JP5148335B2 - 動作治具 - Google Patents

Description

本発明は、モータを備えたアクチュエータ部と、アクチュエータ部に着脱自在でモータの回転軸に接続される回転体を備える接続部、及び回転体に連動する動作部を含む作業部とを有する医療用マニピュレータに適用される動作治具に関し、特に、作業部が、アクチュエータ部から取り外されているときに動作部を動作させる動作治具に関する。

腹腔鏡下手術においては、患者の腹部等に小さな孔をいくつかあけて内視鏡、鉗子（又はマニピュレータ）等を挿入し、術者が内視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような腹腔鏡下手術は、開腹を必要としないため患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減されることから、適用分野の拡大が期待されている。

マニピュレータシステムは、例えば特許文献１に記載されているように、マニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体を制御するコントローラとから構成される。マニピュレータ本体は、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。

作業部（器具）は長い連結シャフトと、該連結シャフトの先端に設けられた先端動作部（エンドエフェクタとも呼ばれる。）とを有し、ワイヤによって先端の動作部を駆動するアクチュエータ（モータ）が操作部に設けられている。ワイヤは基端側でプーリに巻き掛けられている。コントローラは、操作部に設けられたモータを駆動して、プーリを介してワイヤを進退駆動する。

作業部側は洗浄、滅菌を容易にする必要性からセンサなどの電子機器を含まず、先端動作部及び後端のプーリの位置又は原点を直接的には検出できない構成であり、モータの回転量に基づいて先端動作部の軸位置を算出する構成がとられている。

ところで、腹腔鏡下手術では、手技に応じて多様な作業部が用いられ、例えばグリッパ、はさみ、電気メス、超音波メス、医療用ドリルなどが挙げられる。これらの作業部は操作部に対して着脱自在に構成され、装着時には作業部基端側のプーリが操作部に設けられたモータの回転軸に係合するように構成されている。

このように、１つの操作部に対して複数の異なる作業部を接続することを前提としているシステムの場合、すべての作業部が唯一共通して着脱のできる軸位置となるモータ位相を設定する必要がある（例えば、特許文献１参照）。これを原点（又は初期位置）としている。

マニピュレータシステムについての先行技術としては、下記の特許文献１及び特許文献２が挙げられる。

特許文献１では、着脱時におけるモータ励磁切り換えや電気的な構成については考慮する必要のない構成が提案されている。

特許文献２では、複数の先端ツールの電気的着脱について記載されている。

また、本出願人は、特許文献３において、先端動作部の機構としてヨー軸、ロール軸及びグリッパ軸の３自由度構成の例を提案している。

さらに、医療用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（例えば、特許文献４参照）が提案されている。このような医療用ロボットシステムでは、マスターアームによる遠隔操作が可能であるとともに、プログラム制御により様々な動作が可能となる。

医療用ロボットシステムでは、複数のロボットアームが設けられており、手技に応じてこれらのロボットアームを使い分けることができる。ロボットアームのうち１台には内視鏡が設けられ、体腔内を所定のモニタで確認することができる。

特開２００４−１０５４５１公報 特開２００４−２０８９２２公報 特開２００７−３０１６９２公報 米国特許第６３３１１８１号明細書

医療用マニピュレータにおける先端動作部の軸位置は、例えばモータの原点を基準として算出される。したがって、手術の途中で作業部を交換する場合、新たに装着される別の作業部は正確に原点に一致した姿勢となっている必要がある。換言すれば、手術の最中又は手術の終了後に作業部を操作部から取り外す場合に該先端動作部及びプーリは原点に一致した軸位置に固定し保持しておくことが望ましい。

このためには、作業部を操作部から取り外すときに、該先端動作部及びプーリは原点に一致した軸位置にしておくとともに、プーリの回転を止める所定のロック部材により自動的にロックしておくとよい。ロック部材は、弾性体により動作するようにしておき、作業部を操作部から取り外すときに、プーリに係合するよう構成すると好適である。

一方、手術終了後の作業部は洗浄をすることが望まれているが、先端動作部は複数の小さい部品から構成されており、原点姿勢のままではブラシによるブラッシングが行いにくい場合がある。例えば、先端動作部が一対のグリッパを有するとき、原点姿勢でグリッパが閉状態であると、当接しあったグリッパ面のブラッシングが行いにくい。

また、所定のメンテナンスを行う際にも先端動作部を簡便な手段で動作できると好ましい。

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、原点姿勢でロックされたアクチュエータ部から取り外した作業部に対して、先端動作部を簡便に動作させることのできる動作治具を提供することを目的とする。

