JP2010035875A - 医療用マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】連結シャフトを通して先端プーリと基端プーリに巻き掛けられた可撓性部材の劣化の程度を適正に判断する。
【解決手段】医療用マニピュレータ１０は、モータ４０ａ〜４０ｃを備えたアクチュエータブロック３０と、アクチュエータブロック３０に着脱自在でモータ４０ａ〜４０ｃの回転軸に接続される基端プーリ５０ａ〜５０ｃを備える接続部１５と、該接続部１５から延在する連結シャフト４８の先端に設けられた先端動作部１２と、先端動作部１２を駆動する先端プーリ５７ａ〜５７ｃと、連結シャフト４８内を通り基端プーリ５０ａ〜５０ｃと先端プーリ５７ａ〜５７ｃとの間に巻き掛けられてモータ４０ａ〜４０ｃの回転を先端動作部１２に伝達するワイヤ５４ａ〜５４ｃとを有する。先端側の先端プーリ５７ａ〜５７ｃの径Ｒ１は、基端側の基端プーリ５０ａ〜５０ｃの径Ｒ２よりも小さい。
【選択図】図６

Description

本発明は、制御部からモータを駆動することにより、可撓性部材を介して連結シャフトの先端に設けられた先端動作部を駆動する医療用マニピュレータに関する。

内視鏡下外科手術（又は腹腔鏡下手術とも呼ばれる。）においては、患者の腹部等に複数の孔を開け、器具の通過ポートとしてトラカール（筒状の器具）を挿入した後、シャフトを有する鉗子の先端部をトラカールを通じて体腔内に挿入して患部の手術を行っている。鉗子の先端部には、作業部として、生体組織を把持するためのグリッパや、鋏、電気メスのブレード等が取り付けられている。

鉗子による内視鏡下外科手術は、作業空間である体腔内が狭くしかもトラカールを支点として鉗子を操作するため、一定のトレーニングが必要となる。また、従来使用されている鉗子では先端の作業部に関節がないため、自由度が小さく、先端動作部はシャフトの延長線上での動作しか行うことができない。従って、通常のトレーニングで実施可能な症例には限度があり、他の様々な症例に対して適用するためには相当に高度なトレーニング及び習熟が必要になる。

このような観点から、従来の鉗子を改良し、作業部に複数の関節を有する鉗子の開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のマニピュレータは、人手によって操作される操作部と、操作部に対して交換自在に着脱される作業部とから構成される。このようなマニピュレータでは、従来の鉗子のような制約や不自由がなく、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなり、また、作業部の種類を交換することにより種々の手技に対応することができる。

一方、このようなマニピュレータをロボットアームにより駆動する医療用ロボットシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１０５４５１号公報 米国特許第６３３１１８１号明細書

上記のように、医療用マニピュレータにおける作業部は操作部に対して交換自在に構成されることがある。これにより、手技に応じた種々の型式のものを装着することができ、手技の終了後には作業部だけを洗浄することができ、さらには、作業部だけを定期的に新しい物に交換して十分な信頼性を確保することができる。すなわち、操作部は多くの電気部品が設けられていて比較的コスト高であって可及的に長く使用可能であることが望ましいが、作業部については弱電部品がなく廉価であり、しかも体腔内で先端動作部が動作をして負荷を受けることから機械的寿命や、蒸気及び熱による洗浄時のダメージ等を考慮して適度な時期に新しい物に交換することが望ましいのである。このように、作業部は定期的に新しい物に交換することが前提となっており、適度な寿命があればよいのであって、過度に高強度である必要はない。

一方、作業部は、アクチュエータ部に接続する接続部と、該接続部から延在する連結シャフトとを有しており、先端動作部は該連結シャフトの先端に設けられ、接続部のプーリに巻き掛けられた複数のワイヤ等の可撓性部材に連動する。これらの可撓性部材は、往復動作に応じてプーリに巻きかけられる円弧状態と、プーリから離間した直線状態とを繰り返すことになり、繰り返しの曲げ応力を受けることから、作業部の構成要素の中でも寿命が比較的短い。

