手術用マニピュレータ及び手術用マニピュレータシステム
【課題】 少ないアクチュエータの数でワイヤの張力調整を行うこと。
【解決手段】 手術用マニピュレータ１１は、その先端側でピッチ方向に回転可能な支持体１９と、ヨー方向にそれぞれ独立して回転可能となるように支持体１９に支持された第１及び第２の先端プーリ２１，２２と、プーリ２１，２２にそれぞれ一体化された第１及び第２のブレード２４，２５と、第１のプーリ２１に固定された第１及び第２のワイヤ５１，５２と、第２のプーリ２２に固定された第３及び第４のワイヤ５３，５４と、第１〜第４のワイヤ５１〜５４を押し引きする第１〜第４のモータ５６〜５９とを備えている。第１及び第２のワイヤ５１，５２は、引張力が作用したときに、相反する方向に第１の先端プーリ２１を回転させ、第３及び第４のワイヤ５３，５４は、引張力が作用したときに、相反する方向に第１の先端プーリ２２を回転させる。
【解決手段】 手術用マニピュレータ１１は、その先端側でピッチ方向に回転可能な支持体１９と、ヨー方向にそれぞれ独立して回転可能となるように支持体１９に支持された第１及び第２の先端プーリ２１，２２と、プーリ２１，２２にそれぞれ一体化された第１及び第２のブレード２４，２５と、第１のプーリ２１に固定された第１及び第２のワイヤ５１，５２と、第２のプーリ２２に固定された第３及び第４のワイヤ５３，５４と、第１〜第４のワイヤ５１〜５４を押し引きする第１〜第４のモータ５６〜５９とを備えている。第１及び第２のワイヤ５１，５２は、引張力が作用したときに、相反する方向に第１の先端プーリ２１を回転させ、第３及び第４のワイヤ５３，５４は、引張力が作用したときに、相反する方向に第１の先端プーリ２２を回転させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤの牽引によって先端側が動作する手術用マニピュレータ及び手術用マニピュレータシステムに係り、更に詳しくは、少ないアクチュエータで前記ワイヤの張力調整が可能になる手術用マニピュレータ及び手術用マニピュレータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、患者の精神的負担や身体的負担を軽減する低侵襲手術が注目されている。この低侵襲手術は、内視鏡と、メスや鉗子等の手術器具とを皮膚組織に開けられた穴から体内の患部に向けて挿入し、手術者である医師が内視鏡画像をモニターで見ながら、体外側から前記手術器具を遠隔操作することにより、患部の処置を行う手術である。近時においては、ロボット技術を駆使して前記手術器具を高精度に動作させるマニピュレータが研究開発されている。
【０００３】
ここで、前記マニピュレータとしては、ワイヤを使って先端側の手術器具に所定動作を行わせるワイヤ式の伝達機構を備えたものが知られている（特許文献１参照）。この伝達機構は、鉗子として機能する先端側のエンドエフェクタと、エンドエフェクタに連なる筒体と、エンドエフェクタの動力源となるモータと、当該モータの駆動軸に連動して回転するプーリと、前記筒体及びプーリに掛け回されるワイヤとからなる。この伝達機構では、モータが回転すると、プーリの回転によりワイヤを介して筒体が回転する。従って、当該筒体の回転に連動してエンドエフェクタが所定の動作をすることになる。ここで、エンドエフェクタの１自由度の動作につきモータ１個が必要となり、前記特許文献１のマニピュレータは、エンドエフェクタが３自由度で動作可能になっていることから、ワイヤ３本の動作をモータ３個の駆動で行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−５０２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１のマニピュレータにあっては、エンドエフェクタで硬いものを把持したような場合等、ワイヤに強い引張力が作用すると、当該ワイヤが弾性により伸長変形してしまうという不都合がある。このようにワイヤが伸長変形すると、当該ワイヤが当初よりも弛みが生じた状態でプーリ及び筒体に掛け回されることになるため、所望の出力でモータを駆動させても、予め設定されたエンドエフェクタの目標動作量が得られず、エンドエフェクタを高精度に動作させられなくなる。従って、このような場合には、マニピュレータを分解して新たなワイヤに交換する煩雑な作業が必要になる。
【０００６】
ところで、モータに連動するプーリにワイヤを掛け回さずに、エンドエフェクタが連なる筒体に掛け回されたワイヤの両端それぞれに、モータを取り付ければ、当該モータでワイヤを直接引っ張ることができ、ワイヤを交換することなくワイヤの張力調整が可能になる。しかしながら、このようにすると、エンドエフェクタの１自由度の動作につき、２個のモータが必要になり、エンドエフェクタが３自由度で動作する前記マニピュレータでは、モータが合計６個必要になる。従って、当該モータが前記特許文献１の構造に対して倍増してしまい、装置全体の大型化及び機構の複雑化を招来することになる。
【０００７】
本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、少ないアクチュエータの数でワイヤの張力調整を行うことができる手術用マニピュレータ及び手術用マニピュレータシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、先端側に位置して所定の動作をする先端部と、当該先端部を支持する本体と、前記先端部を動作させる駆動手段とを備えた手術用マニピュレータにおいて、
前記先端部は、ピッチ方向に回転可能となるように前記本体に連結された支持体と、ヨー方向にそれぞれ独立して回転可能となるように前記支持体に支持された第１及び第２の回転体と、前記第１の回転体に一体化された第１のブレードと、前記第２の回転体に一体化された第２のブレードとを備え、
前記駆動手段は、前記第１の回転体に固定された第１及び第２のワイヤと、前記第２の回転体に固定された第３及び第４のワイヤと、前記第１のワイヤをその延出方向に移動させる第１のアクチュエータと、前記第２のワイヤをその延出方向に移動させる第２のアクチュエータと、前記第３のワイヤをその延出方向に移動させる第３のアクチュエータと、前記第４のワイヤをその延出方向に移動させる第４のアクチュエータとを備え、
前記第１及び第２のワイヤは、何れか一方に引張力が作用したときと、何れか他方に引張力が作用したときとで、前記第１の回転体を相互に逆方向に回転させるように配置され、
前記第３及び第４のワイヤは、何れか一方に引張力が作用したときと、何れか他方に引張力が作用したときとで、前記第２の回転体を相互に逆方向に回転させるように配置され、
前記第１〜第４のアクチュエータが、前記第１〜第４のワイヤを選択的に押し引きするように駆動することで、前記第１及び第２のブレードが相互に離間接近する開閉動作と、前記第１及び第２のブレードが一体的にヨー方向に回転する横回転動作と、前記第１及び第２のブレードが一体的にピッチ方向に回転する縦回転動作とからなる動作のうちの何れが生じる構造を有する、という構成を採っている。
【０００９】
（２）また、引張力が、前記第１及び第４のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第２及び第３のワイヤのみに作用すると、前記開閉動作が生じ、
引張力が、前記第１及び第３のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第２及び第４のワイヤのみに作用すると、前記横回転動作が生じ、
引張力が、前記第１及び第２のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第３及び第４のワイヤのみに作用すると、前記縦回転動作が生じる構造を有する、という構成を採っている。
【００１０】
（３）更に、本発明は、前記手術用マニピュレータを用いた手術用マニピュレータシステムであって、
前記手術用マニピュレータと、当該手術用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記駆動手段は、前記第１〜第４のワイヤと前記第１〜第４のアクチュエータとの間にそれぞれ設けられて前記各ワイヤの張力を測定する張力センサを更に備え、
