WO2017010482A1

WO2017010482A1 - 鉗子システム

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Publication number: WO2017010482A1
Application number: PCT/JP2016/070560
Authority: WO
Inventors: 健嗣川嶋; 貴皓菅野; 良兼宮崎; 径一赤星; 大輔伴; 稔田邉
Original assignee: 国立大学法人東京医科歯科大学; 東レエンジニアリング株式会社
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2017-01-19
Also published as: US20180199953A1; US10675047B2; JP2017018465A; JP6602076B2

Abstract

操作者にとってより直感的な操作を実現し、その結果として手術時間の短縮等を図ることが可能な鉗子を提供すること。　鉗子先端部（２１）は、屈曲方向と屈曲角度との２自由度での屈曲を可能である。駆動部（２２）は、鉗子先端部（２１）への駆動力を発生する。駆動伝達部（２３）は、その駆動力を鉗子先端部（２１）に伝達する棒状のものである。操作部（２５）は、操作者の操作により屈曲方向と屈曲角度を指示することができる。センサ部（２４）は、駆動伝達部（２３）の軸を中心とする回転方向の角度（α）を検出する。制御部（１２）は、所定の目標屈曲方向及び目標屈曲角度に従って鉗子先端部（２１）が屈曲するように、駆動部（２２）を制御する。制御部（１２）は、操作部（２５）により指示された屈曲角度を目標屈曲角度として設定し、操作部（２５）により指示された屈曲方向と、センサ部（２４）により検出された角度（α）とに基づいて、目標屈曲方向を設定する。

Description

鉗子システム

　本発明は、鉗子マニピュレータを含む鉗子システムに関する。

　従来より、腹腔鏡外科手術において、本手技を補助するためのツールとして、鉗子マニピュレータが採用されている（特許文献１参照）。鉗子マニピュレータは、鉗子先端部を体内で屈曲させて臓器を保持する等の用途で用いられる。

特開２０１４－９０８０００号公報

　しかしながら、操作者にとってより直感的な操作を実現し、その結果として手術時間の短縮等を図ることが可能な鉗子が要求されているが、特許文献１を含め従来の技術ではかかる要求に十分に応えることが出来ない状況である。

　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、操作者にとってより直感的な操作を実現し、その結果として手術時間の短縮等を図ることが可能な鉗子を提供することを目的とする。

　本発明の一側面の鉗子システムは、
　　屈曲方向と屈曲角度との２自由度での屈曲を可能とする鉗子先端部と、
　　前記鉗子先端部への駆動力を発生する駆動部と、
　　前記駆動力を前記鉗子先端部に伝達する棒状の駆動伝達部と、
　　前記駆動伝達部からみて前記駆動部側に配置され、操作者の操作により前記屈曲方向と前記屈曲角度を指示する操作部と、
　　前記駆動伝達部の軸を中心とする回転方向の角度を検出する第１検出部と、
　を含む鉗子マニピュレータと、
　所定の目標屈曲方向及び目標屈曲角度に従って前記鉗子先端部が屈曲するように、前記駆動部を制御する制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、
　　前記操作部により指示された前記屈曲角度を目標屈曲角度として設定し、
　　前記操作部により指示された前記屈曲方向と、前記第１検出部により検出された前記角度とに基づいて、目標屈曲方向を設定する、
　鉗子システムである。

　　前記駆動部は、空気圧により前記駆動力を発生し、
　前記駆動力の実績値を検出する第２検出部をさらに備え、
　前記制御部は、
　　前記鉗子先端部の前記屈曲方向及び前記屈曲角度と、前記鉗子先端部への駆動力との対応関係を予め保持しており、
　　前記対応関係に基づいて、前記目標屈曲方向及び前記目標屈曲角度から、前記駆動力の目標値を求め、
　　前記駆動力の目標値と、前記第２検出部により検出された前記駆動力の実績値とに基づいて、前記駆動部を制御する
　ことができる。