可撓性部材は、接続部に設けられてモータによって駆動される基端プーリと、先端動作部を駆動する先端プーリとの間に巻き掛けられており、基端プーリ側と先端プーリ側の双方が同程度に繰り返しの曲げ応力を受けることになり、同程度に劣化が進行する。従って、可撓性部材は、基端プーリ側と先端プーリ側のいずれが先に使用不能な程度まで劣化するのか特定は困難であり、個体差によって異なる。ところが、先端プーリの近傍には先端動作部が設けられており、ある程度の露呈部分があって可撓性部材を視認することが可能であるが、基端プーリを回転自在に保持している接続部は、操作部に対して着脱自在にする必要性があり、しかも気密性が要求されることからブロック構造となっており、可撓性部材の状態を確認することは比較的困難である。すなわち、先端側の可撓性部材の劣化の程度は確認できるが、基端側の可撓性部材の劣化の程度は確認が困難であり、先端側の劣化程度に基づいて推測し、又は、早めに交換する必要がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、可撓性部材の劣化の程度を適正に判断することのできる医療用マニピュレータを提供することを目的とする。

本発明に係る医療用マニピュレータは、モータを備えたアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される基端プーリを備える接続部と、前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられた先端動作部と、前記先端動作部を駆動する先端プーリと、前記連結シャフト内を通り、前記基端プーリと前記先端プーリとの間に巻き掛けられて前記モータの回転を前記先端動作部に伝達する可撓性部材とを有し、前記先端プーリは、前記基端プーリよりも小径であることを特徴とする。

このように、先端プーリが基端プーリよりも小径に設定されていると、先端プーリ側の方が曲げの程度が強くなって、基端プーリ側と比較して劣化の進行が速くなる。従って、可撓性部材の寿命は視認性のよい先端プーリ側を確認すれば足りることになり、視認性に劣る基端プーリ側を確認する必要がなく、可撓性部材の劣化の程度を適正に判断することができる。

前記基端プーリの径は、前記先端プーリの径の１．１〜５．０倍であってもよい。

前記可撓性部材は線体であり、前記先端プーリの径は、前記線体の径の２〜１２０倍であってもよい。

前記可撓性部材は、前記連結シャフト内で往復２線が設けられ、２線の前記可撓性部材を前記基端プーリの幅に合わせて略平行にする円弧ガイドを有し、前記円弧ガイドの曲率半径は、前記先端プーリの半径よりも大きくしてもよい。このような円弧ガイドを設けることにより、可撓性部材は連結シャフト内の往復２線が略平行になり、連結シャフトを細径にすることができる。円弧ガイドは、先端プーリよりも曲率半径が大きいことから、可撓性部材の劣化の最も速い箇所は先端プーリ近傍に限定される。

前記連結シャフトの先端部近傍に設けられ、前記可撓性部材を露呈する視認部が設けられていてもよい。このように、連結シャフトの先端近傍に視認部を設けると、可撓性部材の状態を一層確認しやすい。

前記可撓性部材は、ワイヤであってもよい。

本発明に係る医療用マニピュレータによれば、先端プーリが基端プーリよりも小径に設定されていることから、先端プーリ側の方が曲げの程度が強くなって、基端プーリ側と比較して劣化の進行が速くなる。従って、可撓性部材の寿命は視認性のよい先端プーリ側を確認すれば足りることになり、視認性に劣る基端プーリ側を確認する必要がなく、可撓性部材の劣化の程度を適正に判断することができる。

以下、本発明に係る医療用マニピュレータについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図９を参照しながら説明する。

図１、図２及び図３に示すように、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０は、先端動作部１２に生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うためのものであり、通常、把持鉗子やニードルドライバ（持針器）等とも呼ばれる。

医療用マニピュレータ１０は、人手によって把持及び操作される操作部１４と、該操作部１４に対して着脱自在な作業部１６とを備え、操作部１４に対してコネクタ２４を介して着脱自在なコントローラ（制御部）２７を有するマニピュレータシステムとして構成されている。

医療用マニピュレータ１０は、基本構成として操作部１４と作業部１６とを有しており、コントローラ２７は当該医療用マニピュレータ１０の電気的な制御をするものであり、グリップハンドル２６の下端部から延在するケーブル６２に対してコネクタ２４を介して接続されている。制御部であるコントローラ２７の機能の一部又は全部を、例えば操作部１４に一体的に搭載することもできる。