前記制御装置は、前記張力センサで測定された各ワイヤの張力値が不適切な場合に、前記アクチュエータの駆動を制御して、前記各ワイヤを適切な張力値に調整する張力調整部を含む、という構成を採っている。
【００１１】
（４）また、本発明は、前記手術用マニピュレータを用いた手術用マニピュレータシステムであって、
前記手術用マニピュレータと、当該手術用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記駆動手段は、前記第１〜第４のワイヤと前記第１〜第４のアクチュエータとの間にそれぞれ設けられて前記各ワイヤの張力を測定する張力センサを更に備え、
前記制御装置は、前記先端部の動作の目標値が入力される入力部と、当該入力部からの目標値に応じて前記第１〜第４のアクチュエータの駆動を制御する動作制御部とを備え、
前記動作制御部は、前記張力センサで測定した前記各ワイヤの張力値から当該各ワイヤの伸長変形量を求め、当該伸長変形量に基づき、前記目標値に応じて決定された前記各アクチュエータの出力を補正する補正機能を含む、という構成を採っている。
【００１２】
なお、本明細書及び本特許請求の範囲において、「ピッチ軸」とは、図４の姿勢におけるブレード２４，２５が同図中上下方向に回転運動するための支点となる軸を意味し、当該軸回りの回転方向を「ピッチ方向」と称する。「ヨー軸」とは、図４の姿勢におけるブレード２４，２５が同図中紙面直交方向に回転運動するための支点となる軸を意味し、当該軸回りの回転方向を「ヨー方向」と称する。
【００１３】
また、本明細書及び本特許請求の範囲において、特に明記しない限り、「前」若しくは「先」とは、患部の処置をする器具が存在する手術用マニピュレータの一端側を意味し、「後」とは、その反対側を意味する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の手術用マニピュレータの構造では、第１及び第２のブレードを動作させるための第１及び第２の回転体にワイヤがそれぞれ２本ずつ固定されており、そのうちの１本を動かさずに他の１本をアクチュエータで引っ張ることで、各ワイヤの張力調整を行うことができる。従って、４個のアクチュエータで、先端部の３自由度の動作と各ワイヤの張力調整とを行うことができ、ワイヤの張力調整を実現するために増加させるアクチュエータ数を抑えることができ、装置全体の大型化や機構の複雑化を回避することが可能になる。
【００１５】
特に、前記（４）の構成によれば、先端部の動作中にワイヤが伸長変形した場合でも、当該ワイヤの変形量を考慮して各アクチュエータの出力が補正されるため、ワイヤの伸長変形に拘らず、操作者が操作した通りに先端部を正確に動作させることができ、当該動作精度を均一に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る手術用マニピュレータシステムの概略構成を表すブロック図。
【図２】手術用マニピュレータの概略斜視図。
【図３】前記手術用マニピュレータの先端側部位の拡大斜視図。
【図４】前記先端側部位の一部断面側面図。
【図５】前記先端側部位の一部断面平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１には、本実施形態に係る手術用マニピュレータシステムの概略構成を表すブロック図で示されている。この図において、前記手術用マニピュレータシステム１０は、操作者からの指令に基づいて先端側部位が動作する手術用マニピュレータ１１と、この手術用マニピュレータ１１の動作を制御する制御装置１２とを備えて構成されている。
【００１９】
本実施形態において、前記手術用マニピュレータ１１は、先端側部位が鉗子として動作可能な鉗子ロボットとして機能する。この手術用マニピュレータ１１は、図２に示されるように、先端側に位置して所定の動作をする先端部１４と、当該先端部１４を支持する本体１５と、先端部１４を動作させる駆動手段１７とを備えて構成されている。
【００２０】
前記先端部１４は、図３〜図５に示されるように、ピッチ方向に相対回転可能となるように本体１５の先端側に連結された支持体１９と、ヨー方向にそれぞれ独立して回転可能となるように支持体１９に支持された第１及び第２の回転体としての第１及び第２の先端プーリ２１，２２と、第１の先端プーリ２１に一体化されて当該第１の先端プーリ２１に連動する第１のブレード２４と、第２の先端プーリ２２に一体化されて当該第２の先端プーリ２２に連動する第２のブレード２５とを備えている。
【００２１】
前記支持体１９は、図４中側面視ほぼコ字状のフレーム２７と、当該フレーム２７に固定され、各先端プーリ２１，２２及び各ブレード２４，２５を支持する支持軸２８とからなる。
【００２２】
前記フレーム２７は、図４中上下両側に相対配置された一対の自由端部３０，３０と、これら自由端部３０，３０の後端間に連なる基端部３１とからなる。
【００２３】
前記支持軸２８は、その両端側が各自由端部３０，３０の相対面となる内面に相対回転しないように固定されており、各自由端部３０，３０間に形成される空間内において、図４中上下方向に延びるヨー軸Ｙに沿って配置される。
【００２４】
前記第１及び第２の先端プーリ２１，２２は、それぞれ各自由端部３０，３０に近接する図４中上下位置で支持軸２８に相対回転可能に支持されている。
【００２５】
前記第１のブレード２４は、長片状の先端部分２４Ａと、先端部分２４Ａの後端側に連なる円盤状の基端部分２４Ｂとからなる。基端部分２４Ｂは、第１の先端プーリ２１の図４中下端側に相対回転しないように固定されるとともに、支持軸２８に相対回転可能に支持されている。従って、第１の先端プーリ２１が支持軸２８を中心に回転すると、第１のブレード２４の先端部分２４Ａは、支持軸２８（ヨー軸Ｙ）回りに回転動作し、図４中紙面直交方向となるヨー方向に回転変位することになる。
【００２６】
前記第２のブレード２５は、図５に示されるように、第１のブレード２４の先端部分２４Ａと同一形状で並列に対称配置された先端部分２５Ａと、先端部分２５Ａの後端側に連なる円盤状の基端部分２５Ｂとからなる。基端部分２５Ｂは、図４に示されるように、第１のブレード２４の基端部分２４Ｂと第２の先端プーリ２２との間に配置され、当該第２の先端プーリ２２に対して回転しないように固定されるとともに、支持軸２８に相対回転可能に支持されている。従って、第２の先端プーリ２２が支持軸２８を中心に回転すると、第２のブレード２５の先端部分２５Ａは、第１のブレード２５と同様に、ヨー方向に回転変位することになる。
【００２７】
前記本体１５は、図２及び図３に示されるように、丸棒状のロッド３３と、当該ロッド３３の先端側に設けられ、前記先端部１４に動力を伝達するための伝達機構３４とを備えている。
【００２８】
前記ロッド３３は、内部空間Ｓが形成された中空の筒状となっており、その先端側には、相対する一対の連結片３６，３６が先端部１４に向かって突出するように設けられている。
【００２９】
前記伝達機構３４は、連結片３６，３６の間における図５中左右２箇所に掛け渡された２本の軸部材３８，３９と、先端側に位置する軸部材３８に相対回転しないように固定支持された４個の中間プーリ４１，４２，４３，４４と、後側の軸部材３９に相対回転しないよう固定支持された不能に支持された４個の後側プーリ４６，４７，４８，４９とを備えている。
【００３０】
各軸部材３８，３９は、図５中上下方向に延びるピッチ軸Ｐに沿って配置されている。ここで、先端側の軸部材３８には、中間プーリ４１，４２と中間プーリ４３，４４との間に、支持体１９の基端部３１が相対回転可能に支持されている。このため、支持体１９は、先端側の軸部材３８の軸線となるピッチ軸Ｐの回りに回転動作可能に本体１５に連結されることになり、当該回転運動により、先端部１４全体が、本体１５に対して図５中紙面直交方向すなわちピッチ方向に回転変位するようになっている。
【００３１】