本発明は、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回転体を備える接続部、及び前記回転体に連動する動作部を含む作業部とを有する医療用マニピュレータにおける前記作業部が、前記アクチュエータ部から取り外されているときに前記動作部を動作させる動作治具であって、前記接続部は、前記アクチュエータ部に対して着脱するときに前記アクチュエータ部の一部により移動されるロック部材を備え、前記ロック部材は、前記アクチュエータ部と前記作業部が離れているときに前記回転体の係合部に係合して該回転体の回転を防止し、前記アクチュエータ部と前記作業部が接続されているときに前記係合部から離間することによって該回転体を回転可能にし、前記動作治具は、前記接続部が接続されているときに、前記回転体に接続される回転可能な円筒体と、前記アクチュエータ部の一部に相当し、前記接続部が離れているときに前記ロック部材を前記係合部に係合させ、前記接続部が接続されているときに前記ロック部材を前記係合部から離間させるように、前記ロック部材を移動させるロック部材移動手段とを有することを特徴とする。

このような動作治具は、ロック部材を移動させるロック部材移動手段を備えることにより、先端動作部のロック状態を一時的に解除させることができ、円筒体を操作することにより先端動作部を動かすことができる。なお、本発明において、アクチュエータ部の一部により移動される、ということは、該一部により直接的に駆動される場合と、他の部材を介して間接的に駆動される場合の双方を含む。

前記ロック部材移動手段は、前記接続部の方向に延在するピンであり、前記作業部は、前記ロック部材を前記回転体の方向に押圧する弾性体を備え、前記動作治具と前記作業部が離れているときには、前記ロック部材が前記弾性体によって押圧されることにより前記非円形部が前記係合孔に係合し、前記動作治具と前記作業部が接続されているときには、前記ピンの先端が前記ロック部材を押し出すことによって前記非円形部が前記係合孔から離間してもよい。

このような、ピンによってロッキング部材を移動させると、動作治具を装着することにより即時にロック状態を解除させることができ、動作治具を取り外すことにより、弾性体の作用下に即時にロック状態に復帰させることができる。

前記接続部は２以上の貫通孔を有し、前記ピンは２以上設けられ、前記動作治具と前記作業部が接続されているときに、前記ピンは前記貫通孔にそれぞれ挿通されてもよい。このようなピンによれば接続部は確実に位置決めがなされて、安定して保持される。

前記モータの前記回転軸と前記円筒体とのそれぞれの接続面は、一方の凸部が他方の凹部に係合し、該凸部及びが凹部は、１回転当たりで１箇所のみ係合する形状であってもよい。このような凸部及び凹部との係合形態によれば、相対回転位置が正しく規定される。

前記作業部を保持する１以上の係合部を有し、該係合部は、弾性付勢される解除操作部を有し、前記解除操作部を押圧することによって前記アクチュエータ部との係合が解除されてもよい。このような弾性付勢された係合部によれば、作業部に対する脱着が容易に行われる。

前記係合部は、左右面にそれぞれ設けられていると、片手で保持しながら、２本の指で簡便な操作が可能となる。

前記円筒体には、回転量を示すインジケータが設けられていると、簡便に回転量を確認できる。

本発明に係る動作治具では、ロック部材を移動させるロック部材移動手段を備えることにより、先端動作部のロック状態を一時的に解除させることができ、円筒体を操作することにより先端動作部を動かすことができる。

以下、本発明に係る動作治具の実施の形態について添付の図１〜図１５を参照しながら説明する。本実施の形態に係る動作治具４００（図１０参照）は、医療用のマニピュレータ１０に適用される。先ず、マニピュレータ１０について説明する。

マニピュレータ１０は、先端動作部１２（図１５参照）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。先端動作部１２は、例えば、前記特許文献３に記載されている３軸構成にするとよい。

図１及び図２に示すように、マニピュレータ１０は、人手によって把持及び操作される基端部の操作指令部（操作部）１４と、該操作指令部１４に対して着脱自在な作業部１６とを有する。

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マニピュレータ１０が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、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、操作指令部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指令部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、操作指令部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。

操作指令部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。

図２に示すように、操作指令部１４のグリップハンドル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、入力手段としてのトリガーレバー３２と、複合入力部３４と、スイッチ３６とを有する。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。ブリッジ２８の上面は手技の最中にも視認しやすい箇所であり、ＬＥＤ２９を配置するのに好適である。

グリップハンドル２６の下端には、コントローラ４５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。

操作指令部１４について、先ず、複合入力部３４の構成及び作用について説明する。

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る。トリガーレバー３２は、先端動作部１２のグリッパ６０（図２参照）の開閉指令を与える入力手段である。スイッチ３６は、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、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、かつ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。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いる。

図３に示すように、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内で図示しないセンサに接続されており、トリガーレバー３２の進退量が該センサによって計測されてコントローラ４５に供給される。

図３に示すように、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引込部１０１と、該引込部１０１と対向する位置に設けられ、指を当て、グリップハンドル２６からＺ１方向に押し出す押出部１０２とを有する。

操作指令部１４では、トリガーレバー３２の押出部１０２に凹部１０４を設けることにより、該凹部１０４に指先を入れて細かい操作が可能となり、先端動作部１２のグリッパ６０やはさみ等の開閉作業を正確に行うことができる。

