JP2009160011A - 医療用マニピュレータ及び医療用ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】体腔内で広い術野を確保することのできる医療用マニピュレータを提供する。
【解決手段】マニピュレータ１０ｃは、接続ブロック４２、連結シャフト４４、先端動作部４６を有する。先端動作部４６は、グリッパ７８と、該グリッパ７８の向きを変える先端関節としてのピッチ軸７４及びヨー軸７６を有する。グリッパ７８、ピッチ軸７４及びヨー軸７６は、ワイヤ５０ａ〜５０ｃが巻き掛けられた回転体により動作をする。連結シャフト４４は、ワイヤ５０ｄ〜５０ｇの進退によって屈曲駆動する第１中間関節５８及び第２中間関節６０を有する。マニピュレータ１０ｃは、第１中間関節５８及び第２中間関節６０で屈曲することから連結シャフト４４を適切配置することができるとともに、グリッパ７８の向きをピッチ軸７４及びヨー軸７６によって臓器に対して適切な向きに調整可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、アクチューエータによって駆動される可撓性部材を介して動作する先端関節を備える医療用マニピュレータと、該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、マニピュレータ（又は鉗子）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及び特許文献２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制御装置とから構成される。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作業部を駆動する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。制御装置は、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循環駆動する。

一方、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３参照）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２００２−１０２２４８号公報 特開２００３−６１９６９号公報 米国特許第６３３１１８１号明細書

腹腔鏡下手術においては、患者の体腔内に広い術野が確保されることが望ましい。術野が広いほどマニピュレータによる操作の自由度が高いためである。

体腔内では患部の臓器以外にも様々な臓器があり、そのままでは広い術野が確保されない場合がある。そこで、医療用ロボットシステムにおいては、複数のロボットアームのうち１台に設けられたマニピュレータをリトラクタとして用いることが考えられる。リトラクタとは、患部以外の臓器を、手技の支障とならないように所定の箇所に退避させるものである。

ところが、リトラクタにより所定の臓器を退避させても、該リトラクタ自体が体腔内を横断するように配置されてしまい、十分に広い術野が確保されない場合がある。

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、体腔内で広い術野を確保することのできる医療用マニピュレータ及び医療用ロボットシステム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及び医療用ロボットシステムは、第１アクチューエータによって駆動される第１可撓性部材及び第２アクチュエータによって駆動される第２可撓性部材が内部に配設され、少なくとも１部が屈曲可能な棒形状部材と、前記第１可撓性部材が巻き掛けられた回転体により回動する１以上の先端関節と、前記先端関節より基端側に設けられ、前記第２可撓性部材が進退することによって屈曲する１以上の中間関節とを有することを特徴とする。

このような医療用マニピュレータでは、先端関節により医療用の適切な手技が可能であるとともに、中間関節で屈曲することから棒形状部材を適切配置することができ、特に、他の医療用マニピュレータとの干渉を回避するのに好適である。

前記棒形状部材は、前記第１可撓性部材が挿通する孔を備える１以上の案内板を有してもよい。このような案内板によれば、中間関節を屈曲させた場合にも第１可撓性部材を適切な位置に配置することができる。

ロボットアームに接続され、前記棒形状部材がトラカールから体腔に挿入され、該トラカールを基準として進退及び傾動するように制御されてもよい。これにより、トラカールを基準とした適切な動作が実現できる。

前記中間関節は、先端側から順に第１中間関節及び第２中間関節を含み、前記第１中間関節は、前記棒形状部材の先端から３ｃｍ〜５ｃｍのいずれかの位置に設けられ、前記第２中間関節は、前記棒形状部材の先端から７ｃｍ〜１２ｃｍのいずれかの位置に設けられていてもよい。これにより、体腔で棒状部材を適切配置できる。

本発明に係る医療用ロボットシステムは、マニピュレータが設けられた複数の第１ロボットアームと、内視鏡を保持する第２ロボットアームと、前記第１ロボットアーム及び前記第２ロボットアームを制御する制御部とを有する医療用ロボットシステムであって、前記マニピュレータは、トラカールから体腔に挿入される棒形状部材と、前記棒形状部材の先端に設けられ、１以上の関節を備える先端動作部とを有し、前記マニピュレータの少なくとも１つはリトラクタであり、前記棒形状部材の途中に設けられ、該棒形状部材を屈曲させる１以上の中間関節を有することを特徴とする。

このような医療用マニピュレータシステムでは、リトラクタで体腔の臓器等を所定の場所に退避させて広い術野を確保することができ、しかも、中間関節で屈曲することから棒形状部材を適切配置することができ、さらに広い術野が確保され、他のマニピュレータとの干渉を回避して容易な手技が可能となる。

前記リトラクタは、所定の動作モードにより、接続された前記第１ロボットアームと協動し、前記先端動作部の姿勢を基準とした座標系に基づいて、該先端動作部を、姿勢を一定にして進退させてもよい。これにより、体腔内の臓器を退避させる動作等を容易に行うことができる。

前記リトラクタは、所定の動作モードにより、接続された前記第１ロボットアームと協動し、前記先端動作部の位置及び姿勢を一定にして、前記中間関節を屈曲させてもよい。これにより、中間関節の屈曲を適切且つ容易に行うことができる。