　前記鉗子先端部、前記駆動伝達部及び前記駆動部は、前記鉗子マニピュレータから自在に着脱可能に構成されている、
　ことができる。

前記鉗子先端部は、前記屈曲方向と前記屈曲角度との２自由度での屈曲を可能とする柔軟関節を有する、
　ことができる。

　本発明によれば、操作者にとってより直感的な操作を実現し、その結果として手術時間の短縮等を図ることが可能な鉗子を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムの外観構成を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係る鉗子マニピュレータの外観構成を模式的に示す図である。図２の鉗子マニピュレータのうち、鉗子先端部の姿勢を説明するための図である。図２の鉗子先端部の駆動原理の概要を示す図である。図１の鉗子システムのうち、鉗子マニピュレータを操作するための空気圧システムの概略を示す図である。図１の鉗子システムの鉗子先端部と、従来の鉗子との動作の差異点を模試的に説明する図である。図１の鉗子システムにおける鉗子先端部の姿勢制御のうち、操作部及びセンサ部のブロック線図を示している。図１の鉗子システムにおける鉗子先端部の姿勢制御のうち、駆動部のブロック線図を示している。図１の鉗子システムの動作実験に基づく効果を示す図である。図１の鉗子システムの評価実験に基づく効果を示す図である。

　以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

　図１は、本発明の一実施形態に係る鉗子マニピュレータを備える鉗子システムの外観構成を模式的に示す図である。
　本実施形態の鉗子システム１は、鉗子マニピュレータ１１と、制御部１２と、バルブボックス１３と、空気圧配管１４とを備える。
　鉗子マニピュレータ１１は、空気圧シリンダ（図４等の空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂ）を内蔵し、当該空気圧シリンダの駆動により、その先端部（図２の鉗子先端部２１）の姿勢を変化（２自由度の屈曲）させる。
　空気圧シリンダは、制御部１２による制御に基づいて、バルブボックス１３内のサーボバルブから空気圧配管１４を介して供給される空気を用いて、駆動する。

　図２は、本発明の一実施形態に係る鉗子マニピュレータの外観構成を模式的に示す図である。
　鉗子マニピュレータ１１は、２自由度での屈曲を可能とする鉗子先端部２１と、当該鉗子先端部２１への駆動力を発生する駆動部２２と、その駆動力を鉗子先端部２１に伝達する棒状の駆動伝達部２３と、駆動伝達部２３の軸を中心とする回転方向の角度を検出するセンサ部２４と、操作者の操作により鉗子先端部２１の屈曲動作を指示する操作部２５と、操作者が鉗子マニピュレータ１１を手で保持する保持部２６と、を備える。

　鉗子先端部２１は、手術時に用いる糸等を把持する把持部（図４の把持部３３）を含み、図３に示す様な２自由度の屈曲を可能なように構成されている。
　図３は、鉗子先端部２１の姿勢を説明するための図である。
　図３に示す様に、鉗子先端部２１の所定の断面（例えば駆動伝達部２３と接続する端の断面）の中心点を原点とし、当該断面を含む２次元平面において直交するｘ軸とｙ軸を定義し、当該断面の法線方向にｚ軸を定義することにより、３次元の直交座標系が構築される。
　ここで、ｘ軸とｙ軸で定義される２次元平面上の任意の直線と、ｚ軸とを含む所定の平面を以下、「屈曲方向面」と呼ぶ。
　また以下、鉗子先端部２１の鉗子側の断面の法線を「Ｐ」と記述し、法線Ｐとｚ軸とのなす角度θを「屈曲角度θ」と呼ぶ。つまり、屈曲角度θとは、鉗子先端部２１がどれだけ屈曲しているかを表す指標である。
　ｘ軸とｙ軸で定義される２次元平面上において、ｘ軸を開始点として、屈曲方向面が回転した角度δ、即ちｘ軸と屈曲方向面とのなす角度δを以下、「屈曲方向δ」と呼ぶ。つまり、屈曲方向δとは、鉗子先端部２１がどちらの方向に曲がっているのかを表す指標である。
　鉗子先端部２１は、このような屈曲方向δと屈曲角度θとの２自由度で、屈曲をすることができる。

　ここで、図３に示すように、鉗子先端部２１には４本のワイヤ３１ａ１，３１ａ２，３１ｂ１，３１ｂ２が締結されている。
　ここで、ワイヤ３１ａ１，３１ａ２の組を、以下、「ワイヤ群３１ａ」と呼ぶ。ワイヤ３１ｂ１，３１ｂ２の組を、以下、「ワイヤ群３１ｂ」と呼ぶ。