コントローラ２７は時計機能を有している。

以下の説明では、図１における幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向、及び、連結シャフト４８の延在方向をＺ方向と規定する。また、右方をＸ１方向、左方をＸ２方向、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向、前方をＺ１方向、後方をＺ２方向と規定する。さらに、特に断りのない限り、これらの方向の記載は医療用マニピュレータ１０が基準姿勢（中立姿勢）である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、医療用マニピュレータ１０は任意の向きで（例えば、上下を反転させて）使用可能であることはもちろんである。

作業部１６は、作業を行う先端動作部１２と、操作部１４のアクチュエータブロック（アクチュエータ部）３０に対して接続される接続部１５と、これらの先端動作部１２と接続部１５とを連接する長尺で中空の連結シャフト４８とを有する。作業部１６は、アクチュエータブロック３０における所定の操作によって操作部１４から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。

先端動作部１２及び連結シャフト４８は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール２０から体腔２２内に挿入可能であり、操作部１４の操作により体腔２２内において患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。

次に、操作部１４について詳細に説明する。

操作部１４は、人手によって把持されるグリップハンドル２６と、該グリップハンドル２６の上部から延在するブリッジ２８と、該ブリッジ２８の先端に接続されたアクチュエータブロック３０とを有する。

接続部１５は、左右側面の係合片２００と、上下面に開口する３つの嵌合孔２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃとを有する。３つの嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃは、Ｚ１方向及びＺ２方向の端部近傍に設けられており、Ｙ方向に延在する孔である。

アクチュエータブロック３０には、先端動作部１２が有する３自由度の機構に対応してモータ（ＤＣモータ）４０ａ、４０ｂ及び４０ｃがＺ方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ４０ａ〜４０ｃは、操作部１４の操作に基づき、コントローラ２７の作用下に回転をする。モータ４０ａ〜４０ｃは小型・細径であって、アクチュエータブロック３０はコンパクトな扁平形状に構成されている。モータ４０ａ〜４０ｃには、減速機４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが内蔵されている。減速機４２ａ〜４２ｃは、例えば遊星式であり、減速比は１：１００〜１：３００程度である。

アクチュエータブロック３０は、操作部１４のＺ１方向端部の下方に設けられている。ここで、アクチュエータブロック３０は作業部１６が装着される箇所を意味するものであり、モータ４０ａ〜４０ｃを格納する場所に限定されず、ブリッジ２８との接続面３０ａ（図３参照）を含む。

モータ４０ａ〜４０ｃには、回転角度を検出することのできるロータリ式のエンコーダ４４ａ、４４ｂ及び４４ｃが設けられており、検出した角度信号はコントローラ２７に供給される。

図２及び図３に示すように、グリップハンドル２６は、ブリッジ２８の端部からＹ２方向に向かって延在しており、人手によって把持されるのに適した長さであり、該グリップハンドル２６の近傍には先端動作部１２の動作等に供される入力手段が設けられている。すなわち、このような入力手段として、グリップハンドル２６に近接したＺ１方向にトリガーレバー３２及びスイッチ３６が設けられ、Ｙ１方向に複合入力部３４及び作動スイッチ３５が設けられている。

作動スイッチ３５のＺ１方向でブリッジ２８の上面における視認しやすい箇所にはＬＥＤ２９が設けられている。ＬＥＤ２９は、医療用マニピュレータ１０の制御状態を示すインジケータであり、操作者が容易に認識可能な大きさであり、且つ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。

グリップハンドル２６の下端には、コントローラ２７に接続されるケーブル６２が設けられている。グリップハンドル２６とケーブル６２とはコネクタにより接続されていてもよい。

作動スイッチ３５は、医療用マニピュレータ１０の動作状態の有効又は無効を設定するための入力手段である。ＬＥＤ２９は、ブリッジ２８の上面における略中央部で、視認性のよい位置に設けられており、作動スイッチ３５と並んで配置されていることから、例えば、作動スイッチ３５によるＯＮ操作に同期して点灯等をするため、操作者は作動スイッチ３５の操作をしながらその入力状態をＬＥＤ２９により確実に認識することができる。