回動型入力手段を有し、前記中間関節は、前記回動型入力手段の回動量及び回動方向に対応して、前記棒形状部材の所定の基準点を中心とした仮想球面又は仮想円弧上を移動させてもよい。回転型入力手段を用いることにより、中間関節の屈曲を適切且つ容易に、しかも直感的に行うことができる。

前記回動型入力手段は、トラックボールであると、容易な操作が可能となる。

前記回動型入力手段の入力を有効化又は無効化させるスイッチを有してもよい。これにより、不用意に中間関節を動作させることを防止できる。

本発明に係る医療用マニピュレータによれば、先端関節により医療用の適切な手技が可能であるとともに、中間関節で屈曲することから棒形状部材を適切配置することができ、特に、他の医療用マニピュレータとの干渉を回避するのに好適である。これにより、体腔内で広い術野を確保することができる。

本発明に係る医療用マニピュレータシステムでは、リトラクタで体腔の臓器等を所定の場所に退避させて広い術野を確保することができ、しかも、中間関節で屈曲することから棒形状部材を適切配置することができ、さらに広い術野が確保され、他のマニピュレータとの干渉を回避して容易な手技が可能となる。

以下、本発明に係る医療用マニピュレータ及び医療用ロボットシステムについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１８を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係るマニピュレータ１０ｃ及び医療用ロボットシステム１２は手術用であって、例えば患者１４の腹腔鏡下手術に適用される。

医療用ロボットシステム１２は、手術台１５の近傍に設けられたステーション１６と、該ステーション１６に設けられた４台のロボットアーム１８ａ、１８ｂ、１８ｃ（第１ロボットアーム）及び１８ｄ（第２ロボットアーム）と、全体的な制御を行うコンソール（制御部）２０とを有する。ロボットアーム１８ａ〜１８ｄとコンソール２０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。コンソール２０は、医療用ロボットシステム１２の全ての制御を負担している必要はなく、例えば、ロボットアーム１８ａ〜１８ｄのフィードバック制御は、それぞれのロボット側に設けられていてもよい。ロボットアーム１８ａ〜１８ｃは、コンソール２０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２０に設けられたジョイスティック８０ａ〜８０ｃ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。

ロボットアーム１８ａ〜１８ｃは、各先端にマニピュレータ１０ａ、１０ｂ及び１０ｃを有し、ロボットアーム１８ｄの先端には内視鏡２４が設けられている。マニピュレータ１０ａ〜１０ｃのシャフト及び内視鏡２４は、それぞれトラカール２５を介して体腔２７内に挿入される。ステーション１６は複数台であってもよい。マニピュレータ１０ａ〜１０ｃ及び内視鏡２４は、ロボットアーム１８ａ〜１８ｄに対して着脱可能に構成されている。

ロボットアーム１８ａ〜１８ｄは、多関節機構（例えば、独立的な６軸機構）を有し、コンソール２０によって制御され、マニピュレータ１０ａ〜１０ｃ及び内視鏡２４を動作範囲内における任意の位置で任意の姿勢に設定可能である。ロボットアーム１８ａ〜１８ｃの関節機構は、連結シャフト４４を中心としてマニピュレータ１０ａ〜１０ｃを回転させる回転機構２２を含む。

ロボットアーム１８ａ〜１８ｄは、先端の軸に沿ってマニピュレータ１０ａ〜１０ｃ及び内視鏡２４を進退させるスライド機構２６と、ステーション１６に沿って移動する昇降機構２８とを有する。ロボットアーム１８ａ〜１８ｄは全て同じ構成であってもよいし、マニピュレータ１０ａ〜１０ｃ及び内視鏡２４の種類に応じて異なる構成であってもよい。

ロボットアーム１８ａ及び１８ｂに設けられたマニピュレータ１０ａ及び１０ｂは、主に患部に対して直接的な手技を施すためのものであり、先端作業部には、例えばグリッパ、鋏及び電気メス等が設けられる。ロボットアーム１８ｃに設けられたマニピュレータ１０ｃは、主に、体腔２７の臓器等を所定の場所に退避させて広い術野を確保するためのリトラクタとして用いられる。

次に、マニピュレータ１０ｃ及び該マニピュレータ１０ｃとロボットアーム１８ｃとの接続部の構成について説明をする。図２〜図６に示すように、マニピュレータ１０ｃについて、幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向及び、連結シャフト（棒形状部材）４４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。

図２に示すように、マニピュレータ１０ｃは、ロボットアーム１８ｃの先端におけるスライダ４０に対して着脱自在な構成になっている。スライダ４０は、スライド機構２６によってスライド可能である。スライダ４０には、７つのモータ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ及び３０ｇがＺ方向にこの順に並列している。モータ３０ａ〜３０ｃ（第１アクチュエータ）は、先端動作部４６の駆動用であり、モータ（第２アクチュエータ）３０ｄ〜３０ｇは第１中間関節５８及び第２中間関節６０の駆動用である。

マニピュレータ１０ｃは、スライダ４０に対する接続ブロック４２と、該接続ブロック４２からＺ１方向に延在する中空の連結シャフト４４と、該連結シャフト４４の先端に設けられた先端動作部４６とを有する。

