記操作ワイヤおよび前記折り返し部が、前記第２の部材を前記第１の部材に対して前記揺動軸線回りに２方向に揺動させるように、一対ずつ設けられていてもよい。
　このようにすることで、一方の操作ワイヤに牽引力を加えて、第２の部材を第１の部材に対して一方向に揺動させ、他方の操作ワイヤに牽引力を加えて、第２の部材を第１の部材に対して多方向に揺動させることができる。このように揺動軸線回りに２方向に揺動させる場合には特に、ガイドシースが２方向ともに極度に小さい曲率半径で湾曲させられることを防止できる点で、ガイドシースを中心軸近傍に貫通させている効果が高い。
　また、上記態様においては、一対の前記折り返し部が、一対の前記操作ワイヤを径方向に部分的に重なる位置でＵターンさせるように設けられていてもよい。
　このようにすることで、折り返し部の直径を第２の部材の半径よりも大きく確保することができ、操作ワイヤをＵターンさせる際に、操作ワイヤと折り返し部との間で発生する摩擦力を低減することができる。　
　また、上記態様においては、前記第１の部材と前記第２の部材との間に、相互に並行する２以上の中間軸線回りに揺動可能に連結された１以上の中間部材を備えていてもよい。
　このようにすることで、中間部材を中間軸線回りに揺動させることで、中間軸線の位置を揺動方向に移動させて、第１の部材に対する第２の部材の総合的な揺動角度範囲を大きく確保することができる。
　また、上記態様においては、各前記中間部材に、前記ガイドシースを貫通させるシース用貫通孔と、前記操作ワイヤを貫通させるワイヤ貫通部とが設けられ、該ワイヤ貫通部が、前記中間軸線に直交する方向に延びる長孔または切欠であってもよい。
　このようにすることで、第１の部材に対する第２の部材の揺動角度に応じて、長孔または切欠からなるワイヤ貫通部内において操作ワイヤを中間軸線に直交する方向に移動させることで、操作ワイヤに横方向に加わる力を極力解放し、操作ワイヤが移動する際の摩擦を低減することができる。これにより、操作ワイヤに小さい牽引力を加えるだけで第１の部材に対して第２の部材を揺動させることができる。
　また、本発明の他の態様は、上記いずれかの関節機構を２以上直列に備えるマニピュレータである。
　本態様によれば、総合的な湾曲角度範囲をさらに大きく確保することができる。
　上記態様においては、各前記関節機構に設けられた折り返し部が、各前記第２の部材の径方向および周方向に略同一の位置に配置されていてもよい。
　このようにすることで、複数の第１の部材、第２の部材および折り返し部として共通する形状のものを採用することができ、部品の共通化を図ることができる。また、牽引力が作用する折り返し部および操作ワイヤの先端の固定位置を共通にして、全ての関節機構において、同等の制御特性を達成することができる。
　また、上記態様においては、各前記関節機構に設けられた折り返し部が、各前記第２の部材の径方向に略同一の位置かつ周方向に異なる位置に配置されていてもよい。
　このようにすることで、牽引力が作用する折り返し部および操作ワイヤの先端の固定位置を略同等に維持しながら、ガイドシースの先端開口から折り返し部に向かう操作ワイヤのルーティングを無理なく行うことができる。
　本発明の他の態様は、筒状のマニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体の先端に設けられた基端側関節部と、該基端側関節部の先端側に直列に接続された上記いずれかの１以上の関節機構を備える先端側関節部とを備え、該基端側関節部が、前記マニピュレータ本体に揺動軸線回りに揺動可能に連結された揺動部材と、先端開口が前記マニピュレータ本体に固定された筒状のガイドシースと、該ガイドシースを経由して導入され該ガイドシースの前記先端開口から突出して延び、先端が前記揺動部材の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定された操作ワイヤとを備えるマニピュレータである。
　本態様によれば、マニピュレータ本体に最も近い基端側関節部においては、マニピュレータ本体側から揺動部材を基端側に牽引することにより、マニピュレータ本体に対して揺動部材を揺動させることができる。これにより、基端側関節部を貫通するガイドシースの数を減らすことができ、剛性を低減して、小さい牽引力で基端側関節部を湾曲させることができる。