前記駆動手段１７は、第１の先端プーリ２１に固定された第１及び第２のワイヤ５１，５２と、第２の先端プーリ２２に固定された第３及び第４のワイヤ５３，５４と、第１のワイヤ５１に繋がる第１のアクチュエータとしての第１のモータ５６と、第２のワイヤ５２に繋がる第２のアクチュエータとしての第２のモータ５７と、第３のワイヤ５３に繋がる第３のアクチュエータとしての第３のモータ５８と、第４のワイヤ５４に繋がる第４のアクチュエータとしての第４のモータ５９と、第１〜第４のワイヤ５１〜５４と第１〜第４のモータ５６〜５９との間にそれぞれ設けられ、各ワイヤ５１〜５４の張力を測定する張力センサ６２とを備えている。
【００３２】
前記第１〜第４のワイヤ５１〜５４は、先端部１４から内部空間Ｓを通って各モータ５６〜５９に繋がっている。
【００３３】
前記第１及び第２のワイヤ５１，５２は、その一端側が第１の先端プーリ２１の最先端側に位置する固定部６６で固定されている。また、前記第３及び第４のワイヤ５３，５４は、その一端側が第２の先端プーリ２２の最先端側に位置する固定部６７で固定されている。
【００３４】
ここで、第１のワイヤ５１は、図５に示されるように、第１の先端プーリ２１における第１のブレード２４側の周面に掛け回された上で、図５中上から３番目の中間プーリ４３における同図中表側の周面に相対移動可能に掛け回されるとともに、同図中上から３番目の後側プーリ４８における同図中裏側の周面に相対移動可能に掛け回されて、他端側が第１のモータ５６に繋がる。
【００３５】
また、第２のワイヤ５２は、第１の先端プーリ２１における第２のブレード２５側の半周面に掛け回された上で、図５中上から１番目の中間プーリ４１における同図中表側の半周面に相対移動可能に掛け回されるとともに、同図中上から１番目の後側プーリ４６における同図中裏側の周面に相対移動可能に掛け回されて、他端側が第２のモータ５７に繋がる。
【００３６】
更に、第３のワイヤ５３は、図５中裏側の第２の先端プーリ２２における第１のブレード２４側の周面に掛け回された上で、図５中上から４番目の中間プーリ４４の同図中裏側の周面に相対移動可能に掛け回されるとともに、同図中上から４番目の後側プーリ４９の同図中表側の周面に相対移動可能に掛け回されて、他端側が第３のモータ５８に繋がる。
【００３７】
また、第４のワイヤ５４は、第２の先端プーリ２２における第２のブレード２５側の周面に掛け回された上で、図５中上から２番目の中間プーリ４２における同図中裏側の周面に相対移動可能に掛け回されるとともに、同図中上から２番目の後側プーリ４７における同図中表側の周面に相対移動可能に掛け回されて、他端側が第４のモータ５９に繋がる。
【００３８】
前記第１〜第４のモータ５６〜５９は、直動式モータであり、図２に示されるように、手術用マニピュレータ１１の後端側にまとめて設けられている。これらモータ５６〜５９は、制御装置１２による駆動制御に基づき、各ワイヤ５１〜５４を延出方向に移動させるようになっている。
【００３９】
なお、各ワイヤ５１〜５４を押し引きできる限りにおいて、第１〜第４のモータ５６〜５９の代わりに、他のアクチュエータを採用することもできる。
【００４０】
前記張力センサ６２は、使用前に各ワイヤ５１〜５４の張力を測定し、当該測定値を制御装置１２に送るようになっている。
【００４１】
前記制御装置１２は、ハードウェア及びソフトウェアによって構成され、ＣＰＵ等の演算処理装置、メモリやハードディスク等の記憶装置、及びこれら各装置を機能させるプログラムモジュール等から成り立っている。具体的に、制御装置１２は、先端部１４の動作の目標値が入力される入力部６９と、当該入力部６９からの目標値に応じて各モータ５６〜５９の駆動を制御する動作制御部７０と、各張力センサ６２で測定された各ワイヤ５１〜５４の張力値が不適切な場合に、各モータ５６〜５９の駆動を制御することで、各ワイヤ５１〜５４を適切な張力値に調整する張力調整部７１とを備えている。
【００４２】
次に、前記手術用マニピュレータ１０の動作について説明する。
【００４３】
第１及び第２のモータ５６，５７により、第１及び第２のワイヤ５１，５２が同速度で後側に引かれると、当該各ワイヤ５１，５２がそれぞれ固定された図４中上側の第１の先端プーリ２１が同図中右下方向への引張力が作用する。これにより、先端部１４は、先端側の軸部材３８を支点として図４中時計回りに回転変位する。なお、この際、第３及び第４のワイヤ５３，５４は、第３及び第４のモータ５８，５９により、同速度で前側に押される。
【００４４】
逆に、第３及び第４のモータ５８，５９により、第３及び第４のワイヤ５３，５４が同速度で後側に引かれると、当該各ワイヤ５３，５４が固定された図４中下側の第２の先端プーリ２２が同図中右上方向への引張力が作用する。これにより、先端部１４は、前述と逆に、軸部材３８を支点として図４中半時計回りに回転変位する。なお、この際、第１及び第２のワイヤ５１，５２は、第１及び第２のモータ５６，５７により、同速度で前側に押される。
【００４５】
すなわち、引張力が、第１及び第２のワイヤ５１，５２のみに作用し、若しくは、第３及び第４のワイヤ５３，５４のみに作用すると、第１及び第２のブレード２４，２５が一体的にピッチ方向に回転する縦回転動作が生じることになる。
【００４６】
また、第１及び第２のモータ５６，５７により、第１又は第２のワイヤ５１，５２の何れか一方のみが後側に引かれると、第１のブレード２４が支持軸２８を支点としてヨー方向に回転動作する。すなわち、第１のワイヤ５１が後側に引かれる一方で、第２のワイヤ５２が第１のワイヤ５１と同速度で前側に押されると（以下、これらワイヤ５１，５２の動きを「ワイヤ牽引パターンＡ」と称する。）、第１の先端プーリ２１が図５中半時計回りに回転する。これにより、第１の先端プーリ２１に連なる第１のブレード２４も、同図中半時計回りに回転動作することになる。逆に、第１のワイヤ５１が前側に押される一方で、第２のワイヤ５２が第１のワイヤ５１と同速度で後側に引かれると（以下、これらワイヤ５１，５２の動きを「ワイヤ牽引パターンＢ」と称する。）、第１のブレード２４は、ワイヤ牽引パターンＡの場合と逆回りとなる図５中時計回りに回転動作することになる。
【００４７】
同様に、第３及び第４のモータ５８，５９により、第３又は第４のワイヤ５３，５４の何れか一方のみが後側に引かれると、第２のブレード２５が支持軸２８を支点としてヨー方向に回転動作する。すなわち、第３のワイヤ５３が後側に引かれる一方で、第４のワイヤ５４が第１のワイヤ５１と同速度で前側に押されると（以下、これらワイヤ５３，５４の動きを「ワイヤ牽引パターンＣ」と称する。）、第２の先端プーリ２２が図５中半時計回りに回転する。これにより、第２の先端プーリ２２に連なる第２のブレード２５も、同図中半時計回りに回転動作することになる。逆に、第３のワイヤ５３が前側に押される一方で第４のワイヤ５４が第３のワイヤ５３と同速度で後側に引かれると（以下、これらワイヤ５３，５４の動きを「ワイヤ牽引パターンＤ」と称する。）、第２のブレード２５は、ワイヤ牽引パターンＣの場合と逆回りとなる図５中時計回りに回転動作することになる。
【００４８】
従って、前記ワイヤ牽引パターンＡ及びＤで、第１〜第４のワイヤ５１〜５４が動作すると、第１及び第２のブレード２４，２５は、それらの先端部分２４Ａ，２５Ａが接近する方向に回転変位することになり、各ブレード２４，２５による閉塞動作が行えることになる。逆に、前記ワイヤ牽引パターンＢ及びＣで、第１〜第４のワイヤ５１〜５４が動作すると、第１及び第２のブレード２４，２５は、それら先端部分２４Ａ，２５Ａが離間する方向に回転変位することになり、各ブレード２４，２５による開放動作が行えることになる。つまり、引張力が、第１及び第４のワイヤ５１，５４のみに作用し、若しくは、第２及び第３のワイヤ５２，５３のみに作用すると、各ブレード２４，２５の開閉動作が生じることになる。
【００４９】
更に、前記ワイヤ牽引パターンＡ及びＣで、第１〜第４のワイヤ５１〜５４が相互に同速度で動作すると、第１及び第２のブレード２４，２５は、共に、支持軸２８を支点として図５中半時計回りに回転変位する。逆に、前記ワイヤ牽引パターンＢ及びＤで、第１〜第４のワイヤ５１〜５４が相互に同速度で動作すると、第１及び第２のブレード２４，２５は、共に、支持軸２８を支点として図５中時計回りに回転変位する。つまり、引張力が、第１及び第３のワイヤ５１，５３のみに作用し、若しくは、第２及び第４のワイヤ５２，５４のみに引張力を作用すると、第１及び第２のブレード２４，２５が一体的にヨー方向に回転する横回転動作が生じることになる。