接続ブロック４２は、所定の着脱機構によりスライダ４０に対して着脱及び交換が可能である。接続ブロック４２は、モータ３０ａ〜３０ｇに係合するプーリ４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ、４８ｅ、４８ｆ及び４８ｇがＺ方向にこの順に並列している。モータ３０ａ〜３０ｇとプーリ４８ａ〜４８ｇは、一方に非円形の凸部があり、他方に該凸部に係合する凹部が設けられており、モータ３０ａ〜３０ｇの回転がプーリ４８ａ〜４８ｇに伝達される。

プーリ４８ａ〜４８ｇには、ワイヤ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ及び５０ｇが巻き掛けられている。ワイヤ５０ａ〜５０ｃ（第１可撓性部材）は環状であって、滑り止めのため一部がプーリ４８ａ〜４８ｃに固定されて、例えば１．５回転巻き掛けられて、連結シャフト４４内をＺ１方向に延在しており、プーリ４８ａ〜４８ｃが回転することにより、左右から延在する２本のうち一方が巻き取られ、他方が巻き出される。ワイヤ５０ａ〜５０ｃは、Ｙ方向にずれて配置されており、相互の干渉がない。

プーリ４８ｅ、４８ｇは、ワイヤ５０ｅ、５０ｇ（第２可撓性部材）が巻き掛けられる巻回部５２を有する。接続ブロック４２内には、各巻回部５２からワイヤ５０ｅ、５０ｇを連結シャフト４４に対して案内するアイドラ対５４ａ及び５４ｂが設けられている。プーリ４８ｅ、４８ｇの巻回部５２に対して、それぞれアイドラ対５４ａ及び５４ｂが斜め上下の位置（Ｚ１方向とＹ１方向の間方向、及び、Ｚ１方向とＹ２方向の間方向）に配置されており、ワイヤ５０ｅ、５０ｇを連結シャフト４４の上部及び下部の位置に案内する。ワイヤ５０ｅ、５０ｇは、プーリ４８ｅ、４８ｇが回転することにより、上下から延在する２本のうち一方が巻き取られ、他方が巻き出される。

図３に示すように、プーリ４８ｄはＸ方向に延在するアーム５６を有し、該アーム５６の左右両端にワイヤ５０ｄの両端部が接続されている。ワイヤ５０ｄは、プーリ４８ｄが回転することにより、左右から延在する２本のうち一方が巻き取られ、他方が巻き出される。図示を省略するが、プーリ４８ｆとワイヤ５０ｆについても同様の構成となっている。ここで、プーリ４８ｄ及び４８ｆはワイヤ５０ｄ及び５０ｆ（第２可撓性部材）が巻き掛けられていないことから、厳密にはプーリとしての作用はないが、便宜上プーリと呼ぶ。

次に、図２に示すように、連結シャフト４４は、接続ブロック４２からＺ１方向に延在し、先端に先端動作部４６が設けられており、先端側から順に第１中間関節５８及び第２中間関節６０を有する。第１中間関節５８及び第２中間関節６０は、ワイヤ５０ｄ〜５０ｇが進退することにより屈曲する。第１中間関節５８は、先端動作部４６を含んだ連結シャフト４４の先端を基準として３ｃｍ〜５ｃｍ（図２の距離Ｌ１）のいずれかの位置に設けられているとよく、第２中間関節６０は、同じく７ｃｍ〜１２ｃｍ（図２の距離Ｌ２）のいずれかの位置に設けられているとよい。このような長さの設定にすることにより、体腔２７内における手技（図１４〜図１７参照）で、マニピュレータ１０ｃはリトラクタとして好適に作用する。

図４に示すように、第１中間関節５８は、相互に回動し得る複数の節輪環６２が積層されている。なお、図４では、３個の節輪環６２を例示して第１中間関節５８を説明するが、節輪環６２の設置数はこれに限定されず、例えば、４〜３０個程度であってもよい。

各節輪環６２の一方の面には、節輪環６２の中心を介して対向する一対のＶ字状の溝６４が形成され、他方の面には、節輪環６２の中心を介して対向する一対の半円柱状の突部６６が前記溝６４と９０°ずれた位置に形成されている。この場合、隣接する節輪環６２同士は、それらの溝６４同士が互いに９０°ずれた姿勢で配置され、一方の節輪環６２の両突部６６が他方の節輪環６２の対応する両溝６４内に挿入されるようにして各節輪環６２が接合される。

また、各節輪環６２において、両溝６４及び両突部６６が形成された位置には、それぞれ貫通孔６７が形成されており、各節輪環６２の対応する貫通孔６７には、ワイヤ５０ｄ、５０ｄ及びワイヤ５０ｅ、５０ｅがそれぞれ挿通すると共に、当該ワイヤ５０ｄ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｅの先端が第１中間関節５８の先端側（Ｚ１側）に配列された節輪環６２に連結されている。これにより、各節輪環６２が集合され略一体的に構成される。

このような第１中間関節５８において、突部６６が溝６４に挿入された状態では、隣接する節輪環６２の間には隙間が形成されるため、突部６６が溝６４内で回動することができ、これにより、隣接する節輪環６２同士が回動することができる。この場合、隣接する１組の節輪環６２同士の回動角度は小さいが、その角度が複数組の節輪環６２について累積すると、湾曲部全体として所望の湾曲（例えば６０〜１２０°程度）を得ることができ、先端動作部４６を連結シャフト４４の長尺軸と非平行な状態に曲げることができる。