この場合、コントローラ２７は、作動スイッチ３５の状態を読み込み、オン状態であるときに動作モードとし、オン状態からオフ状態に切り換わったときに自動原点復帰動作としてモータ４０ａ〜４０ｃを所定の原点に戻し、原点に戻った後に停止モードとする。動作モードは、操作部１４の操作指令を有効にしてモータ４０ａ〜４０ｃを駆動するモードである。停止モードは、操作部１４の操作指令の有無に関わらずモータ４０ａ〜４０ｃを停止させるモードである。これらのモード及び動作はコントローラ２７によって区別されて制御され、ＬＥＤ２９の点灯状態が切り換えられる。

すなわち、ＬＥＤ２９は、動作モードのときに緑に点灯、停止モードのときに赤に点灯し、動作モードから停止モードに移る自動原点復帰モードのときには赤の点滅をする。

複合入力部３４は、先端動作部１２に対してロール方向（軸回転方向）及びヨー方向（左右方向）の回転指令を与える複合的な入力手段であり、例えば軸回転に動作する第１入力手段によってロール方向指示を行い、横方向に動作する第２入力手段によってヨー方向指示を行うことができる。トリガーレバー３２は、先端動作部１２のグリッパ６０（図１及び図５参照）に開閉指令を与える入力手段である。

複合入力部３４、トリガーレバー３２には、それぞれ動作量を検出する入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃが設けられており、検出した動作信号をコントローラ２７に供給する。

トリガーレバー３２は、ブリッジ２８のやや下方でＺ１方向にやや突出したレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。

トリガーレバー３２は、グリップハンドル２６に対してアーム９８により接続されており、該グリップハンドル２６に対して進退するように構成されている。アーム９８はグリップハンドル２６内で入力センサ３９ｃに接続されており、トリガーレバー３２の進退量が該入力センサ３９ｃによって計測されてコントローラ２７に供給される。トリガーレバー３２は、指を当て、グリップハンドル２６の方向（つまり、Ｚ２方向）に向かって引き込む操作と、グリップハンドル２６からＺ１方向に押し出す操作とが可能に構成され、これにより、グリッパ６０へと開閉指令を与えることができる。

なお、トリガーレバー３２のＹ２方向に設けられたスイッチ３６は、オルタネート式であって、該スイッチ３６を操作することによりトリガーレバー３２により所定の開閉状態とされたグリッパ６０の状態、例えば、閉じ状態を保持しておくことができる。

接続部１５が載置されるアクチュエータブロック３０の上面３０ｂにおいて、Ｚ２方向の端部近傍には、接続部１５の有無を検出する作業部検出手段１０７が設けられている。作業部検出手段１０７は、対向する位置に設けられた投光器であるＬＥＤ１０７ａと受光器であるフォトダイオード１０７ｂとからなるフォトインタラプタの構成とされており、該ＬＥＤ１０７ａと該フォトダイオード１０７ｂとの間に接続部１５の後端の遮光片１０９（図２参照）が挿入されて遮光することにより該接続部１５が装着されたことを検出できる。ＬＥＤ１０７ａとフォトダイオード１０７ｂは、Ｘ方向に対向する向きで且つ近接した位置に設けられている。

アクチュエータブロック３０には、さらに作業部１６の接続部１５を保持する２つの独立した係合部２１０と、該接続部１５の位置決め機能及び保持機構を有する３本のアライメントピン２１２ａ、２１２ｂ及び２１２ｃとが設けられる。

２つの係合部２１０は、アクチュエータブロック３０の左右側面（Ｘ１及びＸ２側面）で対称位置に設けられており、操作面２０４と、該操作面２０４からＹ１方向に延在するレバー２０６とを有する。レバー２０６はアクチュエータブロック３０の上面よりもＹ１方向に向かってやや突出しており、先端内側がテーパ形状になっている。係合部２１０は、図示しない弾性部材によってレバー２０６が内側に向かう方向に弾性付勢されている。

アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃに対向する位置で、アクチュエータブロック３０の上面におけるＺ１方向端の近傍に２本、Ｚ２方向端の近傍に１本設けられ、それぞれＹ１方向に延在している。Ｚ１方向端の近傍に２本のアライメントピン２１２ａ、２１２ｂがＸ方向に並んで設けられている。