【００５０】
先端部１４における以上の動作は、制御装置１２の入力部６９に入力された目標値、すなわち、先端部１４全体のピッチ軸Ｐ回りの回転角度の目標値、先端部１４全体のヨー軸Ｙ回りの回転角度の目標値、及び各ブレード２４，２５のヨー軸Ｙ回りの回転角度の目標値から、動作制御部７０で、各ワイヤ５１〜５４の動作方向が定められ、その動作量が算出され、当該動作が得られるように各モータ５６〜５９の駆動が制御される。
【００５１】
また、使用前においては、制御装置１２の張力調整部７１で各ワイヤ５１〜５４の張力調整が行われる。すなわち、図示しない治具等を使い、各ブレード２４，２５を閉塞状態にして先端部１４を基準の姿勢を保持した上で、張力センサ６２により各ワイヤ５１〜５４の張力がそれぞれ測定され、当該測定値が張力調整部７１に送られる。すると、張力調整部７１では、各ワイヤ５１〜５４の張力の測定値が予め設定した基準範囲内にないときに、該当するワイヤ５１〜５４の張力が前記基準範囲内になるように、対応するモータ５６〜５９の駆動が制御され、該当するワイヤ５１〜５４が前後方向に引っ張られ、或いは、弛められる。
【００５２】
従って、このような実施形態によれば、先端部１４を３自由度で動作させるための第１〜第４のモータ５６〜５９を使うことで、使用前に各ワイヤ５１〜５４の張力が適正になるように自動調整することができる。この結果、先端部１４の動作に加え、ワイヤ５１〜５４の張力の自動調整を行うために増やすアクチュエータ数を抑制できるという効果を得る。
【００５３】
なお、前記実施形態の制御装置１２では、先端部１４に大きな力が作用し、各ワイヤ５１〜５４が弾性により伸長変形したときに、各ワイヤ５１〜５４の張力を調整可能にしているが、制御装置１２の変形例として、各ワイヤ５１〜５４の伸長変形量をフックの法則により求め、当該伸長変形量を考慮して、各モータ５６〜５９の出力を補正するようにしてもよい。
【００５４】
すなわち、本変形例では、前記実施形態に対し、張力調整部７１を省略し、動作制御部７０に、次の補正機能を付加している。この補正機能は、張力センサ６２で測定した各ワイヤ５１〜５４の張力値から、当該各ワイヤ５１〜５４の伸長変形量を求め、当該伸長変形量に基づき、入力部６９からの目標値に対して求めた各ワイヤ５１〜５４の動作量を補正し、各モータ５６〜５９の出力を補正する機能となっている。すなわち、この補正機能では、張力センサ６２からの張力値が逐次取得され、当該測定された張力値と当初設定した各ワイヤ５１〜５４の張力値との差分を、各ワイヤ５１〜５４それぞれに対して設定された弾性係数で除算することで、各ワイヤ５１〜５４の伸長変形量が求められる。そして、当該伸長変形量が、入力部６９からの目標値に対して求めた各ワイヤ５１〜５４の動作量に加えられることで、当該動作量が補正され、補正後の各ワイヤ５１〜５４の動作量が得られるように、前記各モータ５６〜５９の駆動が制御される。
【００５５】
なお、本発明は、先端側に位置する一対の部材が離間接近する開閉動作を行う手術器具、例えば、把持鉗子や止血鉗子等の鉗子類の他、剪刀、持針器等の機能を有する手術用マニピュレータにも適用可能である。
【００５６】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 手術用マニピュレータシステム
１１ 手術用マニピュレータ
１２ 制御装置
１４ 先端部
１５ 本体
１７ 駆動手段
１９ 支持体
２１ 第１の先端プーリ（第１の回転体）
２２ 第２の先端プーリ（第２の回転体）
２４ 第１のブレード
２５ 第２のブレード
５１ 第１のワイヤ
５２ 第２のワイヤ
５３ 第３のワイヤ
５４ 第４のワイヤ
５６ 第１のモータ（第１のアクチュエータ）
５７ 第２のモータ（第２のアクチュエータ）
５８ 第３のモータ（第３のアクチュエータ）
５９ 第４のモータ（第４のアクチュエータ）
６２ 張力センサ
６９ 入力部
７０ 動作制御部
７１ 張力調整部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤの牽引によって先端側が動作する手術用マニピュレータ及び手術用マニピュレータシステムに係り、更に詳しくは、少ないアクチュエータで前記ワイヤの張力調整が可能になる手術用マニピュレータ及び手術用マニピュレータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、患者の精神的負担や身体的負担を軽減する低侵襲手術が注目されている。この低侵襲手術は、内視鏡と、メスや鉗子等の手術器具とを皮膚組織に開けられた穴から体内の患部に向けて挿入し、手術者である医師が内視鏡画像をモニターで見ながら、体外側から前記手術器具を遠隔操作することにより、患部の処置を行う手術である。近時においては、ロボット技術を駆使して前記手術器具を高精度に動作させるマニピュレータが研究開発されている。
【０００３】
ここで、前記マニピュレータとしては、ワイヤを使って先端側の手術器具に所定動作を行わせるワイヤ式の伝達機構を備えたものが知られている（特許文献１参照）。この伝達機構は、鉗子として機能する先端側のエンドエフェクタと、エンドエフェクタに連なる筒体と、エンドエフェクタの動力源となるモータと、当該モータの駆動軸に連動して回転するプーリと、前記筒体及びプーリに掛け回されるワイヤとからなる。この伝達機構では、モータが回転すると、プーリの回転によりワイヤを介して筒体が回転する。従って、当該筒体の回転に連動してエンドエフェクタが所定の動作をすることになる。ここで、エンドエフェクタの１自由度の動作につきモータ１個が必要となり、前記特許文献１のマニピュレータは、エンドエフェクタが３自由度で動作可能になっていることから、ワイヤ３本の動作をモータ３個の駆動で行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−５０２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１のマニピュレータにあっては、エンドエフェクタで硬いものを把持したような場合等、ワイヤに強い引張力が作用すると、当該ワイヤが弾性により伸長変形してしまうという不都合がある。このようにワイヤが伸長変形すると、当該ワイヤが当初よりも弛みが生じた状態でプーリ及び筒体に掛け回されることになるため、所望の出力でモータを駆動させても、予め設定されたエンドエフェクタの目標動作量が得られず、エンドエフェクタを高精度に動作させられなくなる。従って、このような場合には、マニピュレータを分解して新たなワイヤに交換する煩雑な作業が必要になる。
【０００６】
ところで、モータに連動するプーリにワイヤを掛け回さずに、エンドエフェクタが連なる筒体に掛け回されたワイヤの両端それぞれに、モータを取り付ければ、当該モータでワイヤを直接引っ張ることができ、ワイヤを交換することなくワイヤの張力調整が可能になる。しかしながら、このようにすると、エンドエフェクタの１自由度の動作につき、２個のモータが必要になり、エンドエフェクタが３自由度で動作する前記マニピュレータでは、モータが合計６個必要になる。従って、当該モータが前記特許文献１の構造に対して倍増してしまい、装置全体の大型化及び機構の複雑化を招来することになる。
【０００７】
本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、少ないアクチュエータの数でワイヤの張力調整を行うことができる手術用マニピュレータ及び手術用マニピュレータシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、先端側に位置して所定の動作をする先端部と、当該先端部を支持する本体と、前記先端部を動作させる駆動手段とを備えた手術用マニピュレータにおいて、
前記先端部は、ピッチ方向に回転可能となるように前記本体に連結された支持体と、ヨー方向にそれぞれ独立して回転可能となるように前記支持体に支持された第１及び第２の回転体と、前記第１の回転体に一体化された第１のブレードと、前記第２の回転体に一体化された第２のブレードとを備え、