　図４は、鉗子先端部２１の駆動原理の概要を示す図である。

　ワイヤ群３１ａについて、その先端部側は、柔軟関節３２内に埋設されて把持部３３に締結されており、末端部（根本）側は、空気圧シリンダ群４１ａに締結される。
　ここで、空気圧シリンダ群４１ａは、２つの空気圧シリンダにより構成されている。つまり、ワイヤ群３１ａを構成するワイヤ３１ａ１，３１ａ２の夫々に対して、空気圧シリンダ群４１ａを構成する２つの空気圧シリンダの夫々が締結される。

　一方、ワイヤ群３１ｂについて、その先端部側は、柔軟関節３２内に埋設されて把持部３３に締結されており、末端部（根本）側は、空気圧シリンダ群４１ｂに締結される。
　ここで、空気圧シリンダ群４１ｂは、２つの空気圧シリンダにより構成されている。つまり、ワイヤ群３１ｂを構成するワイヤ３１ｂ１，３１ｂ２の夫々に対して、空気圧シリンダ群４１ｂを構成する２つの空気圧シリンダの夫々が締結される。

　なお、図４には図示していないが、空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂは、図２の駆動部２２を構成する。また、ワイヤ群３１ａ，３１ｂのうち、図４中柔軟関節３２より下方の部分については、棒状の駆動伝達部２３に内蔵されている。

　図４に示す様に、空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂの夫々の駆動によって、ワイヤ群３１ａとワイヤ群３１ｂの夫々が押引きすることで、鉗子先端部２１が駆動される。
　図４（Ａ）は、駆動前のデフォルトの状態の鉗子先端部２１を示している。
　図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のデフォルトの状態から右方に屈曲した状態の鉗子先端部２１を示している。
　即ち、右側のワイヤ群３１ａが空気圧シリンダ群４１ａによって引かれると共に、左側のワイヤ群３１ｂが空気圧シリンダ群４１ｂによって押し出されることで、鉗子先端部２１の姿勢が図４（Ａ）の状態から図４（Ｂ）の状態に移行する。

　図５は、鉗子マニピュレータ１１を操作するための空気圧システムの概略を示す図である。
　空気圧システムにおいて、コンプレッサ等の空気圧供給源５０に対して、圧力調整弁５１を介して複数の５ポート型のサーボバルブが接続されている。各サーボバルブは、上述の空気圧シリンダに対応して夫々設けられている。図５の例では、図４の例にあわせて、空気圧シリンダ群４１ａに対応するサーボバルブ群５３ａと、空気圧シリンダ群４１ｂに対応するサーボバルブ群５３ｂとが描画されている。
　鉗子先端部２１（図４等）の屈曲目標（後述の図７及び図８の屈曲目標ｑｒｅｆ）に応じて可変する入力電圧ｕａ，ｕｂの夫々が各サーボバルブ群５３ａ，５３ｂの夫々に印加されることで、供給圧力Ｐａ，Ｐｂの夫々の操作が制御される。これにより、空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂの夫々が駆動される。即ち、鉗子先端部２１（図４等）の屈曲に必要な空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂの駆動力が発生する。

　このようにして、鉗子先端部２１（図４等）の屈曲の動作は、当該鉗子先端部２１の根元に配置されたワイヤ群３１ａ，３１ｂ及び空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂを用いた拮抗駆動により実現される。

　ここで、本実施形態の鉗子システム１は、例えば腹腔鏡外科手術において、本手技を補助するためのツールとして、鉗子先端部２１の把持部３３（図４）を体内で屈曲させて臓器を保持する等の用途で用いられる。
　図６は、このような本実施形態の鉗子システム１の鉗子先端部２１と、従来の鉗子との動作の差異点を模試的に説明する図である。
　具体的には、図６（Ａ）は、従来の鉗子の鉗子先端部２１の動作を模試的に説明する図である。
　図６（Ｂ）は、本実施形態の鉗子システム１の鉗子先端部２１の動作を模式的に説明する図である。