　本発明の他の態様は、中心軸方向に沿って貫通する貫通孔を有する筒状のマニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体の先端側に配置され、該マニピュレータ本体に対して前記中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられたに揺動部材と、前記マニピュレータ本体の前記貫通孔の前記中心軸近傍を貫通し、先端が前記揺動部材に固定された可撓性を有する筒状のガイドシースと、該ガイドシースを経由して該ガイドシースの先端側に導入された操作ワイヤと、前記揺動部材に設けられ、前記ガイドシースを経由して前記マニピュレータ本体側から導入されてきた操作ワイヤを前記マニピュレータ本体側にＵターンさせる折り返し部とを備え、該折り返し部においてＵターンさせられた前記操作ワイヤの先端が、前記マニピュレータ本体の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定されているマニピュレータである。
　本態様によれば、マニピュレータ本体の先端に単一の関節機構が配置されているマニピュレータにおいても、操作ワイヤをＵターンさせてマニピュレータ本体に先端を固定することにより、揺動軸線から径方向に十分に偏心した位置に牽引力を作用させることができ、小さい牽引力によって揺動部材を揺動させることができる。
　本発明の他の態様は、上記いずれかのマニピュレータと、該マニピュレータを駆動する駆動部とを備えるスレーブ装置と、操作者により操作される操作部を備えるマスタ装置と、該マスタ装置の前記操作部により入力された入力信号に基づいて前記スレーブ装置の駆動部を制御するコントローラとを備えるマニピュレータシステムである。
　本発明によれば、小さい牽引力で湾曲させることができ、装置の小型化および制御特性の向上を図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マニピュレータシステムを示す全体構成図である。 内視鏡を備えるスレーブ装置を示す斜視図である。 図２の内視鏡の湾曲部の（ａ）簡易化した側面図、（ｂ）模式化した側面図である。 図３の湾曲部の基端側関節群を真っ直ぐに延ばした状態を示す縦断面図である。 図３の湾曲部の基端側関節群の最先端の屈曲関節を屈曲させた状態を示す縦断面図である。 図３の湾曲部の基端側関節群の最も基端側の屈曲関節を示す分解斜視図である。 図５の屈曲関節における、プーリ、ガイドシースおよび操作ワイヤの配置を示す中心軸に沿う方向に見たリンク部材の正面図である。 図４の基端側関節群における、プーリ、ガイドシースおよび操作ワイヤの配置を示す模式的な側面図および各リンク部材の正面図である。 図６の変形例を示す分解斜視図である。 図７のプーリの配置の変形例を示す（ａ）最も基端側のリンク部材、（ｂ）基端側から２番目のリンク部材、（ｃ）基端側から３番目のリンク部材の正面図である。 図７のプーリの変形例を示す正面図である。 図８の変形例を示す模式的な側面図および各リンク部材の正面図である。 屈曲方向の異なる屈曲関節を交互に配置した基端側関節群を示す側面図である。 図１３の（ａ）最も基端側のリンク部材、（ｂ）基端側から２番目のリンク部材、（ｃ）基端側から３番目のリンク部材の正面図である。 図１４の変形例を示す（ａ）最も基端側のリンク部材、（ｂ）基端側から２番目のリンク部材、（ｃ）基端側から３番目のリンク部材の正面図である。 単一の屈曲関節を有する湾曲部を示す縦断面図である。 コマの変形例を示す正面図である。 コマの他の変形例を示す正面図である。 図１８のコマを有する湾曲部を示す縦断面図である。
　本発明の一実施形態に係る関節機構、マニピュレータおよびマニピュレータシステムについて、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係るマニピュレータシステムは、内視鏡システム１であって、図１に示されるように、医師（操作者）Ａにより操作されるマスタ装置２と、該マスタ装置２を介した入力により駆動されるスレーブ装置３と、マスタ装置２への入力に基づいてスレーブ装置３を制御するコントローラ４と、モニタ２５とを備えている。
　スレーブ装置３は、図２に示されるように、患者Ｐの体腔内に挿入される本実施形態に係る内視鏡（マニピュレータ）５と、該内視鏡５を駆動する駆動部６ａ，６ｂとを備えている。
　本実施形態に係る内視鏡５は、湾曲可能な軟性の細長い挿入部７を有する軟性内視鏡であって、細長い軟性部（マニピュレータ本体）８と、先端に配置される先端部９と、これら先端部９と軟性部８との間に配置される湾曲部１０とを備えている。なお、本実施形態では、軟性内視鏡としているが、細長い硬性部を有する硬性内視鏡でもよい。
　湾曲部１０は、図３（ａ），（ｂ）に示されるように、軟性部８の先端に対する先端部９の位置および姿勢を変更するための先端側関節群１１と基端側関節群１２とを備えている。先端側関節群１１と基端側関節群１２とは、挿入部７の長手方向に並んで配列されている。図３（ａ）は、湾曲部１０を簡略化した図、図３（ｂ）は、湾曲部１０を模式化した図である。
　基端側関節群１２は、複数の、例えば、４つの屈曲関節（関節機構）１２ａ～１２ｄを備えている。これらの屈曲関節１２ａ～１２ｄは、それぞれ、２つのリンク部材１３ａ～１３ｅの間に設けられ、隣接する２つのリンク部材１３ａ～１３ｅ間の相対角度を変化させるようになっている。