そこで、コンソール２０の制御下に、プーリ４８ｄ及び４８ｅが適宜回転駆動されると各ワイヤ５０ｄ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｅがそれぞれ所定距離だけ進退移動され、これにより、第１中間関節５８を連結シャフト４４の横断面上で上下（前後）左右に所望の角度で屈曲させることができる。すなわち、第１中間関節５８は、ワイヤ５０ｄ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｅによる牽引により能動的に屈曲又は湾曲する。この場合、湾曲方向やその数（自由度）は、特に限定されるものではなく、また、図示されていないが、各節輪環６２の外周を、例えば、弾性または可撓性を有する材料で構成された層で被覆することも可能である。

各節輪環６２の中央には、ワイヤ５０ａ、５０ａ、５０ｂ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｃが挿通する６つの案内孔６８を備える案内板７０が設けられている。６つの案内孔６８は、Ｙ方向に並ぶ３つの組が、Ｘ方向に２列に配列されており、それぞれ軸芯に近い位置に設けられている。第１中間関節５８が非屈曲の状態においては、案内孔６８を通るワイヤ５０ａ〜５０ｃはほとんど屈曲せず直線状に配置される。案内板７０は、３つの節輪環６２のうち少なくとも１つに設けられているとよい。

第１中間関節５８が屈曲させた場合に、ワイヤ５０ａ〜５０ｃは、案内孔６８に案内されて過度に移動又は屈曲することがなく、しかも互いに接触することがなく、適切な位置に配置することができる。

図５に示すように、第２中間関節６０は、第１中間関節５８と略同様の構成であって、各節輪環６２に４つの貫通孔７２が設けられている。各貫通孔７２は、各貫通孔６７の近傍に設けられている。貫通孔６７にはワイヤ５０ｆ、５０ｆ、５０ｇ、５０ｇが挿通されており、第１中間関節５８におけるワイヤ５０ｄ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｅに相当する作用を奏し、第２中間関節６０を能動的に屈曲又は湾曲させることができる。ワイヤ５０ｄ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｅは、４つの貫通孔７２を挿通して、第１中間関節５８（つまりＺ１方向）に向かって延在している。

なお、第１中間関節５８及び第２中間関節６０は、蛇腹形状又は柔軟で屈曲可能な部材により覆われている。連結シャフト４４における第１中間関節５８及び第２中間関節６０以外の箇所は硬質な部材で構成されている。

図６に示すように、先端動作部４６は、連結シャフト４４の先端に設けられており、少なくとも、ワイヤ５０ａが巻き掛けられたプーリ（回転体）、ワイヤ５０ｂが巻き掛けられたプーリ、及びワイヤ５０ｃが巻き掛けられたプーリを有する。ワイヤ５０ａ〜５０ｃが、接続ブロック４２のプーリ４８ａ〜４８ｃの回転動作よって進退することにより先端動作部４６の各プーリが従動的に回転し、該先端動作部４６は３軸動作が可能である。この動作は、例えば、ピッチ軸（先端関節）７４及びヨー軸（先端関節）７６を中心とした回動動作と、グリッパ７８の開閉動作である。グリッパ７８は、片開き式又は両開き式のいずれでもよい。この先端動作部４６は、例えば、前記特許文献２記載の医療マニピュレータにおける先端の作業部と同機構にすればよい。

なお、第１中間関節５８、第２中間関節６０、ピッチ軸７４、ヨー軸７６及びグリッパ７８は、相互に動作干渉を発生しうることから、コンソール２０では、干渉量を演算して補償するように各ワイヤ５０ａ〜５０ｇを進退させる制御を行う。つまり、所定箇所を動作させたときに、他の箇所が動作干渉による無駄な動きをしないように制御をする。

マニピュレータ１０ａ及び１０ｂについては、マニピュレータ１０ｃにおける第１中間関節５８、第２中間関節６０、モータ３０ｄ〜３０ｆ、ワイヤ５０ｄ〜５０ｆ及びプーリ４８ｄ〜４８ｆを省略した構成にすればよい。もちろん、マニピュレータ１０ａ及び１０ｂはマニピュレータ１０ｃと同構成であってもよい。

図７に示すように、コンソール２０には、人による操作部としての３つのジョイスティック８０ａ、８０ｂ、８０ｃと、モニタ８２（図１参照）と、２つのトラックボール（回動型入力手段）８４ａ、８４ｂと、該トラックボール８４ａ、８４ｂの入力を有効化又は無効化させるイネーブルスイッチ８６ａ、８６ｂと、復帰スイッチ８８ａ、８８ｂとを有する。モニタ８２には、内視鏡２４による画像等の情報が表示される。トラックボール（回動型入力手段）８４ａ、８４ｂは、コンソール２０の操作卓上の中央に並列している。復帰スイッチ８８ａ、８８ｂは、トラックボール８４ａ、８４ｂの奥に配置されている。イネーブルスイッチ８６ａ、８６ｂは反円弧形状のモーメンタリスイッチであって、トラックボール８４ａ、８４ｂの半周を略囲むように近接配置されている。

ジョイスティック８０ａ〜８０ｃの操作により、ロボットアーム１８ａ〜１８ｃを個別に操作が可能である。ロボットアーム１８ｄは、図示しない別の入力手段により操作可能である。ジョイスティック８０ａ、８０ｂは、両手で操作しやすい左右位置に設けられており、ジョイスティック８０ｃは、中央のやや奥の位置に設けられている。