　図６（Ａ）に示す様に、従来の鉗子では、鉗子先端部２１を屈曲させた状態で、作業者が手首を回転させた場合、鉗子を軸（本実施形態の図２の駆動伝達部２３の軸に相当）とした回転運動になってしまう。
　作業者が鉗子を用いて針を通す作業等を考慮すると、図６（Ｂ）に示す様に、鉗子先端部２１を軸とした回転運動をすると好適である。このため、鉗子先端部２１が回転する鉗子自体は従来から存在した。
　しかしながら、このような従来の鉗子では、操作者は、鉗子に設けられた操作部（図２の操作部２５や保持部２６に相当）から手を一度離して、別途設けられたダイヤルを回す等の別の操作をすることが要求された。このような操作は操作者にとって直感的な操作とは言い難く、直感的な操作が要望されていた。
　また、従来の鉗子では、鉗子先端部２１の屈曲方向を変えながら先端を軸として回転する等の連続的な動作は困難である。

　これに対して、本実施形態の鉗子システム１では、操作者が操作部２５や保持部２６（図２）から手を離さない状態で手首を回転（図２の回転角度αで示す、駆動伝達部２３を軸とする回転）しても、図６（Ｂ）に示すように、鉗子先端部２１を軸とした回転が実現される。

　具体的には、操作者は、操作部２５を操作することで、鉗子先端部２１の姿勢を指示する。従って、鉗子先端部２１の屈曲方向δ及び屈曲角度θが、操作者の操作部２５による指示に追従して変化すれば、操作者からみて、図６（Ｂ）に示す様な鉗子先端部２１を軸とした回転運動が実現される。
　しかしながら、操作者は、保持部２６を保持したまま手首を回転させてしまうと、仮に鉗子先端部２１の姿勢の制御がなされないとすると、鉗子先端部２１の屈曲方向δは、操作者の操作部２５による指示に追従せずに、手首の回転角度αに対応する分だけ変化してしまう。つまり、図６（Ｂ）に示すような鉗子先端部２１を軸とした回転が実現不可能になる（図６（Ａ）のままになる）。
　そこで、本実施形態の鉗子システム１は、鉗子先端部２１の屈曲方向δについて、手首の回転角度α分の回転を打ち消すように、当該鉗子先端部２１の根元に配置したワイヤ群３１ａ，３１ｂ及び空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂを用いた拮抗駆動を制御する。
　ここで、この制御を行うためには、操作者の手首の回転角度αの検出が必要になる。そこで、本実施形態では、当該回転角度αを検出すべく、加速度センサもしくはジャイロセンサあるいはこの両方からなるセンサ部２４が鉗子マニピュレータ１１に設けられている。
　このような制御を行うことにより、鉗子先端部２１の屈曲方向δ及び屈曲角度θの変化は、操作者の操作部２５による指示に追従するようになり、操作者からみて図６（Ｂ）に示す様な鉗子先端部２１を軸とした回転運動が実現される。その結果、操作者にとってより直感的な操作が実現されるので、手術時間の短縮等が期待できるようになる。

　ここで、鉗子先端部２１の姿勢制御（屈曲動作の制御）するに際し、鉗子先端部２１の現在の姿勢（屈曲方向δ及び屈曲角度θの現在値）を検出する位置センサを、鉗子マニピュレータ１１に設けるようにしてもよい。
　しかしながら、本実施形態の鉗子システム１は、空気圧駆動のシステムであるため、バルブボックス１３内に圧力センサが搭載されている。
　そこで、本実施形態では、鉗子先端部２１の屈曲角度θ及び屈曲方向δと供給圧力の関係が実験的に事前取得され、その事前取得の結果に基づいて屈曲角度θ及び屈曲方向δと供給圧力との関係式が構築され、当該関係式が制御部１２に保持されている。制御部１２は、この関係式を用いた制御を実行することで、位置センサを鉗子マニピュレータ１１に設けることなく、鉗子先端部２１の姿勢制御（屈曲動作の制御）を実現している。