図２及び図３に示すように、スイッチ３６はグリップハンドル２６に対して進退する操作機構であって、トリガーレバー３２とスイッチ３６とはグリップハンドル２６におけるＺ１方向の面で、グリップハンドル２６の長尺方向（Ｙ方向）に並んで配置されている。スイッチ３６はトリガーレバー３２の直下（Ｙ２方向）に設けられている。スイッチ３６とトリガーレバー３２との間には薄い板材１３０が設けられている。

スイッチ３６はオルタネート式であって、操作子３６ａを一度手前（Ｚ２方向）に引き込むことによってオン状態にロックされ、手を離すとやや先端側の位置に保持される。再度スイッチ３６を手前側に引き込むことによってオン状態は解除されてオフ状態となり、図示しない弾性体によって先端側（Ｚ１方向）の位置に復帰する。このような操作を繰り返すことにより、スイッチ３６は、オン状態又はオフ状態のいずれかに保持され、スイッチ３６を押し続ける必要がない。従って、オン状態とオフ状態との切り換え時だけスイッチ３６の操作をすればよく、それ以外のときはトリガーレバー３２の操作をすることができ、スイッチ３６とトリガーレバー３２とを併存させるのに好適である。

スイッチ３６は、システムを有効化し又はモータ４０ａ〜４０ｃを原点へ復帰させて停止させるものであって、オン状態のときに有効、オフ状態のときに停止となる。有効及び停止の状態はＬＥＤ２９の点灯状態によっても示される。

次に、作業部１６と操作指令部１４の接続部１５との着脱の構成及び作用について説明する。

図１に示すように、接続部１５は、樹脂のカバー３７に覆われており、従動回転するプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃを回転自在に保持している。プーリ５０ａ、プーリ５０ｂ及びプーリ５０ｃには、それぞれ図示しないワイヤ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。

図２及び図４に示すように、接続部１５は、左右側面の係合片２００と、下面に開口する３つの嵌合孔２０２ａ、２０２ｂ、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、Ｙ１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４０ａ、４０ｂ、４０ｃが接続部１５の延在方向に沿って並列して設けられている。プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃのＹ２方向下端にはそれぞれ結合凸部が設けられ、モータ４０ａ〜４０ｃの回転軸４２ａ、４２ｂ、４２ｃには結合凸部部が設けられている。結合凸部と結合凹部は互いに係合可能に形成されており、モータ４０ａ〜４０ｃの回転がプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに対して確実に伝達される。

これらの結合凹部及び結合凸部は、十字形状であって、十字放射状の４本の筋のうち、１本のみが他の３本と比べて短くなっており、該結合凸部及び該結合凹部は、１回転当たりで１箇所のみ係合する形状である。このような係合形態によれば、相対回転位置が正しく規定される。これらの係合部は十字形状に限られない。

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。アクチュエータブロック３０は、操作指令部１４のＺ１方向端部の下方に設けられている。また、モータ４０ａ〜４０ｃは、操作指令部１４若しくはトリガーレバー３２の操作に基づき、コントローラ４５の作用下に回転をする。

アクチュエータブロック３０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（アクチュエータ部の一部）２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃとを有する。なお、図４、図８及び図９では、接続部１５の構造が理解しやすいように、カバー３７（図１参照）を取り外した状態で示す。

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、図示しない弾性体によってレバー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。

さらに、図２に示すように、アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃの高さＨ１は、嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃを備える接続部１５におけるプーリ収納体３００の高さＨ２よりも大きく、アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃはプーリ収納体３００を適度に貫通する。

次に、接続部１５の構成について図５〜図９を参照しながら詳細に説明する。

図５及び図６に示すように、接続部１５は、プーリ５０ａ〜５０ｃが設けられたプーリ収納体３００と、該プーリ収納体３００の上部に設けられた上部体３０２と、ロッキングプレート３０４と、２つのコイルスプリング（弾性体）３０６とを有する。

プーリ５０ａ〜５０ｃは、上記の通りプーリ収納体３００におけるＺ方向に並列しており、各上端はプーリ収納体３００の上面からやや突出した板形状部（係合部）３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃとなっている。板形状部３０８ａ〜３０８ｃは、同形状であり、プーリ５０ａ〜５０ｃの上端の直径に相当する箇所に設けられており、Ｙ１方向にやや伸びている。各プーリ５０ａ〜５０ｃが原点であるときに板形状部３０８ａ〜３０８ｃは平面視でＸ方向を指向する。