　各屈曲関節１２ａ～１２ｄは、挿入部７の長手方向、すなわち、各リンク部材１３ａ～１３ｅの長手軸方向に間隔をあけて平行に配される（Ｙ軸方向に沿う）軸線１４ａ～１４ｄ回りにそれぞれ独立して屈曲させられるようになっている。各屈曲関節１２ａ～１２ｄは、例えば、±６０°の屈曲角度範囲にわたって屈曲可能に構成され、基端側関節群１２全体として、±２４０°屈曲させることができるようになっている。なお、軸線１４ａ～１４ｄは必ずしも平行に配されている必要はなく、屈曲することができるように並行して配列されていればよい。
　本実施形態に係る屈曲関節１２ａ～１２ｄについて、図４～図７を参照して以下に説明する。
　まず、最も基端側の屈曲関節１２ａについて詳細に説明する。
　屈曲関節１２ａは、図４および図５に示されるように、軟性部８の端部を構成するリンク部材（第１の部材）１３ａと、リンク部材（第２の部材）１３ｂと、これらの間に連結された、複数、例えば、４個のコマ（中間部材）１５ａ～１５ｄとを備えている。
　各リンク部材１３ａ～１３ｅおよび各コマ１５ａ～１５ｄは、略平行な軸線（中間軸線）１６ａ～１６ｅ回りに相対的に揺動可能に連結されている。なお、軸線１６ａ～１６ｅも必ずしも平行に配置されている必要はなく、屈曲することができるように並行して配列されていればよい。
　軟性部８およびリンク部材１３ａ，１３ｂには、図６に示されるように、長手方向に貫通する貫通孔１７が設けられている。また、コマ１５ａ～１５ｄは、中央に厚さ方向に貫通する貫通孔１８を有するリング状に形成されている。リンク部材１３ｂおよび各コマ１５ａ～１５ｄには、その両側に配置されるリンク部材１３ａ，１３ｂまたは他のコマ１５ａ～１５ｄと２つの略平行な軸線１６ａ～１６ｅ回りに相対的に揺動可能に連結するための２対の連結部１９ａ，１９ｂが設けられている。リンク部材１３ｂは２つの部品１３ｂ１，１３ｂ２を組み合わせて構成されている。
　また、本実施形態に係る屈曲関節１２ａは、リンク部材１３ｂに回転可能に取り付けられた２つのプーリ２０ａ，２０ｂと、軟性部８の貫通孔１７およびコマ１５ａ～１５ｄの貫通孔１８を貫通して、それらの中心軸近傍に沿って配置され、先端開口がリンク部材１３ｂの部品１３ｂ１に固定された可撓性を有する筒状のガイドシース２１ａ，２１ｂと、該ガイドシース２１ａ，２１ｂを経由して、軟性部８の基端側から導入された操作ワイヤ２２ａ，２２ｂとを備えている。
　プーリ２０ａ，２０ｂは、図７に示されるように、リンク部材１３ｂとコマ１５ａとを連結している軸線１６ａを挟んで両側に、該軸線１６ａと略平行な軸線２３ａ，２３ｂ回りに回転可能にリンク部材１３ｂに取り付けられている。これにより、一対のプーリ２０ａ，２０ｂは、リンク部材１３ｂの軸線１６ａの近傍に配置されている一対のガイドシース２１ａ，２１ｂの先端開口から突出する一対の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを逆方向にＵターンさせて、それぞれ、軸線１６ａから径方向に最も離れたリンク部材１３ｂおよびコマ１５ａ～１５ｄの外周近傍の経路に沿ってリンク部材１３ａの方向に戻すようになっている。
　各コマ１５ａ～１５ｄには一対のプーリ２０ａ，２０ｂによって外周側にＵターンさせられた一対の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂをそれぞれ貫通させる一対の貫通孔２４ａ，２４ｂが設けられている。一対のプーリ２０ａ，２０ｂによって折り返された一対の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは、各コマ１５ａ～１５ｄの貫通孔２４ａ，２４ｂを貫通した後、その端部がリンク部材１３ａの固定部２６ａ，２６ｂにそれぞれ固定されている。
　他の屈曲関節１２ｂ～１２ｄも、上記屈曲関節１２ａと同じ構造を有している。すなわち、各屈曲関節１２ｂ～１２ｄは、基端側に隣接する屈曲関節１２ｂ～１２ｄの先端側のリンク部材１３ｂ～１３ｄを第１の部材とし、先端側に隣接するリンク部材１３ｃ～１３ｅを第２の部材として、それらの間に４個のコマ１５ａ～１５ｄをそれぞれ備えている。各屈曲関節１２ａ～１２ｄのガイドシース２１ａ，２１ｂ、プーリ２０ａ，２０ｂおよび操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは、図８に簡略化して示すように配置されている。