　さらに以下、本実施形態の鉗子システム１における鉗子先端部２１の姿勢制御について詳しく説明する。
　図７は、本実施形態の鉗子システム１における鉗子先端部２１の姿勢制御のうち、操作部及びセンサ部のブロック線図を示している。
　図８は、本実施形態の鉗子システム１における鉗子先端部２１の姿勢制御のうち、駆動部のブロック線図を示している。

　ここで、本実施形態の操作部２５は、ジョイスティック（ＪｏｙＳｔｉｃｋ）から構成されている。従って、操作者は、操作部２５の操作として、任意の方向に任意の度合いだけ操作部２５を傾けることができる。そこで、操作者は、操作部２５の傾ける方向により鉗子先端部２１の屈曲方向δを指示すると共に、操作部２５の傾け度合いにより鉗子先端部２１の屈曲角度θを指示するものとする。
　なお、操作部２５として、本実施形態ではジョイスティックが採用されているが、特にこれに限定されず、駆動伝達部２３からみて駆動部２２側に配置され、操作者の操作により屈曲方向δと屈曲角度θを指示するものであれば足りる。

　図７において、制御部１２は、ブロック１０５において、操作部２５の操作信号のＰ（ｙ、ｘ）により、当該操作部２５の傾け度合いを求め、操作者により指示された屈曲角度θ＿ｒｅｆとして出力する。操作者により指示された屈曲角度θ＿ｒｅｆは、そのまま鉗子先端部２１の目標屈曲角度θ＿ｒｅｆとなる。

　一方、制御部１２は、ブロック１０６において、操作部２５の操作信号のｔａｎ^―１（ｙ、ｘ）により、当該操作部２５の傾けた方向を求め、操作者により指示された屈曲方向δ＿Ｊｏｙｓｔｉｃｋとして出力する。
　そして、制御部１２は、操作者により指示された屈曲方向δ＿Ｊｏｙｓｔｉｃｋに対して、操作者の腕の回転角度δ＿ｒｏｌｌ（上述した図２の回転角度αに相当）を加えることで、鉗子先端部２１の目標屈曲方向δ＿ｒｅｆを求める。即ち、制御部１２は、操作者により指示された屈曲方向δ＿Ｊｏｙｓｔｉｃｋ自体を単に目標屈曲方向δ＿ｒｅｆとするのではなく、操作者により指示された屈曲方向δ＿Ｊｏｙｓｔｉｃｋに対して操作者の腕の回転角度δ＿ｒｏｌｌを加えたものを目標屈曲方向δ＿ｒｅｆとすることで、制御を実現している。

　なお、制御部１２は、次のようにして、操作者の腕の回転角度δ＿ｒｏｌｌを算出する。
　即ち、制御部１２は、ブロック１０２において、センサ部２４のうち加速度センサの検出信号のｔａｎ^―１（ｙ、ｚ）をしたものを、観測値として出力する。
　制御部１２は、ブロック１０３において、センサ部２４のうち加速度センサの検出信号を積分したものを、事前推定値として出力する。
　そして、制御部１２は、ブロック１０４において、観測値と事前推定値を入力してカルマンフィルタを用いることで、操作者の腕の回転角度δ＿ｒｏｌｌを算出する。

　このようにして図７のブロック線図に従って算出された、鉗子先端部２１の目標屈曲角度θ＿ｒｅｆ及び目標屈曲方向δ＿ｒｅｆは、図８のブロック線図においては、鉗子先端部２１の目標値ｑ＿ｒｅｆとして入力される。
　ここで、上述したように本実施形態では位置センサを鉗子マニピュレータ１１に設けていないので、鉗子先端部２１の屈曲の値ｑとシリンダ駆動力Ｆの関係式Ｆ（ｑ）が予め用意されている。
　そこで、制御部１２は、ブロック１１１において、鉗子先端部２１の目標値ｑ＿ｒｅｆを入力値として関係式Ｆ（ｑ）を演算し、その出力値を、各空気圧シリンダ（図４の空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂを構成する各空気圧シリンダ）の目標駆動力Ｆ＿ｒｅｆとして出力する。