前記駆動手段は、前記第１の回転体に固定された第１及び第２のワイヤと、前記第２の回転体に固定された第３及び第４のワイヤと、前記第１のワイヤをその延出方向に移動させる第１のアクチュエータと、前記第２のワイヤをその延出方向に移動させる第２のアクチュエータと、前記第３のワイヤをその延出方向に移動させる第３のアクチュエータと、前記第４のワイヤをその延出方向に移動させる第４のアクチュエータとを備え、
前記第１及び第２のワイヤは、何れか一方に引張力が作用したときと、何れか他方に引張力が作用したときとで、前記第１の回転体を相互に逆方向に回転させるように配置され、
前記第３及び第４のワイヤは、何れか一方に引張力が作用したときと、何れか他方に引張力が作用したときとで、前記第２の回転体を相互に逆方向に回転させるように配置され、
前記第１〜第４のアクチュエータが、前記第１〜第４のワイヤを選択的に押し引きするように駆動することで、前記第１及び第２のブレードが相互に離間接近する開閉動作と、前記第１及び第２のブレードが一体的にヨー方向に回転する横回転動作と、前記第１及び第２のブレードが一体的にピッチ方向に回転する縦回転動作とからなる動作のうちの何れが生じる構造を有する、という構成を採っている。
【０００９】
（２）また、引張力が、前記第１及び第４のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第２及び第３のワイヤのみに作用すると、前記開閉動作が生じ、
引張力が、前記第１及び第３のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第２及び第４のワイヤのみに作用すると、前記横回転動作が生じ、
引張力が、前記第１及び第２のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第３及び第４のワイヤのみに作用すると、前記縦回転動作が生じる構造を有する、という構成を採っている。
【００１０】
（３）更に、本発明は、前記手術用マニピュレータを用いた手術用マニピュレータシステムであって、
前記手術用マニピュレータと、当該手術用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記駆動手段は、前記第１〜第４のワイヤと前記第１〜第４のアクチュエータとの間にそれぞれ設けられて前記各ワイヤの張力を測定する張力センサを更に備え、
前記制御装置は、前記張力センサで測定された各ワイヤの張力値が不適切な場合に、前記アクチュエータの駆動を制御して、前記各ワイヤを適切な張力値に調整する張力調整部を含む、という構成を採っている。
【００１１】
（４）また、本発明は、前記手術用マニピュレータを用いた手術用マニピュレータシステムであって、
前記手術用マニピュレータと、当該手術用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記駆動手段は、前記第１〜第４のワイヤと前記第１〜第４のアクチュエータとの間にそれぞれ設けられて前記各ワイヤの張力を測定する張力センサを更に備え、
前記制御装置は、前記先端部の動作の目標値が入力される入力部と、当該入力部からの目標値に応じて前記第１〜第４のアクチュエータの駆動を制御する動作制御部とを備え、
前記動作制御部は、前記張力センサで測定した前記各ワイヤの張力値から当該各ワイヤの伸長変形量を求め、当該伸長変形量に基づき、前記目標値に応じて決定された前記各アクチュエータの出力を補正する補正機能を含む、という構成を採っている。
【００１２】
なお、本明細書及び本特許請求の範囲において、「ピッチ軸」とは、図４の姿勢におけるブレード２４，２５が同図中上下方向に回転運動するための支点となる軸を意味し、当該軸回りの回転方向を「ピッチ方向」と称する。「ヨー軸」とは、図４の姿勢におけるブレード２４，２５が同図中紙面直交方向に回転運動するための支点となる軸を意味し、当該軸回りの回転方向を「ヨー方向」と称する。
【００１３】
また、本明細書及び本特許請求の範囲において、特に明記しない限り、「前」若しくは「先」とは、患部の処置をする器具が存在する手術用マニピュレータの一端側を意味し、「後」とは、その反対側を意味する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の手術用マニピュレータの構造では、第１及び第２のブレードを動作させるための第１及び第２の回転体にワイヤがそれぞれ２本ずつ固定されており、そのうちの１本を動かさずに他の１本をアクチュエータで引っ張ることで、各ワイヤの張力調整を行うことができる。従って、４個のアクチュエータで、先端部の３自由度の動作と各ワイヤの張力調整とを行うことができ、ワイヤの張力調整を実現するために増加させるアクチュエータ数を抑えることができ、装置全体の大型化や機構の複雑化を回避することが可能になる。
【００１５】
特に、前記（４）の構成によれば、先端部の動作中にワイヤが伸長変形した場合でも、当該ワイヤの変形量を考慮して各アクチュエータの出力が補正されるため、ワイヤの伸長変形に拘らず、操作者が操作した通りに先端部を正確に動作させることができ、当該動作精度を均一に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る手術用マニピュレータシステムの概略構成を表すブロック図。
【図２】手術用マニピュレータの概略斜視図。
【図３】前記手術用マニピュレータの先端側部位の拡大斜視図。
【図４】前記先端側部位の一部断面側面図。
【図５】前記先端側部位の一部断面平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１には、本実施形態に係る手術用マニピュレータシステムの概略構成を表すブロック図で示されている。この図において、前記手術用マニピュレータシステム１０は、操作者からの指令に基づいて先端側部位が動作する手術用マニピュレータ１１と、この手術用マニピュレータ１１の動作を制御する制御装置１２とを備えて構成されている。
【００１９】
本実施形態において、前記手術用マニピュレータ１１は、先端側部位が鉗子として動作可能な鉗子ロボットとして機能する。この手術用マニピュレータ１１は、図２に示されるように、先端側に位置して所定の動作をする先端部１４と、当該先端部１４を支持する本体１５と、先端部１４を動作させる駆動手段１７とを備えて構成されている。
【００２０】
前記先端部１４は、図３〜図５に示されるように、ピッチ方向に相対回転可能となるように本体１５の先端側に連結された支持体１９と、ヨー方向にそれぞれ独立して回転可能となるように支持体１９に支持された第１及び第２の回転体としての第１及び第２の先端プーリ２１，２２と、第１の先端プーリ２１に一体化されて当該第１の先端プーリ２１に連動する第１のブレード２４と、第２の先端プーリ２２に一体化されて当該第２の先端プーリ２２に連動する第２のブレード２５とを備えている。
【００２１】
前記支持体１９は、図４中側面視ほぼコ字状のフレーム２７と、当該フレーム２７に固定され、各先端プーリ２１，２２及び各ブレード２４，２５を支持する支持軸２８とからなる。
【００２２】
前記フレーム２７は、図４中上下両側に相対配置された一対の自由端部３０，３０と、これら自由端部３０，３０の後端間に連なる基端部３１とからなる。
【００２３】
前記支持軸２８は、その両端側が各自由端部３０，３０の相対面となる内面に相対回転しないように固定されており、各自由端部３０，３０間に形成される空間内において、図４中上下方向に延びるヨー軸Ｙに沿って配置される。
【００２４】
前記第１及び第２の先端プーリ２１，２２は、それぞれ各自由端部３０，３０に近接する図４中上下位置で支持軸２８に相対回転可能に支持されている。
【００２５】
前記第１のブレード２４は、長片状の先端部分２４Ａと、先端部分２４Ａの後端側に連なる円盤状の基端部分２４Ｂとからなる。基端部分２４Ｂは、第１の先端プーリ２１の図４中下端側に相対回転しないように固定されるとともに、支持軸２８に相対回転可能に支持されている。従って、第１の先端プーリ２１が支持軸２８を中心に回転すると、第１のブレード２４の先端部分２４Ａは、支持軸２８（ヨー軸Ｙ）回りに回転動作し、図４中紙面直交方向となるヨー方向に回転変位することになる。