　図５は基端側関節群１２の内、最も先端に配置される屈曲関節１２ｄの動作を示すものである。挿入部７の基端側から、屈曲関節１２ｄの先端側のリンク部材１３ｅまで長手方向に沿って配置された２本のガイドシース２１ａ，２１ｂによって、それぞれリンク部材１３ｅに導かれた２本の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂが、プーリ２０ａ，２０ｂによってそれぞれＵターンさせられて、屈曲関節１２ｄの基端側のリンク部材１３ｄに固定部２６ａ，２６ｂにおいて固定されている。図４のように、全ての屈曲関節１２ａ～１２ｄが真っ直ぐに延びた状態から、図５のように一方の操作ワイヤ２２ａに牽引力Ｆをかけることで、先端の屈曲関節１２ｄのみを一方向に屈曲させることができるようになっている。なお，このとき操作ワイヤ２２ｂは屈曲に必要な分送り出されるようになっている。
　先端側関節群１１は、図３（ａ）に示されるように、複数の、例えば、３つの屈曲関節（先端側屈曲関節）１１ａ～１１ｃを備えている。これらの屈曲関節１１ａ～１１ｃも、それぞれ、２つのリンク部材１３ｆ～１３ｈの間に配置され、２つのリンク部材１３ｆ～１３ｈ間の相対角度を変化させるようになっている。
　基端側の２つの屈曲関節１１ａ，１１ｂは、図３（ａ）に示されるように、それぞれ、基端側関節群１２の最先端の屈曲関節１２ｄの軸線１４ｄおよびリンク部材１３ｅ～１３ｈの長手軸を含む平面に直交する（Ｚ軸方向に沿う）軸線１４ｅ，１４ｆ回りにリンク部材１３ｆ～１３ｈを揺動させるようになっている。また、最先端の１つの屈曲関節１１ｃは、上記屈曲関節１１ａ，１１ｂの軸線１４ｅ，１４ｆおよびリンク部材１３ｅ～１３ｈの長手軸を含む平面に直交する（Ｙ軸方向に沿う）軸線１４ｇ回りに先端部９を揺動させるようになっている。なお、軸線１４ｅ，１４ｆは、必ずしも軸線１４ｄおよび長手軸を含む平面に直交していなくてもよく、屈曲することができるように上記平面に交差して設けられていてもよい。
　全ての屈曲関節１１ａ～１１ｃ，１２ａ～１２ｄを動作させる操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは軟性部８の内部の貫通孔１７を通して軟性部８の基端側から湾曲部１０に導入されている。
　駆動部６ａ，６ｂは、図２に示されるように、先端側関節群１１を駆動する先端側駆動部６ａと、基端側関節群１２を駆動する基端側駆動部６ｂの２つを備えている。各駆動部６ａ，６ｂは、中継部２７を介して内視鏡５の軟性部８に接続されている。
　各駆動部６ａ，６ｂは、軟性部８内を経由して基端側に延びる操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの基端部を牽引して、各操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに個別に加える牽引力Ｆを調節するように、各操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの基端に取り付けられたスライダ（図示略）を備えている。各駆動部６ａ，６ｂは、電動式のアクチュエータを備える駆動源２８、もしくは手動式の手動操作用マスタ（図示略）に着脱することできるようになっている。
　駆動源２８のアクチュエータは、例えば、リニアモータのようなリニアアクチュエータであり、駆動部６ａ，６ｂを取り付けると、駆動部６ａ，６ｂのスライダにアクチュエータが係合し、アクチュエータの作動によってスライダがスライドして操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに牽引力Ｆが付与されるようになっている。
　また、手動操作用マスタは駆動部６ａ，６ｂを取り付けると、駆動部６ａ，６ｂのスライダに操作部が係合し、医師Ａの加えた力によってスライダがスライドして操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに牽引力Ｆが付与されるようになっている。
　中継部２７には挿入部７の長手方向に沿って延び、先端面に開口する鉗子チャネル（図示略）内への処置具の挿入ポート２９が設けられている。
　マスタ装置２は、図１に示されるように、内視鏡５の湾曲部１０と同じ数の関節を有する相似形の入力装置である。各関節には、その屈曲角度を検出するエンコーダ等の検出器（図示略）が備えられており、医師Ａが先端部を把持して移動させるときの検出器により検出されたマスタ装置２の各関節の屈曲角度信号を出力するようになっている。
　コントローラ４はマスタ装置２から出力された屈曲角度信号により示されるマスタ装置２の各関節の屈曲角度と、内視鏡５の湾曲部１０の各屈曲関節１１ａ～１１ｃ，１２ａ～１２ｄの屈曲角度とが同じ角度となるように駆動部６ａ，６ｂ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屈曲関節１２ａ～１２ｄ、内視鏡５および内視システム１の作用について以下に説明する。
　本実施形態に係る内視鏡５を用いて患者Ｐの体腔内の観察および処置を行うには、先端側関節群１１を駆動する先端側駆動部６ａのみに手動操作用マスタを取り付けて体腔内への挿入作業を行う。