ロッキングプレート３０４はＺ方向に長尺であり、中央部は幅が広く、Ｚ１方向は幅狭部３１０を介してＴ字形状の第１端部３１２を有するとともに、Ｚ２方向は幅狭部３１３を介してＸ１方向に折れ曲がった第２端部３１４を有する。作業部１６を操作指令部１４に装着しているときには、第１端部３１２の下面左右にはアライメントピン２１２ａ、２１２ｂが当接し、第２端部３１４の下面にはアライメントピン２１２ｃが当接して、ロッキングプレート３０４を相対的にＹ１方向に押しだす。

ロッキングプレート３０４の中央部には、Ｘ方向を指向する３つのスリット（係合孔）３１６ａ、３１６ｂ及び３１６ｃがＺ方向に並列されており、順にプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに対応する位置に設けられている。各スリット３１６ａ〜３１６ｃのＺ方向の幅は、板形状部３０８ａ〜３０８ｃの板厚よりやや広く、Ｘ方向の長さは、板形状部３０８ａ〜３０８ｃよりやや長い。

ロッキングプレート３０４の上面で、スリット３１６ａとスリット３１６ｂとの間、及びスリット３１６ｂとスリット３１６ｃとの間には浅い丸溝３２０が設けられている。各丸溝３２０はコイルスプリング３０６より僅かに大径であり、該コイルスプリング３０６の下端の取付座となっている。上部体３０２の下面にも丸溝３２０と同形状の２つの丸溝３２１（図６参照）が設けられており、コイルスプリング３０６の上端の取付座となっている。

上部体３０２は、ロッキングプレート３０４の幅狭部３１０の両側に設けられた一対の前方ガイド板３３０と、幅狭部３１３の両側に設けられた一対の後方ガイド板３３２と、これらの前方ガイド板３３０及び後方ガイド板３３２の各上端部に接続された天板（保持板）３３４とを有する。前方ガイド板３３０及び後方ガイド板３３２の各下端部は折れ曲がってそれぞれ取付台３３６を構成する。取付台３３６の中央には孔が設けられており、該孔をビス３３８が挿通し、該ビス３３８がプーリ収納体３００の上面のビス孔３４０に螺合することによって上部体３０２がプーリ収納体３００に固定される。

２つのコイルスプリング３０６は、天板３３４とロッキングプレート３０４との間に設けられている。ロッキングプレート３０４はコイルスプリング３０６の弾性作用によってＹ２方向に力を受けており、アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃが下方から当接して押し出されることにより、コイルスプリング３０６を圧縮してＹ１方向に移動可能である。このとき、幅狭部３１０及び３１３が前方ガイド板３３０及び後方ガイド板３３２によってガイドされＹ方向にスムーズに移動できる。また、２つのコイルスプリング３０６は、長尺なＺ方向に離間した箇所に設けられていることから、ロッキングプレート３０４はバランスよく力を受け、Ｙ方向の移動がスムーズである。

次に、このように構成されるマニピュレータ１０の作用について説明する。

先ず、図７に示すように、操作指令部１４に対して作業部１６を装着する。接続部１５をアクチュエータブロック３０に接続する際には、図４に示すように、３つの嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃにアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃが挿入されるようにしてＹ２方向に移動させる。これにより、係合部２１０のレバー２０６が先端のテーパ形状によってやや外方向に押されて変位して、係合片２００に対して摺動する。やがて、接続部１５の下面がアクチュエータブロック３０の上面に当接すると、弾性作用によってレバー２０６は原位置に復帰し、テーパ形状の下端の楔部２０６ａが係合片２００に係合することになる。接続部１５の装着が終了すると、レバー２０６が原位置に復帰することにより適度なクリック感及び装着音が発生し、操作者は装着が正常に完了したことを確認できる。

このとき、操作指令部１４のモータ４０ａ〜４０ｃはそれぞれ原点となっており、一方、作業部１６ではロッキングプレート３０４の作用によりプーリ５０ａ〜５０ｃがそれぞれ原点に位置しており、モータ４０ａ〜４０ｃの上端部は、プーリ５０ａ〜５０ｃの下端部に適切に接続される。

また、図７に示すように、３本のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃの上端部は、嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃを貫通してプーリ収納体３００の上面から突出し、第１端部３１２及び第２端部３１４の下面に当接し、コイルスプリング３０６を圧縮してロッキングプレート３０４を押し上げる。これにより、プーリ５０ａ〜５０ｃの上端の板形状部３０８ａ〜３０８ｃは、はモータ４０ａ〜４０ｃによって回転可能になる。

作業部１６の装着後、コントローラ４５では、原点を基準として角度の計算を行い先端動作部１２を正しく制御することができる。すなわち、操作指令部１４が装着された位置を原点（０°）として推定し、トリガーレバー３２と及び複合入力部３４のプラス方向及びマイナス方向の入力に対応して、先端動作部１２をロール方向及びヨー方向の回転指令を与え、グリッパ６０の開閉指令を与えることができる。