このように、アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは３本設けられていることから、接続部１５は３点で支持され、簡便且つ確実に位置決めを行うことができる。また、３本のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは直線状配列ではないため、いずれの方向のねじれに対しても、接続部１５を安定して保持することができる。アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、このうち２本以上設けられていれば、接続部１５は確実に位置決めがなされて、安定して保持される。この場合、Ｚ方向に離間した２本を選択すると一層安定する。

接続部１５を操作部１４から取り外す場合には、アクチュエータブロック３０の両側面に設けられたレバー２０６を押してそれぞれ外方に開くように傾動させ、該レバー２０６の楔部２０６ａを、接続部１５の両側面に設けられた係合片２００から解放する。これにより接続部１５を操作部１４から上方（Ｙ１方向）に引き抜き、取り外しが可能となる。アクチュエータブロック３０の上面３０ｂの３本のアライメントピン２１２が、プーリ収納体３００に設けられた嵌合孔２０２に嵌合することにより該接続部１５を安定して保持可能である。

接続部１５を操作部１４に取り付ける場合には、３本のアライメントピン２１２がそれぞれ嵌合孔２０２に嵌合するように合わせて、接続部１５を下方（Ｙ２方向）に押し下げる。これにより、レバー２０６は一旦外方に拡がり、その後原位置に戻ることにより係合片２００に係合して、接続が完了する。

操作部１４の接続面３０ａには、接続された作業部１６のＩＤ部１０４（図４参照）のＱＲコードを読み取ってコントローラ２７に供給するカメラ１０６と、接続された作業部１６のＩＤ部１０４を照明するための２つのＬＥＤ１０５が設けられている。カメラ１０６は、作業部１６のＩＤ部１０４を臨む位置に取り付けられており、該カメラ１０６の左右にＬＥＤ１０５が設けられている。ここで、ＩＤ部１０４のＩＤ（識別符号）の読取器としては、カメラ１０６に代替してバーコードリーダー、バーコードスキャナを用いることができる。

操作部１４は多くの電気部品が設けられていて、作業部１６と比較してコスト高であるが長寿命である。

次に、作業部１６について詳細に説明する。作業部１６は、手技の終了後には操作部１４から取り外されて洗浄することができ、さらには、作業部１６だけを定期的に新しい物に交換して十分な信頼性を確保することができる。作業部１６は弱電部品がなく廉価であり、しかも体腔２２内で先端動作部１２が動作をして負荷を受けることから機械的寿命や、蒸気及び熱の洗浄によるダメージ等を考慮して適度な時期に新しい物に交換することになっている。

図１、図２及び図４に示すように、作業部１６の接続部１５は、樹脂のカバー３７に覆われており、モータ４０ａ〜４０ｃの駆動軸に接続されて従動回転される基端プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃをそれぞれ回転自在に保持している。基端プーリ５０ａ〜５０ｃは、プーリ収納体３００に収納されている。

基端プーリ５０ａ〜５０ｃには、ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃ（図５、図６、図７参照）が巻き掛けられており、連結シャフト４８の中空部分を通って先端動作部１２まで延在している。ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、基端プーリ５０ａ〜５０ｃ（及び５７ａ〜５７ｃ）に対して滑りが生じないように一部が固定されている。ワイヤ５４ａ〜５４ｃは同種、同径のものを用いることができる。

接続部１５のプーリ収納体３００は、操作部１４に対して着脱自在にする必要性があり、さらに気密性が要求されることからブロック構造となっており、しかもカバー３７で覆われており、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの状態を確認することは比較的困難である。

接続部１５を構成する基端プーリ５０ａ〜５０ｃのＹ２方向下端にはそれぞれ十字状の結合凸部５１ａ、５１ｂ及び５１ｃが設けられ、アクチュエータブロック３０を構成するモータ４０ａ〜４０ｃの回転軸には十字状の結合凹部４１ａ、４１ｂ及び４１ｃが設けられている。結合凸部５１ａ〜５１ｃと結合凹部４１ａ〜４１ｃとは互いに係合可能であり、すなわち、アクチュエータブロック３０に接続部１５が装着された状態において、モータ４０ａ〜４０ｃの回転が基端プーリ５０ａ〜５０ｃに対して確実に伝達される。これらの係合部は十字形状に限られない。