ジョイスティック８０ａ〜８０ｃは、上下動作、捻り動作、及び全方向への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１８ａ〜１８ｃを動かすことができる。ジョイスティック８０ａ〜８０ｃは、手を離すと対応するロボットアーム１８ａ〜１８ｃの姿勢が保持されたまま図７に示す直立の基準状態に復帰する。ジョイスティック８０ａ〜８０ｃは、基本的に同構造であり、人手によって握るハンドルグリップ１００と、主に人差し指、中指によって押し引き操作されるトリガレバー１０２と、主に親指によって操作される複合入力部１０４とを有する。トリガレバー１０２を操作することにより、グリッパ７８を開閉させることができる。複合入力部１０４は、中央に設けられた十字形状のシーソー型スイッチ１０４ａ及び１０４ｂとを有する。横方向のシーソー型スイッチ１０４ａを操作することにより、ヨー軸７６の傾動動作が可能になる。縦方向のシーソー型スイッチ１０４ｂを操作することによりピッチ軸７４の傾動動作が可能になる。

ロボットアーム１８ａ〜１８ｃは、例えば絶対座標（ワールド座標）動作モードやツール座標動作モードで動作が可能である。

絶対座標モードでは、ジョイスティック８０ｃの操作に基づき、マニピュレータ１０ｃは、接続されたロボットアーム１８ｃ（スライド機構２６を含む）と協動する。このとき、先端動作部４６の位置はハンドルグリップ１００の移動により絶対座標に基づいて設定され、先端動作部４６の向きは、シーソー型スイッチ１０４ａ及び１０４ｂの操作に基づいて設定される。

ツール座標動作モードでは、ジョイスティック８０ｃの操作に基づき、マニピュレータ１０ｃは、接続されたロボットアーム１８ｃ（スライド機構２６を含む）と協動し、先端動作部４６の姿勢を基準としたツール座標系に基づいて、該先端動作部４６を、姿勢を一定にして進退させることができる。

例えば、図８に示すように、先端動作部４６のその時点の姿勢を基準として、互いに直交するツール座標系Ｚｔ₀、Ｘｔ₀、Ｙｔ₀（Ｙｔ₀は図示を省略する。）を設定し、該ツール座標系に基づいた動作を行う。例えば、グリッパ７８の延在方向を座標Ｚｔ₀に沿って仮想線で示す位置から実線で示す位置まで先端動作部４６を進退させる。このとき、トラカール２５における仮想基準点Ｐ１の位置（ピボットポイント）及び先端動作部４６の姿勢は一定に保たれる。

ジョイスティック８０ａ〜８０ｃは図９に示すマスターアーム２００で代用してもよい。

図９に示すように、マスターアーム２００は、支軸２０２と、第１Ｕ字部材２０４と、第２Ｕ字部材２０６と、一対の開閉部材２０８とを有する。第１Ｕ字部材２０４は、上方が開口する向きで支軸２０２の上端において、水平面で回転自在に設けられている。支軸２０２に対する第１Ｕ字部材２０４の回転角度は、回転センサ２１０によって検出され、ヨー軸７６の動作に反映される。

第２Ｕ字部材２０６は第１Ｕ字部材２０４よりも小さく、該第１Ｕ字部材２０４の内側に設けられている。第２Ｕ字部材２０６と第１Ｕ字部材２０４の両端部は回転自在に接続されており、第２Ｕ字部材２０６は鉛直面で回転自在に設けられている。第１Ｕ字部材２０４に対する第２Ｕ字部材２０６の回転角度は、回転センサ２１２によって検出され、ピッチ軸７４の動作に反映される。

一対の開閉部材２０８は、軸２１４を介して第２Ｕ字部材２０６の底部に回転自在に設けられている。第２Ｕ字部材２０６に対する軸２１４の回転角度は、回転センサ２１６によって検出され、回転機構２２（図１参照）の動作に反映される。

一対の開閉部材２０８は、軸２１４を基準として開閉可能であり、開閉角度は内部のセンサ２１８によって検出され、グリッパ７８の開閉動作に反映される。

マスターアーム２００は、全体として図９におけるＸ、Ｙ及びＺ方向に変位可能であり、図示しないセンサによって、コンソール２０に対するＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置を検出可能である。Ｘ方向及びＹ方向については、傾動する機構を適用してもよい。検出されたＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置は、先端動作部４６の絶対座標に反映される。つまり、マスターアーム２００によれば、先端動作部４６の位置及び向きに係る６つのパラメータを指示することができるとともに、グリッパ７８の開閉動作の指示が可能である。

マスターアーム２００は、手を離すと、対応するロボットアーム１８ａ〜１８ｃの姿勢が保持されたまま、図示しない弾性体の作用により図９に示す基準状態に復帰させるようにしてもよい。

ツール座標動作モードでは、他の座標Ｚｔ及びＺｔの方向や、これらの複合方向に沿った移動も可能である。このツール座標動作モードにおけるマスターアーム２００の操作は、例えば、左右方向（図９における矢印Ｘ方向）の移動が座標Ｘｔに相当し、前後方向（図９における矢印Ｙ方向）の移動が座標Ｙｔに相当し、上下方向（図９における矢印Ｚ方向）の昇降がＺｔ座標に相当する。