一連の手技が終了し、又は操作指令部１４を別の種類（例えば、電気メス）に交換する場合には、装着されている操作指令部１４を取り外す。この操作に先だって、操作者はスイッチ３６（図１参照）を操作し、コントローラ４５の作用下に各モータ４０ａ〜４０ｃを自動的に原点に復帰させる。この自動復帰の最中及び復帰後、ＬＥＤ２９（図１参照）はコントローラ４５の作用下に点灯状態が切り換えられる。つまり、通常動作時には緑色の点灯状態であったものが、自動復帰中は緑の点滅状態となり、復帰後には消灯状態となる。ＬＥＤ２９は視認性のよい箇所に設けられていることから、操作者はモータ４０ａ〜４０ｃが原点に復帰したことを容易に確認することができる。

ＬＥＤ２９の点灯状態によって、各モータが原点に復帰したことを確認した後、操作者は作業部１６を操作指令部１４から取り外す。

図８に示すように、接続部１５をアクチュエータブロック３０から取り外す際には、２つの操作面２０４をそれぞれ同時に押圧することによってレバー２０６が弾性付勢に抗して外方向に傾動し、係合片２００に対する係合を解除することができる。この後、接続部１５を上方に引き上げることによって作業部１６は操作指令部１４から取り外される。

このとき、図６に示すように、３本のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃから下方に抜けることから、第１端部３１２及び第２端部３１４から離間し、ロッキングプレート３０４はコイルスプリング３０６の弾性力によって下方に押し下げられる。各モータ４０ａ〜４０ｃは、それぞれ原点に復帰していることから、連動するプーリ５０ａ〜５０ｃの板形状部３０８ａ〜３０８ｃは平面視でＸ方向を指向しており、（図５参照）ロッキングプレート３０４の３つのスリット３１６ａ〜３１６ｃに係合する（図９参照）。これにより、これ以後の各プーリ５０ａ〜５０ｃの回転が防止でき、先端動作部１２が原点に保持され、次回に操作指令部１４に装着するときには、プーリ５０ａ〜５０ｃをモータ４０ａ〜４０ｃに正しく装着することができる。

次に、本実施の形態に係る動作治具４００について図１０〜図１４を参照しながら説明する。動作治具４００について、前記の操作指令部１４と同じ箇所については同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１０に示すように、動作治具４００は、ベースプレート４０２をベースに構成されており、３本のアライメントピン（ロック部材移動手段）４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃと、ベースプレート４０２よりＹ１側が前記の回転軸４２ａ、４２ｂ、４２ｃ（図３参照）と同形状となっているノブ（円筒体）４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃと、左右一対の係合部２１０を有する。図１０から了解されるように、動作治具４００は簡便構成であって、廉価である。

ベースプレート４０２は、前記操作指令部１４におけるアクチュエータブロック３０の上面部に相当し、適度な厚みを有し、Ｘ方向長さ及びＺ方向長さは、アクチュエータブロック３０の上面部と同じに設定されている。ベースプレート４０２は、例えば鋼材である。

アライメントピン４０４ａ〜４０４ｃは、前記のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃ（図３参照）に相当する部材であり、高さ（Ｈ１）、形状及び相対位置が同じである。アライメントピン４０４ａ〜４０４ｃは、ベースプレート４０２に対して、例えば圧入され固定され、Ｙ１方向に延在している。このような２以上のピンによれば接続部１５が確実に位置決めがなされて、安定して保持される。

２つの係合部２１０は、前記と同様の構成であり（図３、図４、図８参照）、ベースプレート４０２からＹ１方向に延在するレバー２０６と、操作面２０４とを有する。レバー２０６における上部内側面には、係合片２００に係合する楔部２０６ａが設けられている。

ベースプレート４０２の側面には、それぞれＹ方向に突出した耳片部４０８が設けられており、該耳片部４０８に対してレバー２０６がヒンジ４１０を介して軸支されている。

２つのレバー２０６における下部内側面には、小さいコイルスプリング４１２が設けられている。各コイルスプリング４１２は圧縮して配置されており、内側はノブ４０６ｂの側面に当接し、外側はレバー２０６の内面に固定されている。したがって、レバー２０６は、ヒンジ４１０を中心として、下側部分（Ｙ２側）が外向き、上側部分（Ｙ１側）が内向き方向に付勢されている。コイルスプリング４１２は、適度なばね定数で、適度に圧縮されており、レバー２０６は人手による操作が可能である。レバー２０６を付勢する手段は、コイルスプリング４１２に限らず、例えば、ヒンジ４１０に内蔵するトーションスプリングでもよい。

図１１に示すように、ノブ４０６ａの上端面の回転軸４２ａは、結合凹部が十字形状であって、十字放射状の４本の筋のうち、１本のみが他の３本と比べて短くなっている。上記の通り、プーリ５０ａの下面における結合凸部もこれに対応した形状となっており、双方は１回転当たりで１箇所のみ係合する形状である。このような係合形態によれば、相対回転位置が正しく規定される。回転軸４２ｂ及び４２ｃについても同様である。