【００２６】
前記第２のブレード２５は、図５に示されるように、第１のブレード２４の先端部分２４Ａと同一形状で並列に対称配置された先端部分２５Ａと、先端部分２５Ａの後端側に連なる円盤状の基端部分２５Ｂとからなる。基端部分２５Ｂは、図４に示されるように、第１のブレード２４の基端部分２４Ｂと第２の先端プーリ２２との間に配置され、当該第２の先端プーリ２２に対して回転しないように固定されるとともに、支持軸２８に相対回転可能に支持されている。従って、第２の先端プーリ２２が支持軸２８を中心に回転すると、第２のブレード２５の先端部分２５Ａは、第１のブレード２５と同様に、ヨー方向に回転変位することになる。
【００２７】
前記本体１５は、図２及び図３に示されるように、丸棒状のロッド３３と、当該ロッド３３の先端側に設けられ、前記先端部１４に動力を伝達するための伝達機構３４とを備えている。
【００２８】
前記ロッド３３は、内部空間Ｓが形成された中空の筒状となっており、その先端側には、相対する一対の連結片３６，３６が先端部１４に向かって突出するように設けられている。
【００２９】
前記伝達機構３４は、連結片３６，３６の間における図５中左右２箇所に掛け渡された２本の軸部材３８，３９と、先端側に位置する軸部材３８に相対回転しないように固定支持された４個の中間プーリ４１，４２，４３，４４と、後側の軸部材３９に相対回転しないよう固定支持された不能に支持された４個の後側プーリ４６，４７，４８，４９とを備えている。
【００３０】
各軸部材３８，３９は、図５中上下方向に延びるピッチ軸Ｐに沿って配置されている。ここで、先端側の軸部材３８には、中間プーリ４１，４２と中間プーリ４３，４４との間に、支持体１９の基端部３１が相対回転可能に支持されている。このため、支持体１９は、先端側の軸部材３８の軸線となるピッチ軸Ｐの回りに回転動作可能に本体１５に連結されることになり、当該回転運動により、先端部１４全体が、本体１５に対して図５中紙面直交方向すなわちピッチ方向に回転変位するようになっている。
【００３１】
前記駆動手段１７は、第１の先端プーリ２１に固定された第１及び第２のワイヤ５１，５２と、第２の先端プーリ２２に固定された第３及び第４のワイヤ５３，５４と、第１のワイヤ５１に繋がる第１のアクチュエータとしての第１のモータ５６と、第２のワイヤ５２に繋がる第２のアクチュエータとしての第２のモータ５７と、第３のワイヤ５３に繋がる第３のアクチュエータとしての第３のモータ５８と、第４のワイヤ５４に繋がる第４のアクチュエータとしての第４のモータ５９と、第１〜第４のワイヤ５１〜５４と第１〜第４のモータ５６〜５９との間にそれぞれ設けられ、各ワイヤ５１〜５４の張力を測定する張力センサ６２とを備えている。
【００３２】
前記第１〜第４のワイヤ５１〜５４は、先端部１４から内部空間Ｓを通って各モータ５６〜５９に繋がっている。
【００３３】
前記第１及び第２のワイヤ５１，５２は、その一端側が第１の先端プーリ２１の最先端側に位置する固定部６６で固定されている。また、前記第３及び第４のワイヤ５３，５４は、その一端側が第２の先端プーリ２２の最先端側に位置する固定部６７で固定されている。
【００３４】
ここで、第１のワイヤ５１は、図５に示されるように、第１の先端プーリ２１における第１のブレード２４側の周面に掛け回された上で、図５中上から３番目の中間プーリ４３における同図中表側の周面に相対移動可能に掛け回されるとともに、同図中上から３番目の後側プーリ４８における同図中裏側の周面に相対移動可能に掛け回されて、他端側が第１のモータ５６に繋がる。
【００３５】
また、第２のワイヤ５２は、第１の先端プーリ２１における第２のブレード２５側の半周面に掛け回された上で、図５中上から１番目の中間プーリ４１における同図中表側の半周面に相対移動可能に掛け回されるとともに、同図中上から１番目の後側プーリ４６における同図中裏側の周面に相対移動可能に掛け回されて、他端側が第２のモータ５７に繋がる。
【００３６】
更に、第３のワイヤ５３は、図５中裏側の第２の先端プーリ２２における第１のブレード２４側の周面に掛け回された上で、図５中上から４番目の中間プーリ４４の同図中裏側の周面に相対移動可能に掛け回されるとともに、同図中上から４番目の後側プーリ４９の同図中表側の周面に相対移動可能に掛け回されて、他端側が第３のモータ５８に繋がる。
【００３７】
また、第４のワイヤ５４は、第２の先端プーリ２２における第２のブレード２５側の周面に掛け回された上で、図５中上から２番目の中間プーリ４２における同図中裏側の周面に相対移動可能に掛け回されるとともに、同図中上から２番目の後側プーリ４７における同図中表側の周面に相対移動可能に掛け回されて、他端側が第４のモータ５９に繋がる。
【００３８】
前記第１〜第４のモータ５６〜５９は、直動式モータであり、図２に示されるように、手術用マニピュレータ１１の後端側にまとめて設けられている。これらモータ５６〜５９は、制御装置１２による駆動制御に基づき、各ワイヤ５１〜５４を延出方向に移動させるようになっている。
【００３９】
なお、各ワイヤ５１〜５４を押し引きできる限りにおいて、第１〜第４のモータ５６〜５９の代わりに、他のアクチュエータを採用することもできる。
【００４０】
前記張力センサ６２は、使用前に各ワイヤ５１〜５４の張力を測定し、当該測定値を制御装置１２に送るようになっている。
【００４１】
前記制御装置１２は、ハードウェア及びソフトウェアによって構成され、ＣＰＵ等の演算処理装置、メモリやハードディスク等の記憶装置、及びこれら各装置を機能させるプログラムモジュール等から成り立っている。具体的に、制御装置１２は、先端部１４の動作の目標値が入力される入力部６９と、当該入力部６９からの目標値に応じて各モータ５６〜５９の駆動を制御する動作制御部７０と、各張力センサ６２で測定された各ワイヤ５１〜５４の張力値が不適切な場合に、各モータ５６〜５９の駆動を制御することで、各ワイヤ５１〜５４を適切な張力値に調整する張力調整部７１とを備えている。
【００４２】
次に、前記手術用マニピュレータ１０の動作について説明する。
【００４３】
第１及び第２のモータ５６，５７により、第１及び第２のワイヤ５１，５２が同速度で後側に引かれると、当該各ワイヤ５１，５２がそれぞれ固定された図４中上側の第１の先端プーリ２１が同図中右下方向への引張力が作用する。これにより、先端部１４は、先端側の軸部材３８を支点として図４中時計回りに回転変位する。なお、この際、第３及び第４のワイヤ５３，５４は、第３及び第４のモータ５８，５９により、同速度で前側に押される。
【００４４】
逆に、第３及び第４のモータ５８，５９により、第３及び第４のワイヤ５３，５４が同速度で後側に引かれると、当該各ワイヤ５３，５４が固定された図４中下側の第２の先端プーリ２２が同図中右上方向への引張力が作用する。これにより、先端部１４は、前述と逆に、軸部材３８を支点として図４中半時計回りに回転変位する。なお、この際、第１及び第２のワイヤ５１，５２は、第１及び第２のモータ５６，５７により、同速度で前側に押される。
【００４５】
すなわち、引張力が、第１及び第２のワイヤ５１，５２のみに作用し、若しくは、第３及び第４のワイヤ５３，５４のみに作用すると、第１及び第２のブレード２４，２５が一体的にピッチ方向に回転する縦回転動作が生じることになる。
【００４６】
また、第１及び第２のモータ５６，５７により、第１又は第２のワイヤ５１，５２の何れか一方のみが後側に引かれると、第１のブレード２４が支持軸２８を支点としてヨー方向に回転動作する。すなわち、第１のワイヤ５１が後側に引かれる一方で、第２のワイヤ５２が第１のワイヤ５１と同速度で前側に押されると（以下、これらワイヤ５１，５２の動きを「ワイヤ牽引パターンＡ」と称する。）、第１の先端プーリ２１が図５中半時計回りに回転する。これにより、第１の先端プーリ２１に連なる第１のブレード２４も、同図中半時計回りに回転動作することになる。逆に、第１のワイヤ５１が前側に押される一方で、第２のワイヤ５２が第１のワイヤ５１と同速度で後側に引かれると（以下、これらワイヤ５１，５２の動きを「ワイヤ牽引パターンＢ」と称する。）、第１のブレード２４は、ワイヤ牽引パターンＡの場合と逆回りとなる図５中時計回りに回転動作することになる。