　医師Ａは、手動操作用マスタを左手に持って操作しながら、挿入部７を右手で保持して、従来の内視鏡と同様の方法で内視鏡５を体腔内に挿入していく。このとき、内視鏡５を作動させることによって体腔内の様子を撮影しモニタ２５に表示する。医師Ａは、モニタ２５を見ながら手動操作用マスタを操作することにより、先端側関節群１１を駆動させて、内視鏡５の先端部９が患部に近接するまで、挿入部７を体腔内に挿入していく。
　この状態においては、基端側関節群１２を駆動する基端側駆動部６ｂには駆動源２８および手動操作用マスタが取り付けられていないので、基端側関節群１２は、先端側関節群１１の動作に倣って受動的に追従して動作させられる。これにより、基端側関節群１２によって挿入動作が妨げられずに済む。
　そして、挿入部７の先端部９が患部近傍に配置されたときには、手動操作用マスタを駆動源２８に切り替えるとともに、基端側駆動部６ｂにも駆動源２８を取り付けて、医師Ａがマスタ装置２を操作する。
　本実施形態に係る内視鏡５は、基端側関節群１２として合計で±２４０°屈曲する４つの屈曲関節１２ａ～１２ｄを有しているので、湾曲部１０をＵ字状に湾曲させて内視鏡５の先端面を後方に向けることができる。また、湾曲部１０をＵ字状に湾曲させた状態でも各屈曲関節１２ａ～１２ｄの動作範囲に余裕があるので、挿入部７の先端部９を進退させることができる。その結果、体腔への挿入方向の前方に配置される患部のみならず、襞の裏側のように、逆方向に配置される患部に対しても、観察あるいは処置し易い位置に挿入部７の先端面を向けることができるという利点がある。
　図５に示すように本実施形態に係る屈曲関節１２ｄを屈曲させるには、ガイドシース２１ａ，２１ｂを経由して軟性部８の基端側に引き出されている操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの内、屈曲の内側に配されることとなる一方の操作ワイヤ２２ａに駆動源２８により牽引力Ｆを加えて牽引し、屈曲の外側に配されることとなる他方の操作ワイヤ２２ｂは外側に配される経路長に合わせて送り出す。
　これにより、操作ワイヤ２２ａを先端まで伝播した牽引力Ｆによって、リンク部材１３ｅ上のプーリ２０ａとリンク部材１３ｄ上の固定部２６ａとの間の操作ワイヤ２２ａに張力が発生し、リンク部材１３ｄと１３ｅおよびその間のコマ１５ａ～１５ｄを相対的に揺動させて、リンク部材１３ｅ上のプーリ２０ａとリンク部材１３ｄ上の固定部２６ａとが近接させられ、屈曲関節１２ｄが屈曲させられる。屈曲関節12ａ～１２ｃについても，同様に屈曲させることができる。
　この場合において、各屈曲関節１２ａ～１２ｄにおいては、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを軟性部８の基端側から先端側のリンク部材１３ｂ～１３ｅまで導入するガイドシース２１ａ，２１ｂが屈曲関節１２ａ～１２ｄの中心軸近傍に沿って配置されている。このため、屈曲関節１２ａ～１２ｄが屈曲させられる際のガイドシース２１ａ，２１ｂの曲率半径を，一般に関節外周付近に配置することで内側にシースが配される場合よりも大きく保持することができる。
　さらに，湾曲方向が反転した場合においても，屈曲関節１２ａ～１２ｄの中心軸近傍に沿って配置されているので、シースの曲率半径のずれが小さく，シースの剛性によって発生される湾曲の際の抵抗力の変動を少なく抑えることができる。
　ガイドシース２１ａ，２１ｂは内側に配される操作ワイヤ２２ａよりも大径で曲げ剛性が高いので、屈曲時に曲率半径を大きく保持することで、屈曲に要する牽引力Ｆを小さくし、かつ、必要な牽引力Ｆの変動を少なく抑えることができるという利点がある。
　また、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂがプーリ２０ａ，２０ｂによってＵターンするように折り返されているので、牽引力Ｆを加えられて屈曲関節１２ａ～１２ｄが屈曲する際の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの移動が、少ない摩擦でスムーズに行われる。これにより、屈曲関節１２ａ～１２ｄを屈曲させるための牽引力Ｆをさらに低減することができる。
　また、プーリ２０ａ，２０ｂによって折り返された操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの先端は、第１の部材を構成しているリンク部材１３ａ～１３ｄの軸線１６ｅから径方向に大きく離れた固定部２６ａ，２６ｂに固定されているので、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに加えた牽引力Ｆによって大きなモーメントを発生させることができ、屈曲関節１２ａ～１２ｄを効率よく屈曲させることができるという利点もある。