図１２に示すように、ノブ４０６ａ〜４０６ｃは、ベースプレート４０２からＹ２方向に延在しており、指でつまむのに適した径（例えば、５ｍｍ〜２０ｍｍ）であり、Ｙ１方向部分の外周面にはローレットが設けられている。ノブ４０６ａ〜４０６ｃは、ベースプレート４０２に対してそれぞれ回転自在に設けられている。ノブ４０６ａ〜４０６ｃの回転範囲は無制限ではなく、０°を基準とした±１８０°（合計３６０°）に制限されており、プーリ５０ａ〜５０ｃが過度に動かないようにしてワイヤとの固定部に無理な力がかからないようにしている。

ベースプレート４０２よりもＹ２側において、ノブ４０６ａ〜４０６ｃの側面には、工具把持用及び角度認識用にＤカット面４１４がそれぞれ設けられている。ノブ４０６ａ〜４０６ｃの端面には、回転量を示す三角形状のインジケータ４１６がそれぞれ設けられている。インジケータ４１６の三角先端部がＺ２方向を指向しているときに、各ノブ４０６ａ〜４０６ｃは、基準となる０°位置である。このとき、ノブ４０６ａ〜４０６ｃの上端面の回転軸４２ａ〜４２ｃは、プーリ５０ａ〜５０ｃに対する０°位置と同じ向きとなり、相互に係合可能となる。

インジケータ４１６の０°位置を明示するために、ベースプレート４０２の下面におけるＺ２方向端部には、マーク４１８が設けられている。マーク４１８は、インジケータ４１６と同形状の三角形であり、且つ三角先端部がＺ１方向を指向しており、インジケータ４１６の０°位置を示すことが容易に認識可能である。

各ノブ４０６ａ〜４０６ｃは、インジケータ４１６の目視による確認以外に、基準となる０°位置になるときに、それぞれ適度なクリック感を発生させ、触覚による確認が可能となっている。また、それぞれ適度なクリック音を発生させて聴覚による確認をしてもよい。

次に、このように構成される動作治具４００の作用について説明する。

上記の通り、手術終了後に操作指令部１４から取り外された作業部１６では、プーリ５０ａ〜５０ｃがロッキングプレート３０４によって自動的にロックされている（図６、図９参照）。このとき、先端動作部１２は原点姿勢となっており、例えば、グリッパ６０は閉状態であって、そのままでは当接しあったグリッパ面６０ａ（図１４参照）のブラッシングが行いにくい。

そこで、図１２に示すように、アライメントピン４０４ａ〜４０４ｃが嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃに嵌合する向き、配置に動作治具４００を設定し、該動作治具４００をＹ１方向に移動させて接続部１５に装着する。基本的には、動作治具４００の装着操作は、接続部１５と操作指令部１４との接続操作（図４参照）と同様である。つまり、動作治具４００をＹ１方向に移動させることにより、係合部２１０のレバー２０６が先端のテーパ形状によってやや外方向に押されて変位して、係合片２００に対して摺動し、接続部１５の下面がベースプレート４０２の上面に当接すると、コイルスプリング４１２の弾性作用によってレバー２０６は原位置に復帰し、テーパ形状の下端の楔部２０６ａが係合片２００に係合することになる。接続部１５の装着が終了すると、レバー２０６が原位置に復帰することにより適度なクリック感及び装着音が発生し、操作者は装着が正常に完了したことを確認できる。

このとき、動作治具４００のノブ４０６ａ〜４０６ｃはそれぞれ原点となっており、一方、作業部１６ではロッキングプレート３０４の作用によりプーリ５０ａ〜５０ｃがそれぞれ原点に位置しており、ノブ４０６ａ〜４０６ｃの上端部は、プーリ５０ａ〜５０ｃの下端部に適切に接続される。

また、図１３に示すように、３本のアライメントピン４０４ａ〜４０４ｃの上端部は、嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃを貫通してプーリ収納体３００の上面から突出し、第１端部３１２及び第２端部３１４の下面に当接し、コイルスプリング３０６を圧縮してロッキングプレート３０４を押し上げる。これにより、プーリ５０ａ〜５０ｃの上端の板形状部３０８ａ〜３０８ｃは、ロッキングプレート３０４のスリット３１６ａ〜３１６ｃから抜けて回転可能になる。

このように動作治具４００が接続部１５に接続された状態においては、ノブ４０６ａ〜４０６ｃがモータ４０ａ〜４０ｃの代わりとなり、該ノブ４０６ａ〜４０６ｃを指４５０つまんで回転させることにより、先端動作部１２を動作させることができる。例えば、図１４に示すように、グリッパ６０を開状態とすると、グリッパ面６０ａが露呈され、図示しないブラシによるブラッシング等の洗浄を行いやすい。動作治具４００を用いるのは、ブラシによる洗浄時に限られない。例えば、動作治具４００を用いて先端動作部１２を動かしながら水流による洗浄を行ってもよい。動作治具４００は、プーリ５０ａ〜５０ｃを洗浄するのにも好適に用いられる。つまり、プーリ５０ａ〜５０ｃは接続部１５内の図示しないプーリ室に設けられており、該プーリ室に洗浄液を注入してプーリ５０ａ〜５０ｃを洗浄するのに向きを変えることができると好適である。動作治具４００は、メンテナンスや動作確認にも好適に用いられる。