ツール座標動作モードでは、ロボットアーム１８ｃの姿勢は、先端動作部４６の位置及び姿勢を設定するとともに、仮想基準点Ｐ１の位置を規定し、公知の行列変換計算により求めるとよい。ツール座標動作モードの動作はジョイスティック８０ｃや前記のマスターアーム２００による操作も可能であることはもちろんである。

このような、ツール座標動作モードでは、体腔２７内の臓器を退避させる動作等を容易に行うことができる。

トラックボール８４ａは、マニピュレータ１０ｃにおける第１中間関節５８を動作させるための入力手段である。

所定の中間関節動作モードにおけるトラックボール８４ａの操作に基づき、マニピュレータ１０ｃは、接続されたロボットアーム１８ｃ（スライド機構２６を含む）と協動し、先端動作部４６の位置及び姿勢を一定にして、第１中間関節５８を屈曲させることができる。

例えば、図１０に示すように、先端動作部４６のその時点の先端関節（ピッチ軸７４及びヨー軸７６）の位置Ｐ２を基準として、該位置Ｐ２を中心として第１中間関節５８までの距離ｒ１の球（仮想球面）１１０を想定し、第１中間関節５８（図１０及び図１１では点Ｐ３で示す）が球１１０の面に沿って仮想線で示す位置から実線で示す位置まで移動する。このとき、トラカール２５における仮想基準点Ｐ１の位置及び先端動作部４６の位置・姿勢は一定に保たれる。

なお、第１中間関節５８が上下方向又は左右方向のいずれかの方向にしか屈曲できない構成である場合には、球１１０に換えて所定の仮想円弧上に沿って第１中間関節５８を動作させればよい。

中間関節動作モードでは、例えば、図１１に示すように、その時点の先端動作部４６の向き（又はマニピュレータ１０ｃ全体の向き）に基づき、第１中間関節５８を中心とし、球１１０に沿った直交する座標Ｘｐ、Ｙｐを設定する。このときのトラックボール８４ａの操作は、例えば左右方向の回動が座標Ｘｐに相当し、前後方向の回動が座標Ｙｐに相当する。もちろん、Ｘｐ、Ｙｐ以外の全方向への屈曲が可能である。トラックボール８４ａを所定の方向に回動させると、その回動方向及び回動量に応じて、第１中間関節５８が屈曲し、回動を停止させると第１中間関節５８の屈曲も停止する。第１中間関節５８が屈曲範囲の所定方向の限界まで達すると、それ以上のその方向への屈曲指令は無効となる。

中間関節動作モードでは、トラックボール８４ａに限らず、他の回動型入力手段を用いてもよい。例えば、ジョイスティック８０ｃを兼用し、左右方向の傾動を座標Ｘｐに対応させ、前後方向の傾動を座標Ｙｐに対応させてもよい。

中間関節動作モードでは、ロボットアーム１８ｃの姿勢は、先端動作部４６の位置及び姿勢を設定するとともに、仮想基準点Ｐ１及び第１中間関節５８の位置を規定し、公知の行列変換計算により求めるとよい。

第１中間関節５８を動作させる際には、イネーブルスイッチ８６ａを押しながらトラックボール８４ａを有効化させておく。イネーブルスイッチ８６ａが押されていないときにはトラックボール８４ａは無効化されており、不用意に該トラックボール８４ａを操作しても第１中間関節５８が動作することを防止できる。

復帰スイッチ８８ａを操作すると、第１中間関節５８は屈曲角度が０の状態（図２参照）に所定の速度で自動的に復帰する。これにより、連結シャフト４４をトラカール２５から抜きやすくなる。復帰スイッチ８８ａは、モーメンタリスイッチであって、作業者が押しているときのみ有効になり、該復帰スイッチ８８ａから手を離すことにより、復帰動作中を途中停止させ、第１中間関節５８の状態を確認できる。

中間関節動作モードでは、第１中間関節５８の屈曲制御とともに、トラックボール８４ｂ、イネーブルスイッチ８６ｂ及び復帰スイッチ８８ｂによる第２中間関節６０の屈曲制御が可能になる。トラックボール８４ｂ、イネーブルスイッチ８６ｂ及び復帰スイッチ８８ｂは、トラックボール８４ａ、イネーブルスイッチ８６ａ及び復帰スイッチ８８ａと同様の作用を奏する。

第２中間関節６０の制御方法は複数あり、選択が可能である。例えば、第１の制御方法として、図１２に示すように、第１中間関節５８を中心とし、第２中間関節６０までの距離ｒ２の球１１２を想定し、第２中間関節６０が球１１２の面に沿って仮想線で示す位置から実線で示す位置まで移動する。このとき、トラカール２５における仮想基準点Ｐ１の位置、先端動作部４６の位置・姿勢、及び、点Ｐ２から第１中間関節５８までのリンク１１４の位置・姿勢は一定に保たれる。この第１の制御方法では、第２中間関節６０の屈曲に協動して第１中間関節５８も屈曲動作をする。