図４に示すように、接続部１５における後端部近傍には、作業部１６を個体識別することのできるＩＤ（識別符号）が付けられたＩＤ部１０４が設けられている。

ＩＤ部１０４には、作業部１６毎に識別が可能なように異なる２次元バーコードであるＱＲコードが付けられている。ＩＤ部１０４のＱＲコードには、作業部１６のそれぞれに対応した型式、仕様、シリアルナンバーの他、製造所、製造日、商品名等の各種情報が含まれる。

図５に示すように、連結シャフト４８内を挿通したワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃは、グリッパ６０を備えた先端動作部１２の対応する先端プーリ５７ａ、５７ｂ及び５７ｃにそれぞれ巻き掛けられている。

従って、基端プーリ５０ａと先端プーリ５７ａとの間にワイヤ５４ａが巻き掛けられた状態で当該基端プーリ５０ａがモータ４０ａによって回転駆動されると、その回転駆動力がワイヤ５４ａを介して先端プーリ５７ａへと伝達され、該先端プーリ５７ａを回転させる。そうすると、先端プーリ５７ａの回転が、例えば歯車へと順次伝達され、グリッパ６０を開閉させることができる。

先端動作部１２には、開閉駆動及びロール方向の駆動をする機構部を覆うカバー１６０が設けられている。

カバー１６０と連結シャフト４８との間には、機構部が露呈する隙間５２が設けられている。

図５から明らかなように、先端プーリ５７ａ〜５７ｃの近傍には先端動作部１２が設けられており、隙間５２等の露呈部分があってワイヤ５４ａ〜５４ｃを視認することが可能である。

また、連結シャフト４８の先端には、左右側面に設けられた一対の視認孔（視認部）４９が設けられている。視認孔４９の前方は縦ブリッジ４９ａによって上下の部材が接続され、強度が維持されている。縦ブリッジ４９ａとカバー１６０との間の隙間５２は狭く、各歯車等に対する異物（生体組織、薬剤、糸等）の侵入を相当に防止できる。

図５に示すように、視認孔４９は先端プーリ５７ａ〜５７ｃを露呈する位置に設けられており、該先端プーリ５７ａ〜５７ｃに巻き掛けられたワイヤ５４ａ〜５４ｃの巻回部を特によく観察可能である。これにより、先端プーリ５７ａ〜５７ｃの近くで生じるワイヤ５４ａ〜５４ｃの変化を容易に確認することができる。ワイヤ５４ａ〜５４ｃは先端プーリ５７ａ〜５７ｃによって繰り返しの曲げ荷重を受けることから、他の部分よりも使用条件が厳しく、この近傍を見ることによりワイヤ５４ａ〜５４ｃの状態変化をいち早く検知できる。

視認孔４９は四隅が円弧形状となっている。該視認孔４９によれば、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを視認可能であって、該ワイヤ５４ａ〜５４ｃの状態の変化を判断しやすい。従って、ワイヤ５４ａ〜５４ｃが変化したときには作業部１６の使用を中止し又は所定のメンテナンスを適切に行うことができるとともに、状態が変化する以前に不必要に早期に使用を中止することを防止できる。視認孔４９は、端部が円弧形状となっていることから、手術の縫合に用いる糸が引っかかりにくく、内部に入り込みにくい。

なお、視認孔４９とは内部を視認するためのものであるから、物理的に貫通している孔である必要はなく、例えば透明体で塞がれていてもよい。

図６に示すように、基端プーリ５０ａ〜５０ｃ、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ及び先端プーリ５７ａ〜５７ｃを備えた動力伝達部材により、先端動作部１２をロール方向（Ｏｒ軸回転方向）、ヨー方向（Ｏｙ軸を基準とした左右方向）及びグリッパ開閉（Ｏｇ軸を基準とした開閉）からなる３自由度の機構として構成している。３自由度の機構は、動作上の機構干渉があるため、該機構干渉を補償するようにモータ４０ａ〜４０ｃを協働させる。

モータ４０ａ〜４０ｃは、コントローラ２７の作用下に、複合入力部３４、トリガーレバー３２の動作量を検出する入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃから得られる信号に基づいて駆動される。

ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、基端プーリ５０ａ〜５０ｃと先端プーリ５７ａ〜５７ｃとの間で適度な規定の張力を持つように予め調整されて組み立てられている。また、各ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、連結シャフト４８内で往復の２線が略平行して設けられている。