先端動作部１２の各軸は動作干渉のある構成であり、ノブ４０６ａ〜４０６ｃのいずれかを動かすと２軸以上が動く場合がある。したがって、ノブ４０６ａ〜４０６ｃは個別に回転可能であることから、先端動作部１２各軸の状態を確認しながら操作をするとよい。

洗浄等の所定の処理が終了したら、作業部１６から動作治具４００を取り外す。このとき、先端動作部１２の所定の原点位置となるように目視確認するとともに、３つのインジケータ４１６（図１２参照）がそれぞれＺ２方向となるように調整しておく。すなわち、各ノブ４０６ａ〜４０６ｃが基準となる０°の位置とする。

次に、動作治具４００を接続部１５から取り外す際には、２つの操作面２０４をそれぞれ同時に押圧することによってレバー２０６がコイルスプリング４１２の弾性付勢に抗して外方向に傾動し、係合片２００に対する係合を解除することができる。この後、動作治具４００を下方に引き上げることによって作業部１６から取り外される。動作治具４００を取り外すことにより、コイルスプリング３０６（図６参照）の作用下に、ロッキングプレート３０４が元の状態に復帰し、自動的且つ即時にロック状態にすることができる。基本的に、この操作は、操作指令部１４と接続部１５との切り離し操作と同様である（図８参照）。係合部２１０は動作治具４００の左右面に設けられており、片手で保持しながら、２本の指で簡便な操作が可能となる。

上述したように、医療用のマニピュレータ１０では、ロック部材としてのロッキングプレート３０４が操作指令部１４の一部であるアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃにより駆動されてプーリ５０ａ〜５０ｃの板形状部３０８ａ〜３０８ｃに対して係合及び離間する。これにより、アクチュエータブロック３０と作業部１６が離れているときに、板形状部３０８ａ〜３０８ｃがロッキングプレート３０４のスリット３１６ａ〜３１６ｃに係合してプーリ５０ａ〜５０ｃの回転を防止し、先端動作部１２及びプーリ５０ａ〜５０ｃは原点に一致した軸位置に自動的にロックされる。

また、本実施の形態に係る動作治具４００は、ロッキングプレート３０４を移動させるアライメントピン４０４ａ〜４０４ｃを備えることにより、プーリ５０ａ〜５０ｃ及び先端動作部１２のロック状態を一時的に解除させることができ、ノブ４０６ａ〜４０６ｃを操作することにより先端動作部１２を任意に動かすことができ、洗浄やメンテナンスに好適である。

さらに、マニピュレータ１０の非常停止時で、プーリ５０ａ〜５０ｃがロックされていない状態で接続部１５が操作指令部１４から取り外されたときに、動作治具４００を用いることで、先端動作部１２をマニュアルで動かすことができる等の効果が得られる。

作業部１６は、人手で操作をする操作指令部１４に接続されるものとして説明したが、例えば図１５に示すような手術用ロボットシステム７００に適用してもよい。

手術用ロボットシステム７００は、多関節型のロボットアーム７０２と、コンソール７０４とを有し、作業部１６はロボットアーム７０２の先端に接続されている。ロボットアーム７０２の先端には前記のアクチュエータブロック３０と同じ機構を設けることにより、作業部１６を接続及び駆動可能である。この場合のマニピュレータ１０は、ロボットアーム７０２と作業部１６とからなる。ロボットアーム７０２は、作業部１６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７０４は、テーブル型（操作卓）、制御盤型等の構成を採りうる。

ロボットアーム７０２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１６の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のアクチュエータブロック３０は、ロボットアーム７０２の先端部７０８と一体化している。

アクチュエータブロック３０は、前記の通り作業部１６をロックする独立的な２つのレバー２０６を有する。接続部１５は、コイルスプリング３０６により弾性付勢されるとともにアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃによって駆動されるロッキングプレート３０４を有し、プーリ５０ａ〜５０ｃをロックし又は解除をすることができる。

ロボットアーム７０２は、コンソール７０４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７０４に設けられたジョイスティック７０６に倣った動作、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７０４は、前記のコントローラ４５の機能を含んでいる。