【００４７】
同様に、第３及び第４のモータ５８，５９により、第３又は第４のワイヤ５３，５４の何れか一方のみが後側に引かれると、第２のブレード２５が支持軸２８を支点としてヨー方向に回転動作する。すなわち、第３のワイヤ５３が後側に引かれる一方で、第４のワイヤ５４が第１のワイヤ５１と同速度で前側に押されると（以下、これらワイヤ５３，５４の動きを「ワイヤ牽引パターンＣ」と称する。）、第２の先端プーリ２２が図５中半時計回りに回転する。これにより、第２の先端プーリ２２に連なる第２のブレード２５も、同図中半時計回りに回転動作することになる。逆に、第３のワイヤ５３が前側に押される一方で第４のワイヤ５４が第３のワイヤ５３と同速度で後側に引かれると（以下、これらワイヤ５３，５４の動きを「ワイヤ牽引パターンＤ」と称する。）、第２のブレード２５は、ワイヤ牽引パターンＣの場合と逆回りとなる図５中時計回りに回転動作することになる。
【００４８】
従って、前記ワイヤ牽引パターンＡ及びＤで、第１〜第４のワイヤ５１〜５４が動作すると、第１及び第２のブレード２４，２５は、それらの先端部分２４Ａ，２５Ａが接近する方向に回転変位することになり、各ブレード２４，２５による閉塞動作が行えることになる。逆に、前記ワイヤ牽引パターンＢ及びＣで、第１〜第４のワイヤ５１〜５４が動作すると、第１及び第２のブレード２４，２５は、それら先端部分２４Ａ，２５Ａが離間する方向に回転変位することになり、各ブレード２４，２５による開放動作が行えることになる。つまり、引張力が、第１及び第４のワイヤ５１，５４のみに作用し、若しくは、第２及び第３のワイヤ５２，５３のみに作用すると、各ブレード２４，２５の開閉動作が生じることになる。
【００４９】
更に、前記ワイヤ牽引パターンＡ及びＣで、第１〜第４のワイヤ５１〜５４が相互に同速度で動作すると、第１及び第２のブレード２４，２５は、共に、支持軸２８を支点として図５中半時計回りに回転変位する。逆に、前記ワイヤ牽引パターンＢ及びＤで、第１〜第４のワイヤ５１〜５４が相互に同速度で動作すると、第１及び第２のブレード２４，２５は、共に、支持軸２８を支点として図５中時計回りに回転変位する。つまり、引張力が、第１及び第３のワイヤ５１，５３のみに作用し、若しくは、第２及び第４のワイヤ５２，５４のみに引張力を作用すると、第１及び第２のブレード２４，２５が一体的にヨー方向に回転する横回転動作が生じることになる。
【００５０】
先端部１４における以上の動作は、制御装置１２の入力部６９に入力された目標値、すなわち、先端部１４全体のピッチ軸Ｐ回りの回転角度の目標値、先端部１４全体のヨー軸Ｙ回りの回転角度の目標値、及び各ブレード２４，２５のヨー軸Ｙ回りの回転角度の目標値から、動作制御部７０で、各ワイヤ５１〜５４の動作方向が定められ、その動作量が算出され、当該動作が得られるように各モータ５６〜５９の駆動が制御される。
【００５１】
また、使用前においては、制御装置１２の張力調整部７１で各ワイヤ５１〜５４の張力調整が行われる。すなわち、図示しない治具等を使い、各ブレード２４，２５を閉塞状態にして先端部１４を基準の姿勢を保持した上で、張力センサ６２により各ワイヤ５１〜５４の張力がそれぞれ測定され、当該測定値が張力調整部７１に送られる。すると、張力調整部７１では、各ワイヤ５１〜５４の張力の測定値が予め設定した基準範囲内にないときに、該当するワイヤ５１〜５４の張力が前記基準範囲内になるように、対応するモータ５６〜５９の駆動が制御され、該当するワイヤ５１〜５４が前後方向に引っ張られ、或いは、弛められる。
【００５２】
従って、このような実施形態によれば、先端部１４を３自由度で動作させるための第１〜第４のモータ５６〜５９を使うことで、使用前に各ワイヤ５１〜５４の張力が適正になるように自動調整することができる。この結果、先端部１４の動作に加え、ワイヤ５１〜５４の張力の自動調整を行うために増やすアクチュエータ数を抑制できるという効果を得る。
【００５３】
なお、前記実施形態の制御装置１２では、先端部１４に大きな力が作用し、各ワイヤ５１〜５４が弾性により伸長変形したときに、各ワイヤ５１〜５４の張力を調整可能にしているが、制御装置１２の変形例として、各ワイヤ５１〜５４の伸長変形量をフックの法則により求め、当該伸長変形量を考慮して、各モータ５６〜５９の出力を補正するようにしてもよい。
【００５４】
すなわち、本変形例では、前記実施形態に対し、張力調整部７１を省略し、動作制御部７０に、次の補正機能を付加している。この補正機能は、張力センサ６２で測定した各ワイヤ５１〜５４の張力値から、当該各ワイヤ５１〜５４の伸長変形量を求め、当該伸長変形量に基づき、入力部６９からの目標値に対して求めた各ワイヤ５１〜５４の動作量を補正し、各モータ５６〜５９の出力を補正する機能となっている。すなわち、この補正機能では、張力センサ６２からの張力値が逐次取得され、当該測定された張力値と当初設定した各ワイヤ５１〜５４の張力値との差分を、各ワイヤ５１〜５４それぞれに対して設定された弾性係数で除算することで、各ワイヤ５１〜５４の伸長変形量が求められる。そして、当該伸長変形量が、入力部６９からの目標値に対して求めた各ワイヤ５１〜５４の動作量に加えられることで、当該動作量が補正され、補正後の各ワイヤ５１〜５４の動作量が得られるように、前記各モータ５６〜５９の駆動が制御される。
【００５５】
なお、本発明は、先端側に位置する一対の部材が離間接近する開閉動作を行う手術器具、例えば、把持鉗子や止血鉗子等の鉗子類の他、剪刀、持針器等の機能を有する手術用マニピュレータにも適用可能である。
【００５６】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 手術用マニピュレータシステム
１１ 手術用マニピュレータ
１２ 制御装置
１４ 先端部
１５ 本体
１７ 駆動手段
１９ 支持体
２１ 第１の先端プーリ（第１の回転体）
２２ 第２の先端プーリ（第２の回転体）
２４ 第１のブレード
２５ 第２のブレード
５１ 第１のワイヤ
５２ 第２のワイヤ
５３ 第３のワイヤ
５４ 第４のワイヤ
５６ 第１のモータ（第１のアクチュエータ）
５７ 第２のモータ（第２のアクチュエータ）
５８ 第３のモータ（第３のアクチュエータ）
５９ 第４のモータ（第４のアクチュエータ）
６２ 張力センサ
６９ 入力部
７０ 動作制御部
７１ 張力調整部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側に位置して所定の動作をする先端部と、当該先端部を支持する本体と、前記先端部を動作させる駆動手段とを備えた手術用マニピュレータにおいて、
前記先端部は、ピッチ方向に回転可能となるように前記本体に連結された支持体と、ヨー方向にそれぞれ独立して回転可能となるように前記支持体に支持された第１及び第２の回転体と、前記第１の回転体に一体化された第１のブレードと、前記第２の回転体に一体化された第２のブレードとを備え、
前記駆動手段は、前記第１の回転体に固定された第１及び第２のワイヤと、前記第２の回転体に固定された第３及び第４のワイヤと、前記第１のワイヤをその延出方向に移動させる第１のアクチュエータと、前記第２のワイヤをその延出方向に移動させる第２のアクチュエータと、前記第３のワイヤをその延出方向に移動させる第３のアクチュエータと、前記第４のワイヤをその延出方向に移動させる第４のアクチュエータとを備え、
前記第１及び第２のワイヤは、何れか一方に引張力が作用したときと、何れか他方に引張力が作用したときとで、前記第１の回転体を相互に逆方向に回転させるように配置され、
前記第３及び第４のワイヤは、何れか一方に引張力が作用したときと、何れか他方に引張力が作用したときとで、前記第２の回転体を相互に逆方向に回転させるように配置され、
前記第１〜第４のアクチュエータが、前記第１〜第４のワイヤを選択的に押し引きするように駆動することで、前記第１及び第２のブレードが相互に離間接近する開閉動作と、前記第１及び第２のブレードが一体的にヨー方向に回転する横回転動作と、前記第１及び第２のブレードが一体的にピッチ方向に回転する縦回転動作とからなる動作のうちの何れが生じる構造を有することを特徴とする手術用マニピュレータ。