　制御部１２は、この目標駆動力Ｆ＿ｒｅｆと、バルブボックス１３内の圧力センサの検出値（各空気圧シリンダの差圧）から得たシリンダ駆動力（実績値）との差分を、制御誤差として制御ブロック１１２に入力する。
　制御部１２は、制御ブロック１１２において、この入力値を用いたＰＩ制御を実行することでバルブボックス１３内のサーボバルブの入力電圧ｕを決定する。また、制御部１２は、ブロック１１３において、目標駆動力Ｆ＿ｒｅｆの急激な変化に対する応答性を高めるため、微分値のフィードフォワード補償をしている。
　即ち、フィードフォアード補償がなされた入力電圧ｕが、各サーボバルブ（図５の例でいえば、空気圧シリンダ群４１ａに対応するサーボバルブ群５３ａと、空気圧シリンダ群４１ｂに対応するサーボバルブ群５３ｂ）に夫々印加される。即ち、図８においてブロック１１４は、各サーボバルブを示している。

　ブロック１１５において、各サーボバルブから供給された空気により、各空気圧シリンダにおいて差圧Ｐが生ずる。この差圧Ｐにより、ブロック１１６及びブロック１１７においてシリンダ駆動力が発生する。具体的には、ブロック１１６の出力が、空気圧シリンダ群４１ａのシリンダ駆動力であり、ブロック１１７の出力が、空気圧シリンダ群のシリンダ駆動力である。即ち、ブロック１１６の出力とブロック１１７の出力との差分が、空気圧シリンダ群４１ａ，４１ｂを用いた拮抗駆動によるシリンダ駆動力として、ブロック１１８に伝達される。

　ブロック１１８は、シリンダ駆動力が与えられることで変位が生じる各シリンダを示している。即ち、ブロック１１８は、シリンダ駆動力を入力し、各シリンダの変位を出力する。
　ブロック１１９は、ブロック１１８から出力されたシリンダ変位によって姿勢（屈曲方向δと屈曲角度θ）が変化する鉗子先端部２１を示している。即ち、ブロック１１９は、シリンダ変位を入力し、鉗子先端部２１の姿勢の実績値ｑを出力する。

　なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

　換言すると、本発明が適用される鉗子システムは、次のような構成を取れば足り、図１の鉗子システム１を含め各種各様の実施の形態を取ることができる。
　即ち、本発明が適用される鉗子システム（例えば図１の鉗子システム１）は、
　　屈曲方向と屈曲角度との２自由度での屈曲を可能とする鉗子先端部（例えば図２の鉗子先端部２１）と、
　　前記鉗子先端部への駆動力を発生する駆動部（例えば図２の駆動部２２）と、
　　前記駆動力を前記鉗子先端部に伝達する棒状の駆動伝達部（例えば図２の駆動伝達部２３）と、
　　前記駆動伝達部からみて前記駆動部側に配置され、操作者の操作により前記屈曲方向と前記屈曲角度を指示する操作部（例えば図２の操作部２５）と、
　　前記駆動伝達部の軸を中心とする回転方向の角度を検出する第１検出部（例えば図２のセンサ部２４）と、
　を含む鉗子マニピュレータ（例えば図１や図２の鉗子マニピュレータ１１）と、
　所定の目標屈曲方向及び目標屈曲角度に従って前記鉗子先端部が屈曲するように、前記駆動部を制御する制御部（例えば図１の制御部１２）と、
　を備え、
　前記制御部は、
　　前記操作部により指示された前記屈曲角度を目標屈曲角度として設定し、
　　前記操作部により指示された前記屈曲方向と、前記第１検出部により検出された前記角度とに基づいて、目標屈曲方向を設定する、
　鉗子システムである。

　例えば、制御部は、屈曲方向と、第１検出部により検出された前記角度とを加算して目標屈曲方向を設定することで、図７や図８等を用いて上述した制御を実現することができる。
　即ち、鉗子システムは、鉗子先端部２１の屈曲方向について、操作者の手首の回転角度に相当する角度（第１検出部により検出された前記角度）の回転を打ち消すように、当該鉗子先端部の姿勢を制御することができる。
　このようにして、操作者の手首が回転しても（駆動伝達部の軸を中心等する回転があっても）、鉗子先端部の屈曲方向及び屈曲角度の変化は、操作者の操作部による指示に追従するようになり、操作者からみて鉗子先端部を軸とした回転運動が実現される（図６（Ｂ）参照）。その結果、操作者にとってより直感的な操作が実現されるので、手術時間の短縮等が期待できるようになる。