コンソール７０４には、前記操作指令部１４のうちアクチュエータブロック３０を除いた機構の操作指令部としての２つのジョイスティック７０６とモニタ７１０が設けられており、操作指令部１４と同様の操作が可能である。図示を省略するが、２つのジョイスティック７０６により、２台のロボットアーム７０２を個別に操作が可能である。２つのジョイスティック７０６は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ７１０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７０６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７０２を動かすことができる。また、グリップハンドル２６に設けられたトリガーレバー３２、複合入力部３４、スイッチ３６により、操作指令部１４と同様の操作が可能である。ジョイスティック７０６はマスターアームであってもよい。ロボットアーム７０２とコンソール７０４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。

本発明に係る動作治具は、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。

医療用のマニピュレータの斜視図である。 作業部と操作指令部とを分離したマニピュレータの側面図である。 操作指令部の斜視図である。 作業部の接続部と操作指令部のアクチュエータブロックとを分離した状態を斜め下方から見た斜視図である。 接続部の分解斜視図である。 接続部の側面図である。 操作指令部に接続されたときの接続部の側面図である。 接続部をアクチュエータブロックから取り外す際に、２つの操作面を同時に押圧する状態のマニピュレータの正面図である。 操作指令部に接続されたときのロッキングプレート及びその周辺の一部断面斜視図である。 本実施の形態に係る動作治具の斜視図である。 回転軸の平面図である。 作業部の接続部と動作治具とを離した状態を斜め下方から見た斜視図である。 動作治具が接続された状態の接続部の側面図である。 グリッパを開いた状態の先端動作部の斜視図である。 作業部をロボットアームの先端に接続した手術用ロボットシステムの概略斜視図である。

符号の説明

１０…マニピュレータ １２…先端動作部
１４…操作指令部 １５…接続部
１６…作業部 ２９…ＬＥＤ
４０ａ〜４０ｃ…モータ ４２ａ〜４２ｃ…回転軸
５０ａ〜５０ｃ…プーリ（回転体） ２０２ａ〜２０２ｃ…嵌合孔
２１２ａ〜２１２ｃ、４０４ａ〜４０４ｃ…アライメントピン
３０２…上部体 ３０４…ロッキングプレート
３０６、４１２…コイルスプリング ３０８ａ〜３０８ｃ…板形状部
３１６ａ〜３１６ｃ…スリット（係合孔） ４００…動作治具
４０２…ベースプレート ４０６ａ〜４０６ｃ…円筒体
４１６…インジケータ

Claims (7)

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回転体を備える接続部、及び前記回転体に連動する動作部を含む作業部とを有する医療用マニピュレータにおける前記作業部が、前記アクチュエータ部から取り外されているときに前記動作部を動作させる動作治具であって、
   前記接続部は、前記アクチュエータ部に対して着脱するときに前記アクチュエータ部の一部により移動されるロック部材を備え、
   前記ロック部材は、前記アクチュエータ部と前記作業部が離れているときに前記回転体の係合部に係合して該回転体の回転を防止し、前記アクチュエータ部と前記作業部が接続されているときに前記係合部から離間することによって該回転体を回転可能にし、
   前記動作治具は、
   前記接続部が接続されているときに、前記回転体に接続される回転可能な円筒体と、
   前記アクチュエータ部の前記一部に相当する機能を有し、前記接続部が離れているときに前記ロック部材を前記係合部に係合させ、前記接続部が接続されているときに前記ロック部材を前記係合部から離間させるように、前記ロック部材を移動させるロック部材移動手段と、
   を有することを特徴とする動作治具。
2. 請求項１記載の動作治具において、
   前記ロック部材移動手段は、前記接続部の方向に延在するピンであり、
   前記作業部は、前記ロック部材を前記回転体の方向に押圧する弾性体を備え、
   前記動作治具と前記作業部が離れているときには、前記ロック部材が前記弾性体によって押圧されることにより非円形部が前記係合孔に係合し、前記動作治具と前記作業部が接続されているときには、前記ピンの先端が前記ロック部材を押し出すことによって前記非円形部が前記係合孔から離間することを特徴とする動作治具。
3. 請求項２記載の動作治具において、
   前記接続部は２以上の貫通孔を有し、
   前記ピンは２以上設けられ、前記動作治具と前記作業部が接続されているときに、前記ピンは前記貫通孔にそれぞれ挿通されることを特徴とする動作治具。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の動作治具において、
   前記モータの前記回転軸と前記円筒体とのそれぞれの接続面は、一方の凸部が他方の凹部に係合し、該凸部及び凹部は、１回転当たりで１箇所のみ係合する形状であることを特徴とする動作治具。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の動作治具において、
   前記作業部を保持する１以上の係合部を有し、該係合部は、弾性付勢される解除操作部を有し、前記解除操作部を押圧することによって前記アクチュエータ部との係合が解除されることを特徴とする動作治具。
6. 請求項５記載の動作治具であって、
   前記係合部は、左右面にそれぞれ設けられていることを特徴とする動作治具。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の動作治具において、
   前記円筒体には、回転量を示すインジケータが設けられていることを特徴とする動作治具。

Images