図６及び図７に示すように、各ワイヤ５４ａ〜５４ｃ（図７では代表的にワイヤ５４ｂについて示す。）は、連結シャフト４８内を通り、基端側の基端プーリ５０ａ〜５０ｃと先端側の先端プーリ５７ａ〜５７ｃとの間に巻き掛けられてモータ４０ａ〜４０ｃの回転を先端動作部１２に伝達している。

ここで、先端プーリ５７ａ〜５７ｃは、基端プーリ５０ａ〜５０ｃよりも小径であり、先端側の方が曲げの程度が強くなって、基端側と比較して劣化の進行が速くなる。従って、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの寿命は、視認性のよい先端プーリ５７ａ〜５７ｃ側を確認すれば足りることになり、視認性に劣る基端プーリ５０ａ〜５０ｃ側を確認する必要がなく、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの劣化の程度を適正に判断することができる。

基端プーリ５０ａ〜５０ｃの径Ｒ２は、先端プーリ５７ａ〜５７ｃの径Ｒ１の１．１〜５．０倍であると、適度に径の差が得られ、しかも基端プーリ５０ａ〜５０ｃがプーリ収納体３００に収納可能に収まり、好適である。

先端プーリ５７ａ〜５７ｃの径Ｒ１は、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの径の２〜１２０倍であると、プーリとして好適であるとともに、連結シャフト４８内に配置可能である。

図８に示すように、基端プーリ５０ｂが比較的に大径である場合には、２線のワイヤ５４ｂを先端プーリ５７ｂの幅に合わせて略平行にする円弧ガイド３５０を設けてもよい。円弧ガイド３５０は、プーリ収納体３００内で、往復２線のワイヤ５４ｂに合わせて左右一対が設けられている。円弧ガイド３５０は、トラカール２０に合わせた十分に細径な連結シャフト４８内に往復２線のワイヤ５４ｂを配置可能な程度に略平行配置する形状であればよい。円弧ガイド３５０の側面には、高さ方向（Ｙ方向）のずれを防止するための溝が設けられていてもよい。円弧ガイド３５０は滑らかで潤滑性のある樹脂等で構成するとよい。

円弧ガイド３５０の曲率半径ｒ３は、先端プーリ５７ｂの半径Ｒ１／２よりも大きく、基端プーリ５０ｂの半径Ｒ２／２よりも大きく、ワイヤ５４ｂに対する屈曲の程度は極めて小さい。曲率半径ｒ３は、少なくとも先端プーリ５７ｂの半径Ｒ１／２よりも大きければよい。

このような円弧ガイド３５０を設けることにより、ワイヤ５４ｂは連結シャフト４８内の往復２線が略平行になり、連結シャフト４８を細径にすることができる。円弧ガイド３５０は、先端プーリ５７ｂよりも曲率半径が大きいことから、ワイヤ５４ｂの劣化の最も速い箇所は先端の先端プーリ５７ｂ近傍に限定される。他のワイヤ５４ａ、５４ｃについて円弧ガイド３５０を設けてもよいことはもちろんである。

上述したように、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０によれば、先端側の先端プーリ５７ａ〜５７ｃが基端側の基端プーリ５０ａ〜５０ｃよりも小径に設定されていることから、先端プーリ５７ａ〜５７ｃ側の方が曲げの程度が強くなって、基端プーリ５０ａ〜５０ｃ側と比較して劣化の進行が速くなる。従って、個体差によって基端側の基端プーリ５０ａ〜５０ｃの方が先に劣化することが抑制され、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの寿命は視認性のよい先端プーリ５７ａ〜５７ｃ側を確認すれば足りることになる。これにより、視認性に劣る基端プーリ５０ａ〜５０ｃ側を確認する必要がなく、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの劣化の程度を適正に判断することができる。また、ワイヤ５４ａ〜５４ｃにおける先端側の劣化程度に基づいて基端側の劣化の程度を推測するような必要がなく、さらに、該推測に基づいて作業部１６を早めに交換するような必要がない。