　また、本実施形態においては、各リンク部材１３ｂ～１３ｅにおいて、周方向および半径方向の同一位置に同一の姿勢で同一のプーリ２０ａ，２０ｂを配置しているので、リンク部材１３ｂ～１３ｅを共通化して部品の種類を少なくすることができる。
　また、このような屈曲関節１２ａ～１２ｄを有する本実施形態に係る内視鏡５は、屈曲関節１２ａ～１２ｄの屈曲の度合いに応じた牽引力Ｆの変化を低く抑えることができる。したがって、駆動部６ａ，６ｂによる制御特性を向上することができるという利点がある。
　さらに、本実施形態に係る内視鏡システム１によれば、内視鏡５の制御特性が向上されることにより、マスタ装置２の操作に対するスレーブ装置３の応答性を向上し、操作性を向上することができるという利点がある。
　なお、本実施形態に係る屈曲関節１２ａ～１２ｄにおいては、各屈曲関節１２ａ～１２ｄを両側に湾曲させるための一対の操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを案内する一対のガイドシース２１ａ，２１ｂを、軸線１６ａ～１６ｅを挟んで隣接する位置に配置したが、スペースが許す場合には軸線１６ａ～１６ｅ上に一列に並べて配置することが好ましい。これにより、全てのガイドシース２１ａ，２１ｂの両側に屈曲させられる際の曲率半径を同じにすることができ、シースの経路長が一定となり，シースを弛ませたりする必要がなくなり，屈曲に必要な牽引力を最も低減することができる。
　また、本実施形態においては、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂをＵターンさせる折り返し部としてプーリ２０ａ，２０ｂを採用したが、これに代えて、図９に示されるように、剛性の高い材質からなり、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを貫通させることでＵターンさせるＵ字状の管状部材３０ａ，３０ｂを採用してもよい。これによっても、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは管状部材３０ａ，３０ｂによって定められた曲率を保ちながらスムーズに管状部材３０ａ，３０ｂ内を移動するので、小さな牽引力Ｆによって湾曲動作を行うことができる。また、回転するプーリ２０ａ，２０ｂのような可動部品を有しない構造により、耐久性を向上することができる。
　また、本実施形態においては、第２の部材を構成する全てのリンク部材１３ｂ～１３ｅにおいてプーリ２０ａ，２０ｂの配置を共通化したが、これに代えて、図１０（ａ）～（ｃ）に示されるように、異なるリンク部材１３ｂ～１３ｄにおけるプーリ２０ａ，２０ｂの配置を周方向に異ならせることにしてもよい。斜線は、対応するリンク部材１３ｂ～１３ｄのプーリ２０ａ，２０ｂに操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを導入してくるガイドシース２１ａ，２１ｂを示している。これにより、ガイドシース２１ａ，２１ｂの先端開口をプーリ２０ａ，２０ｂに近接させることができ、ガイドシース２１ａ，２１ｂからの操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの取り回しを無理なく行う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、軸線１６ａを挟んだ両側の対称位置に一対のプーリ２０ａ，２０ｂを配置したが、これに代えて、図１１に示されるように、一対のプーリ２０ａ，２０ｂどうしが相互に径方向に部分的に重なるように、厚さ方向にずらして配置されていてもよい。このように配置することで、プーリ２０ａ，２０ｂの直径寸法を大きく確保することができ、折り返される操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの曲率半径を大きくして、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂにかかる負担を低減することができる。
　また、本実施形態においては、全ての屈曲関節１２ａ～１２ｄにおいてプーリ２０ａ，２０ｂにより操作ワイヤ２２ａ，２２ｂをＵターンさせることとしたが、これに代えて、図１２に示されるように、最も基端側の屈曲関節１２ａについては、軟性部８の端部のリンク部材１３ａに固定したガイドシース２１ａ，２１ｂから先端側に延ばした操作ワイヤ２２ａ，２２ｂによってリンク部材１３ｂを基端側に牽引する方式を採用してもよい。このような構成によっても、屈曲関節１２ａの屈曲によっては屈曲しない位置にガイドシース２１ａ，２１ｂを配置でき、プーリ２０ａ，２０ｂを省略して構造を簡略化することができる。