第２の制御方法としては、図１３に示すように、先端動作部４６のその時点の先端関節（ピッチ軸７４及びヨー軸７６）の位置Ｐ２を中心として第２中間関節６０までの距離ｒ３の球１１６を想定し、第２中間関節６０が球１１６の面に沿って仮想線で示す位置から実線で示す位置まで移動をする。このとき、トラカール２５における仮想基準点Ｐ１の位置、先端動作部４６の位置・姿勢は一定に保たれる。この第２の制御方法では、第１中間関節５８の屈曲状態は維持される。

第１中間関節５８及び第２中間関節６０の動作は、トラックボール８４ａ及び８４ｂの操作に基づく制御に限らず、プログラムまたはティーチングによる所定の自動動作であってもよい。

次に、このように構成されるマニピュレータ１０ｃ及び医療用ロボットシステム１２の作用について説明する。

先ず、患者の患部周辺にガスを入れて体腔２７を確保し、トラカール２５からマニピュレータ１０ｃの先端動作部４６及び連結シャフト４４を挿入する。体腔２７内の状態は内視鏡２４を用いて画像で確認する。

次に、患部１１８に対する手技に先だって、その周辺に存在する他の臓器等を所定の場所に退避させて広い術野を確保する。

例えば、図１４に示すように、大腸１２０を退避させる場合には、ピッチ軸７４及びヨー軸７６を屈曲動作させて先端動作部４６の向きを大腸１２０の適当な箇所に対して略垂直となるように調整する。この後、大腸１２０を適度に軽く把持する。

次に、図１５に示すように、先端動作部４６を前進させて大腸１２０を奥の方向に退避させる。このとき、先端動作部４６と大腸１２０の把持箇所との相対的な向きを維持させるため、前記のツール座標動作モード（図８参照）を用いて、先端動作部４６を座標Ｚｔ１の方向に押し出すとよい。

このような操作によれば、大腸１２０は患部１１８から十分に離れ、手技が行いやすくなる。つまり、マニピュレータ１０ｃはリトラクタとして作用する。ところが、マニピュレータ１０ｃにより大腸１２０を退避させても、該マニピュレータ１０ｃ自体が体腔２７内を横断するように配置されてしまい、十分に広い術野が確保されない場合がある。

この場合、マニピュレータ１０ｃの第１中間関節５８及び第２中間関節６０少なくとも一方を屈曲動作させる。

例えば、図１６に示すように、中間関節動作モードにおいて、リンク１１４が大腸１２０と略平行となるように第１中間関節５８を屈曲させる。これにより、連結シャフト４４は、患部１１８から離れることになり、該患部１１８の周辺に広い術野１２２が確保され、他のマニピュレータ１０ａ及び１０ｂ等による手技が容易に行え、手術時間短縮などの効果が得られる。

第１中間関節５８を屈曲させるだけでも相当に広い術野１２２が得られるが、第２中間関節６０を屈曲させて、図１７に示すように、さらに広い術野１２４を確保してもよい。第２中間関節６０を屈曲させる場合には、前記の第１の制御方法（図１２参照）及び第２の制御方法（図１３参照）の一方又は両方を用いるとよい。

この場合、先端動作部４６の軸をＳ１、リンク１１４の軸をＳ２、第１中間関節５８から第２中間関節６０までのリンク１２９の軸をＳ３とし、Ｓ２とＳ３が同一軸上に配置されるようにしてもよい。

大腸１２０を退避させる際、グリッパ７８による把持に限らず、例えば、図１８に示すように、扇子と同様機構の先端作用部１３０を設けて開いておき、該先端作用部１３０を大腸に当接させて押し出してもよい。この先端作用部１３０は、両開きのグリッパ７８の一対の部材の間に膜を張ることにより構成可能である。先端作用部１３０は、大腸１２０を把持することがなく、該大腸１２０に対する負荷が小さい。先端作用部１３０を折り畳むと、トラカール２５の挿通が容易になる。

上述したように、本実施の形態に係るマニピュレータ１０ｃによれば、先端関節のピッチ軸７４及びヨー軸７６によりグリッパ７８の向きを適切に調整可能であり、医療用の適切な手技が可能である。特に、リトラクタとして用いる場合に、大腸１２０等の臓器に対して適切な向きに設定可能である。さらに、マニピュレータ１０ｃは、第１中間関節５８及び第２中間関節６０で屈曲することから連結シャフト４４を適切配置して広い術野を確保することができ、特に、他のマニピュレータ１０ａ、１０ｂとの干渉を回避するのに好適である。

マニピュレータ１０ｃは、ロボットアーム１８ｃに接続され、該ロボットアーム１８ｃがマニピュレータ１０ｃと協動し、トラカール２５の基準点Ｐ１を基準として進退及び傾動するように制御され適切な動作が実現できる。

本実施の形態に係る医療用ロボットシステム１２では、マニピュレータ１０ｃで体腔２７の臓器等を所定の場所に退避させて広い術野を確保することができ、しかも、第１中間関節５８及び第２中間関節６０で屈曲することから連結シャフト４４を適切に配置することができ、さらに広い術野が確保され、他のマニピュレータ１０ａ、１０ｂとの干渉を回避して容易な手技が可能となる。

医療用ロボットシステム１２では、第１中間関節５８及び第２中間関節６０は、トラックボール８４ａ及び８４ｂの回動量及び回動方向に対応して、所定の基準点を中心とした仮想球面又は仮想円弧上を移動する。トラックボール８４ａ及び８４ｂを用いることにより、第１中間関節５８及び第２中間関節６０の屈曲を適切且つ容易に、しかも人間（操作者）の感覚によく馴染み、直感的な操作が可能である。