　図９は、このような本発明が適用される鉗子システムの動作実験に基づく効果を示す図である。
　図９に示す動作実験とは、上述の図１の鉗子システム１を採用し、鉗子マニピュレータ１１の駆動伝達部２３の軸を中心とする等速回転をさせた場合に、鉗子先端部２１の屈曲方向δが回転角度αに応答して変化しているか（制御がなされているのか）を確認する実験である。
　この動作実験では、回転速度を０．８９［ｒａｄ／ｓ］とし、鉗子先端部２１の初期値として、目標屈曲角度θｒｅｆとして０．７［ｒａｄ］を設定すると共に、目標屈曲方向δｒｅｆとして０．０［ｒａｄ］に設定した。
　図９において、２点鎖線が回転角度αを示し、点線が目標屈曲方向δｒｅｆを示し、一点鎖線が屈曲方向実測値δを示している。回転角度αと、それを検知して目標屈曲方向δｒｅｆの変化に応答した屈曲方向実測値δを足した値δ＋αが、実線により示されている。
　この実線で示す値δ＋αをみると、屈曲方向δの初期値である０．０［ｒａｄ］付近の値を保ち続けている。
　このことからセンサ部２４（図２）で検知された回転角度αによる制御が実現化されていることが確認でき、鉗子先端部２１を軸とする回転（図６（Ｂ）参照）が実現されていることがわかる。

　図１０は、本発明が適用される鉗子システムの評価実験に基づく効果を示す図である。
　図１０に示す評価実験とは、十分にトレーニングをおこなった操作者が、従来の鉗子と、上述の本発明が適用される図１の鉗子システム１との夫々を用いて、バイオシートの決められた位置へ針を通すタスクを８回おこない、その平均時間を夫々計測する実験である。
　図１０において、「Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ」が従来の鉗子を示し、「Ｐｒｏｐｏｓａｌ」が上述の本発明が適用される図１の鉗子システム１を示している。
　図１０に示すように、危険率５％の範囲で、上述の本発明が適用される図１の鉗子システム１の方が、従来の鉗子と比較して、有意な傾向を示していることが確認できた。

　以上、図９及び図１０に示す２つの実験から、本発明が適用される鉗子システムは、鉗子先端部２１を軸とした回転（図６（Ｂ）参照）が可能となり、鉗子の操作性の向上による作業時間の短縮ができることが確認された。

　さらに、
　前記駆動部は、空気圧により前記駆動力を発生し、
　前記駆動力の実績値を検出する第２検出部（例えば図１のバルブボックス１３に内蔵する図示せぬ圧力センサ）をさらに備え、
　前記制御部は、
　　前記鉗子先端部の前記屈曲方向及び前記屈曲角度と、前記鉗子先端部への駆動力との対応関係を予め保持しており、
　　前記対応関係に基づいて、前記目標屈曲方向及び前記目標屈曲角度から、前記駆動力の目標値を求め、
　　前記駆動力の目標値と、前記第２検出部により検出された前記駆動力の実績値とに基づいて、前記駆動部を制御する
　ことができる。

　これにより、鉗子先端部の屈曲方向及び屈曲角度と鉗子先端部への駆動力との対応関係から、鉗子先端部の屈曲方向及び屈曲角度を、当該鉗子先端部の駆動力の実績値（上述の実施形態では空気圧シリンダの差圧）から推定することができる。
　その結果、駆動部から鉗子先端部にかけて電気的なセンサが一切不要になる。これにより、駆動部から鉗子先端部にかけて滅菌洗浄が容易に可能になる。

　さらに、前記鉗子先端部、前記駆動伝達部および前記駆動部は、前記鉗子マニピュレータから自在に着脱可能に構成されるようにすることができる。
　これにより、さらに一段と、鉗子マニピュレータの滅菌洗浄が容易となり、運用上優れるという効果を奏することができる。