　また、本実施形態においては、基端側関節群１２が略平行な軸線１４ａ～１４ｄを有する４つの屈曲関節１２ａ～１２ｄによって構成されていることとしたが、これに代えて、図１３に示されるように、屈曲方向を交互に直交する方向に配置した基端側関節群１２を採用してもよい。この場合、図１４（ａ）～（ｃ）に示されるように、ガイドシース２１ａ，２１ｂの配置を共通にし、プーリ２０ａ，２０ｂの配置の異なるリンク部材１３ｂ～１３ｅを交互に採用することにしてもよいし、図１５（ａ）～（ｃ）に示されるように、共通のリンク部材１３ｂ～１３ｅの位相を９０°異ならせて使用することにしてもよい。図中、符号３１は、ガイドシース２１ａ，２１ｂよりさらに剛性の高い配線等を貫通させるチャネルである。
　また、本実施形態においては、４つの屈曲関節１２ａ～１２ｄを直列に接続した基端側関節群１２を有する内視鏡５を例示したが、これに代えて、図１６に示されるように、単一の屈曲関節１２ａを有するマニピュレータ５に適用してもよい。
　また、コマ１５ａ～１５ｄとして操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを貫通させる貫通孔２４ａ，２４ｂを有するものを例示したが、これに代えて、図１７および図１８に示されるように、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂを貫通させる貫通部として、軸線１６ａ～１６ｅに直交する方向に延びる長孔３２ａ，３２ｂまたは溝３３ａ，３３ｂを有するものを採用してもよい。
　図１６に示されるように、貫通孔２４ａ，２４ｂが操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの外径より若干大きな内径を有する場合には、屈曲関節１２ａ～１２ｄを屈曲させると、コマ１５ａ～１５ｄが揺動することによって各コマ１５ａ～１５ｄに設けられた貫通孔２４ａ，２４ｂが曲線上に配列されるため、貫通孔２４ａ，２４ｂを貫通する操作ワイヤ２２ａ，２２ｂは貫通孔２４ａ，２４ｂを連絡するように湾曲させられる。
　そして、この場合には、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂに発生する張力は、牽引力Ｆの大きさによって増大するので、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂが貫通孔２４ａ，２４ｂの内面に押し付けられて摩擦が大きくなる。これに対して、図１７および図１８に示されるように、貫通部を長孔３２ａ，３２ｂまたは溝３３ａ，３３ｂにすることによって、図１９に示されるように、屈曲関節１２ａ～１２ｄが屈曲させられたときの操作ワイヤ２２ａ，２２ｂの径方向の変形を少なくして、張力が大きくなっても操作ワイヤ２２ａ，２２ｂと長孔３２ａ，３２ｂまたは溝３３ａ，３３ｂの内面との摩擦力を低減し、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂのスムーズな移動を確保することができる。なお、図１９自体は、貫通部が溝３３ａ，３３ｂの場合の屈曲状態を示している。
　また、本実施形態においては、マニピュレータおよびマニピュレータシステムの一例として内視鏡５および内視鏡システム１を例示したが、これに限定されるものではなく、処置具等の他のマニピュレータおよびマニピュレータシステムに適用してもよい。
　また、スレーブ装置３に設けられた内視鏡５に設けられる屈曲関節を例示したが、これに代えて、手動式の内視鏡に設けられる屈曲関節に適用してもよい。
　また、操作ワイヤ２２ａ，２２ｂとしては、単線、撚り線、編み線、板状等を挙げることができる。
　Ａ　医師（操作者）
　１　内視鏡システム（マニピュレータシステム）
　２　マスタ装置
　３　スレーブ装置
　４　コントローラ
　５　内視鏡（マニピュレータ）
　８　軟性部（マニピュレータ本体）
　１２ａ～１２ｄ　屈曲関節（関節機構）
　１３ａ　リンク部材（第１の部材）
　１３ｂ　リンク部材（第２の部材）
　１４ａ　揺動軸線
　１５ａ～１５ｄ　中間部材
　１６ａ～１６ｅ　中間軸線
　１７　貫通孔
　１８　貫通孔（シース用貫通孔）
　２０ａ，２０ｂ　プーリ（折り返し部）
　２１ａ，２１ｂ　ガイドシース
　２２ａ，２２ｂ　操作ワイヤ
　２４ａ　貫通孔（ワイヤ貫通部）
　３０ａ，３０ｂ　管状部材（折り返し部）
　３２ａ，３２ｂ　長孔（ワイヤ貫通部）
　３３ａ，３３ｂ　溝（ワイヤ貫通部）

Claims (13)

  1. 　中心軸方向に沿って貫通する貫通孔を有する筒状の第１の部材と、
    　該第１の部材の先端側に配置され、該第１の部材に対して前記中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられた第２の部材と、
    　前記第１の部材の前記貫通孔の前記中心軸近傍を貫通し、先端が前記第２の部材に固定された可撓性を有する筒状のガイドシースと、