本発明に係る医療用マニピュレータ及び医療用ロボットシステムは、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ロボットシステムの概略斜視図である。 本実施の形態に係るマニピュレータの一部断面側面図である。 プーリ及びアームの平面図である。 第１中間関節の分解斜視図である。 第２中間関節の分解斜視図である。 先端動作部の概略斜視図である。 コンソールの概略斜視図である。 ツール座標動作モードを説明する図である。 マスターアームの斜視図である。 中間関節動作モードにおける第１中間関節を屈曲させる動作を説明する図である。 中間関節動作モードにおける第１中間関節を屈曲させる際に基準となる仮想の球を説明する図である。 中間関節動作モードにおいて、第１の制御方法により第２中間関節を屈曲させる動作を説明する図である。 中間関節動作モードにおいて、第２の制御方法により第２中間関節を屈曲させる動作を説明する図である。 マニピュレータのグリッパにより大腸を把持した状態を示す図である。 マニピュレータのグリッパにより大腸を退避させた状態を示す図である。 第１中間関節を屈曲させた状態を示す図である。 第２中間関節を屈曲させた状態を示す図である。 扇子と同様機構の先端作用部を示す図である。

符号の説明

１０ａ〜１０ｃ…マニピュレータ １２…医療用ロボットシステム
１６…ステーション １８ａ〜１８ｄ…ロボットアーム
２０…コンソール ２４…内視鏡
２５…トラカール ２６…スライド機構
２７…体腔 ３０ａ〜３０ｇ…モータ
４２…接続ブロック ４４…連結シャフト
４６…先端動作部 ４８ａ〜４８ｇ…プーリ
５０ａ〜５０ｇ…ワイヤ ５８…第１中間関節
６０…第２中間関節 ６８…案内孔
７０…案内板 ７４…ピッチ軸
７６…ヨー軸 ７８…グリッパ
８０ａ〜８０ｃ…ジョイスティック ８２…モニタ
８４ａ、８４ｂ…トラックボール ８６ａ、８６ｂ…イネーブルスイッチ
８８ａ、８８ｂ…復帰スイッチ １１０、１１２、１１６…球
１１８…患部 １２０…大腸
１２２、１２４…術野 １３０…先端作用部

Claims (10)

1. 第１アクチューエータによって駆動される第１可撓性部材及び第２アクチュエータによって駆動される第２可撓性部材が内部に配設され、少なくとも１部が屈曲可能な棒形状部材と、
   前記第１可撓性部材が巻き掛けられた回転体により回動する１以上の先端関節と、
   前記先端関節より基端側に設けられ、前記第２可撓性部材が進退することによって屈曲する１以上の中間関節と、
   を有す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、
   前記棒形状部材は、前記第１可撓性部材が挿通する孔を備える１以上の案内板を有す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、
   ロボットアームに接続され、前記棒形状部材がトラカールから体腔に挿入され、該トラカールを基準として進退及び傾動するように制御され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、
   前記中間関節は、先端側から順に第１中間関節及び第２中間関節を含み、
   前記第１中間関節は、前記棒形状部材の先端から３ｃｍ〜５ｃｍのいずれかの位置に設けられ、
   前記第２中間関節は、前記棒形状部材の先端から７ｃｍ〜１２ｃｍのいずれかの位置に設けられていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
5. マニピュレータが設けられた複数の第１ロボットアームと、
   内視鏡を保持する第２ロボットアームと、
   前記第１ロボットアーム及び前記第２ロボットアームを制御する制御部と、
   を有する医療用ロボットシステムであって、
   前記マニピュレータは、トラカールから体腔に挿入される棒形状部材と、
   前記棒形状部材の先端に設けられ、１以上の関節を備える先端動作部と、
   を有し、
   前記マニピュレータの少なくとも１つはリトラクタであり、前記棒形状部材の途中に設けられ、該棒形状部材を屈曲させる１以上の中間関節を有することを特徴とする医療用ロボットシステム。
6. 請求項５記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記リトラクタは、所定の動作モードにより、接続された前記第１ロボットアームと協動し、前記先端動作部の姿勢を基準とした座標系に基づいて、該先端動作部を、姿勢を一定にして進退させることを特徴とする医療用ロボットシステム。
7. 請求項５又は６記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記リトラクタは、所定の動作モードにより、接続された前記第１ロボットアームと協動し、前記先端動作部の位置及び姿勢を一定にして、前記中間関節を屈曲させることを特徴とする医療用ロボットシステム。
8. 請求項７記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   回動型入力手段を有し、
   前記中間関節は、前記回動型入力手段の回動量及び回動方向に対応して、前記棒形状部材の所定の基準点を中心とした仮想球面又は仮想円弧上を移動することを特徴とする医療用ロボットシステム。
9. 請求項８記載の医療用ロボットシステムにおいて、
   前記回動型入力手段は、トラックボールであることを特徴とする医療用ロボットシステム。
10. 請求項８又は９記載の医療用ロボットシステムにおいて、
    前記回動型入力手段の入力を有効化又は無効化させるスイッチを有することを特徴とする医療用ロボットシステム。

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