【請求項２】
引張力が、前記第１及び第４のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第２及び第３のワイヤのみに作用すると、前記開閉動作が生じ、
引張力が、前記第１及び第３のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第２及び第４のワイヤのみに作用すると、前記横回転動作が生じ、
引張力が、前記第１及び第２のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第３及び第４のワイヤのみに作用すると、前記縦回転動作が生じる構造を有することを特徴とする請求項１記載の手術用マニピュレータ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の手術用マニピュレータを用いた手術用マニピュレータシステムであって、
前記手術用マニピュレータと、当該手術用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記駆動手段は、前記第１〜第４のワイヤと前記第１〜第４のアクチュエータとの間にそれぞれ設けられて前記各ワイヤの張力を測定する張力センサを更に備え、
前記制御装置は、前記張力センサで測定された各ワイヤの張力値が不適切な場合に、前記アクチュエータの駆動を制御して、前記各ワイヤを適切な張力値に調整する張力調整部を含むことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【請求項４】
請求項１又は２記載の手術用マニピュレータを用いた手術用マニピュレータシステムであって、
前記手術用マニピュレータと、当該手術用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記駆動手段は、前記第１〜第４のワイヤと前記第１〜第４のアクチュエータとの間にそれぞれ設けられて前記各ワイヤの張力を測定する張力センサを更に備え、
前記制御装置は、前記先端部の動作の目標値が入力される入力部と、当該入力部からの目標値に応じて前記第１〜第４のアクチュエータの駆動を制御する動作制御部とを備え、
前記動作制御部は、前記張力センサで測定した前記各ワイヤの張力値から当該各ワイヤの伸長変形量を求め、当該伸長変形量に基づき、前記目標値に応じて決定された前記各アクチュエータの出力を補正する補正機能を含むことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【請求項１】
先端側に位置して所定の動作をする先端部と、当該先端部を支持する本体と、前記先端部を動作させる駆動手段とを備えた手術用マニピュレータにおいて、
前記先端部は、ピッチ方向に回転可能となるように前記本体に連結された支持体と、ヨー方向にそれぞれ独立して回転可能となるように前記支持体に支持された第１及び第２の回転体と、前記第１の回転体に一体化された第１のブレードと、前記第２の回転体に一体化された第２のブレードとを備え、
前記駆動手段は、前記第１の回転体に固定された第１及び第２のワイヤと、前記第２の回転体に固定された第３及び第４のワイヤと、前記第１のワイヤをその延出方向に移動させる第１のアクチュエータと、前記第２のワイヤをその延出方向に移動させる第２のアクチュエータと、前記第３のワイヤをその延出方向に移動させる第３のアクチュエータと、前記第４のワイヤをその延出方向に移動させる第４のアクチュエータとを備え、
前記第１及び第２のワイヤは、何れか一方に引張力が作用したときと、何れか他方に引張力が作用したときとで、前記第１の回転体を相互に逆方向に回転させるように配置され、
前記第３及び第４のワイヤは、何れか一方に引張力が作用したときと、何れか他方に引張力が作用したときとで、前記第２の回転体を相互に逆方向に回転させるように配置され、
前記第１〜第４のアクチュエータが、前記第１〜第４のワイヤを選択的に押し引きするように駆動することで、前記第１及び第２のブレードが相互に離間接近する開閉動作と、前記第１及び第２のブレードが一体的にヨー方向に回転する横回転動作と、前記第１及び第２のブレードが一体的にピッチ方向に回転する縦回転動作とからなる動作のうちの何れが生じる構造を有することを特徴とする手術用マニピュレータ。
【請求項２】
引張力が、前記第１及び第４のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第２及び第３のワイヤのみに作用すると、前記開閉動作が生じ、
引張力が、前記第１及び第３のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第２及び第４のワイヤのみに作用すると、前記横回転動作が生じ、
引張力が、前記第１及び第２のワイヤのみに作用し、若しくは、前記第３及び第４のワイヤのみに作用すると、前記縦回転動作が生じる構造を有することを特徴とする請求項１記載の手術用マニピュレータ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の手術用マニピュレータを用いた手術用マニピュレータシステムであって、
前記手術用マニピュレータと、当該手術用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記駆動手段は、前記第１〜第４のワイヤと前記第１〜第４のアクチュエータとの間にそれぞれ設けられて前記各ワイヤの張力を測定する張力センサを更に備え、
前記制御装置は、前記張力センサで測定された各ワイヤの張力値が不適切な場合に、前記アクチュエータの駆動を制御して、前記各ワイヤを適切な張力値に調整する張力調整部を含むことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【請求項４】
請求項１又は２記載の手術用マニピュレータを用いた手術用マニピュレータシステムであって、
前記手術用マニピュレータと、当該手術用マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記駆動手段は、前記第１〜第４のワイヤと前記第１〜第４のアクチュエータとの間にそれぞれ設けられて前記各ワイヤの張力を測定する張力センサを更に備え、
前記制御装置は、前記先端部の動作の目標値が入力される入力部と、当該入力部からの目標値に応じて前記第１〜第４のアクチュエータの駆動を制御する動作制御部とを備え、
前記動作制御部は、前記張力センサで測定した前記各ワイヤの張力値から当該各ワイヤの伸長変形量を求め、当該伸長変形量に基づき、前記目標値に応じて決定された前記各アクチュエータの出力を補正する補正機能を含むことを特徴とする手術用マニピュレータシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２２０７８６（Ｐ２０１０−２２０７８６Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７１０５１（Ｐ２００９−７１０５１）
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８〜２０年度、文部科学省 地域科学技術振興事業費補助金に係る委託研究（知的クラスター創成事業「岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター」）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８〜２０年度、文部科学省 地域科学技術振興事業費補助金に係る委託研究（知的クラスター創成事業「岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター」）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
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