    　該ガイドシースを経由して該ガイドシースの先端側に導入された操作ワイヤと、
    　前記第２の部材に前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に設けられ、前記ガイドシースを経由して前記第１の部材側から導入されてきた操作ワイヤを前記第１の部材側にＵターンさせる折り返し部とを備え、
    　該折り返し部においてＵターンさせられた前記操作ワイヤの先端が、前記第１の部材の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定されている関節機構。
  2. 　前記折り返し部が、前記操作ワイヤを巻き付けてＵターンさせるプーリである請求項１に記載の関節機構。
  3. 　前記折り返し部が、前記操作ワイヤを貫通させることによりＵターンさせる略Ｕ字状の管状部材である請求項１に記載の関節機構。
  4. 　前記ガイドシース、前記操作ワイヤおよび前記折り返し部が、前記第２の部材を前記第１の部材に対して前記揺動軸線回りに２方向に揺動させるように、一対ずつ設けられている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の関節機構。
  5. 　一対の前記折り返し部が、一対の前記操作ワイヤを径方向に部分的に重なる位置でＵターンさせるように設けられている請求項４に記載の関節機構。
  6. 　前記第１の部材と前記第２の部材との間に、相互に並行する２以上の中間軸線回りに揺動可能に連結された１以上の中間部材を備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の関節機構。
  7. 　各前記中間部材に、前記ガイドシースを貫通させるシース用貫通孔と、前記操作ワイヤを貫通させるワイヤ貫通部とが設けられ、
    　該ワイヤ貫通部が、前記中間軸線に直交する方向に延びる長孔または切欠である請求項６に記載の関節機構。
  8. 　請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の関節機構を２以上直列に備えるマニピュレータ。
  9. 　各前記関節機構に設けられた折り返し部が、各前記第２の部材の径方向および周方向に略同一の位置に配置されている請求項８に記載のマニピュレータ。
  10. 　各前記関節機構に設けられた折り返し部が、各前記第２の部材の径方向に略同一の位置かつ周方向に異なる位置に配置されている請求項８に記載のマニピュレータ。
  11. 　筒状のマニピュレータ本体と、
    　該マニピュレータ本体の先端に設けられた基端側関節部と、
    　該基端側関節部の先端側に直列に接続された、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の１以上の関節機構を備える先端側関節部とを備え、
    　該基端側関節部が、前記マニピュレータ本体に揺動軸線回りに揺動可能に連結された揺動部材と、先端開口が前記マニピュレータ本体に固定された筒状のガイドシースと、該ガイドシースを経由して導入され該ガイドシースの前記先端開口から突出して延び、先端が前記揺動部材の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定された操作ワイヤとを備えるマニピュレータ。
  12. 　中心軸方向に沿って貫通する貫通孔を有する筒状のマニピュレータ本体と、
    　該マニピュレータ本体の先端側に配置され、該マニピュレータ本体に対して前記中心軸に交差する揺動軸線回りに揺動可能に設けられた揺動部材と、
    　前記マニピュレータ本体の前記貫通孔の前記中心軸近傍を貫通し、先端が前記揺動部材に固定された可撓性を有する筒状のガイドシースと、
    　該ガイドシースを経由して該ガイドシースの先端側に導入された操作ワイヤと、
    　前記揺動部材に設けられ、前記ガイドシースを経由して前記マニピュレータ本体側から導入されてきた操作ワイヤを前記マニピュレータ本体側にＵターンさせる折り返し部とを備え、
    　該折り返し部においてＵターンさせられた前記操作ワイヤの先端が、前記マニピュレータ本体の前記揺動軸線から径方向に偏心した位置に固定されているマニピュレータ。
  13. 　請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載のマニピュレータと、該マニピュレータを駆動する駆動部とを備えるスレーブ装置と、
    　操作者により操作される操作部を備えるマスタ装置と、
    　該マスタ装置の前記操作部により入力された入力信号に基づいて前記スレーブ装置の駆動部を制御するコントローラとを備えるマニピュレータシステム。
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