　例えば、腹腔鏡外科手術中では鉗子先端で複雑な作業の実施が要求される。
　前記鉗子先端部は、前記屈曲方向と前記屈曲角度との２自由度での屈曲を可能とする柔軟関節（例えば図４の柔軟関節３２）を有する、
　これにより、鉗子先端部の操作性が向上し、複雑な作業が可能となる。

　ところでこのような、鉗子マニピュレータの鉗子先端部の姿勢制御を実現するための本発明に係る一連の処理は、ソフトウェアにより実行させることも、ハードウェアにより実行させることもできる。

　一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムを、コンピュータ等にネットワークを介して、或いは、記録媒体からインストールすることができる。コンピュータは、専用のハードウェアを組み込んだコンピュータであってもよいし、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータであってもよい。

　本発明に係る一連の処理を実行するための各種プログラムを含む記録媒体は、情報処理装置本体とは別に、ユーザにプログラムを提供するために配布されるリムーバブルメディアでもよく、或いは、情報処理装置本体に予め組み込まれた記録媒体等でもよい。リムーバブルメディアは、例えば、磁気ディスク（フロッピディスクを含む）、光ディスク、又は光磁気ディスク等により構成される。また、装置本体に予め組み込まれた記録媒体としては、例えば、プログラムが記録されているＲＯＭや、ハードディスク等でもよい。

　なお、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、その順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的或いは個別に実行される処理をも含むものである。

　また、本明細書において、システムとは、複数の装置や処理部により構成される装置全体を表すものである。

　１　　　　鉗子システム
　１１　　　鉗子マニピュレータ
　１２　　　制御部
　１３　　　バルブボックス
　１４　　　空気圧配管
　２１　　　鉗子先端部
　２２　　　駆動部
　２３　　　駆動部
　２４　　　センサ部
　２５　　　操作部
　２６　　　保持部
　３１ａ１　ワイヤ
　３１ａ２　ワイヤ
　３１ｂ１　ワイヤ
　３１ｂ２　ワイヤ
　３１ａ　　ワイヤ群
　３１ｂ　　ワイヤ群
　３２　　　柔軟関節
　３３　　　把持部
　４１ａ　　空気圧シリンダ群
　４１ｂ　　空気圧シリンダ群
　５０　　　空気圧供給源
　５１　　　圧力調整弁

Claims

　　屈曲方向と屈曲角度との２自由度での屈曲を可能とする鉗子先端部と、
　　前記鉗子先端部への駆動力を発生する駆動部と、
　　前記駆動力を前記鉗子先端部に伝達する棒状の駆動伝達部と、
　　前記駆動伝達部からみて前記駆動部側に配置され、操作者の操作により前記屈曲方向と前記屈曲角度を指示する操作部と、
　　前記駆動伝達部の軸を中心とする回転方向の角度を検出する第１検出部と、
　を含む鉗子マニピュレータと、
　所定の目標屈曲方向及び目標屈曲角度に従って前記鉗子先端部が屈曲するように、前記駆動部を制御する制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、
　　前記操作部により指示された前記屈曲角度を目標屈曲角度として設定し、
　　前記操作部により指示された前記屈曲方向と、前記第１検出部により検出された前記角度とに基づいて、目標屈曲方向を設定する、
　鉗子システム。
　前記駆動部は、空気圧により前記駆動力を発生し、
　前記駆動力の実績値を検出する第２検出部をさらに備え、
　前記制御部は、
　　前記鉗子先端部の前記屈曲方向及び前記屈曲角度と、前記鉗子先端部への駆動力との対応関係を予め保持しており、
　　前記対応関係に基づいて、前記目標屈曲方向及び前記目標屈曲角度から、前記駆動力の目標値を求め、
　　前記駆動力の目標値と、前記第２検出部により検出された前記駆動力の実績値とに基づいて、前記駆動部を制御する
　請求項１に記載の鉗子システム。
　前記鉗子先端部、前記駆動伝達部および前記駆動部は、前記鉗子マニピュレータから自在に着脱可能に構成されている、
　請求項１又は２に記載の鉗子システム。
前記鉗子先端部は、前記屈曲方向と前記屈曲角度との２自由度での屈曲を可能とする柔軟関節を有する、
　請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の鉗子システム。