上記実施形態は、例えば図９に示すような医療用ロボットシステム８００に適用してもよい。

医療用ロボットシステム８００は、多関節型のロボットアーム８０２と、コンソール８０４とを有し、作業部８０６はロボットアーム８０２の先端に接続されている。ロボットアーム８０２の先端には前記の医療用マニピュレータ１０と同様な機構を有するマニピュレータ８０８が設けられている。ロボットアーム８０２は、作業部８０６を移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。コンソール８０４は、テーブル型、制御盤型等の構成を採り得る。

ロボットアーム８０２は、独立的な６以上の関節（回転軸やスライド軸等）を有すると、作業部８０６の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のマニピュレータ８０８は、ロボットアーム８０２の先端部８１０と一体化している。マニピュレータ８０８は、前記のアクチュエータブロック３０（図１参照）の代わりに、基端側が前記先端部８１０に連結されるとともに、内部にモータを収納したアクチュエータブロック８１２を有する。

ロボットアーム８０２は、コンソール８０４の作用下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール８０４に設けられたジョイスティック８１４に倣った操作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。コンソール８０４は、前記のコントローラ２７（図１参照）の機能を含んでいる。作業部８０６には、前記の先端動作部１２が設けられている。

コンソール８０４には、操作指令部としての２つのジョイスティック８１４と、モニタ８１６が設けられている。図示を省略するが、２つのジョイスティック８１４により、２台のロボットアーム８０２を個別に操作が可能である。２つのジョイスティック８１４は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ８１６には、内視鏡による画像等の情報が表示される。

ジョイスティック８１４は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてロボットアーム８０２を動かすことができる。ジョイスティック８１４はマスターアームであってもよい。ロボットアーム８０２とコンソール８０４との間の通信手段は、有線、無線、ネットワーク又はこれらの組合わせでよい。

本発明に係る医療用マニピュレータは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る医療用マニピュレータの斜視図である。 作業部と操作部とを分離した医療用マニピュレータの側面図である。 操作部の斜視図である。 接続部の一部断面斜視図である。 先端動作部の斜視図である。 プーリ及びワイヤと先端動作部の基本構成を示す模式図である。 医療用マニピュレータで、先端プーリ、基端プーリ及びこれらのプーリに巻き掛けられたワイヤを示す模式平面図である。 変形例に係る医療用マニピュレータで、先端プーリ、基端プーリ及びこれらのプーリに巻き掛けられたワイヤを示す模式平面図である。 マニピュレータをロボットアームの先端に接続した医療用ロボットシステムの斜視図である。

符号の説明

１０…医療用マニピュレータ １２…先端動作部
１４…操作部 １５…接続部
１６、８０６…作業部 ２７…コントローラ
３０、８１２…アクチュエータブロック ４０ａ〜４０ｃ…モータ
４８…連結シャフト ４９…視認孔
５０ａ〜５０ｃ…基端プーリ ５４ａ〜５４ｃ…ワイヤ
５７ａ〜５７ｃ…先端プーリ ６０…グリッパ
３００…プーリ収納体 ３５０…円弧ガイド
８００…医療用ロボットシステム

Claims (6)

1. モータを備えたアクチュエータ部と、
   前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される基端プーリを備える接続部と、
   前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられた先端動作部と、
   前記先端動作部を駆動する先端プーリと、
   前記連結シャフト内を通り、前記基端プーリと前記先端プーリとの間に巻き掛けられて前記モータの回転を前記先端動作部に伝達する可撓性部材と、
   を有し、
   前記先端プーリは、前記基端プーリよりも小径であることを特徴とする医療用マニピュレータ。
2. 請求項１記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記基端プーリの径は、前記先端プーリの径の１．１〜５．０倍であることを特徴とする医療用マニピュレータ。
3. 請求項１又は２記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記可撓性部材は線体であり、
   前記先端プーリの径は、前記線体の径の２〜１２０倍であることを特徴とする医療用マニピュレータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記可撓性部材は、前記連結シャフト内で往復２線が設けられ、
   ２線の前記可撓性部材を前記基端プーリの幅に合わせて略平行にする円弧ガイドを有し、
   前記円弧ガイドの曲率半径は、前記先端プーリの半径よりも大きいことを特徴とする医療用マニピュレータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記連結シャフトの先端部近傍に設けられ、前記可撓性部材を露呈する視認部を有することを特徴とする医療用マニピュレータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記可撓性部材は、ワイヤであることを特徴とする医療用マニピュレータ。

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