JP2010038793A - 張力検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性部材の張力を簡便且つ正確に検査する。
【解決手段】医療用マニピュレータ１０は、連結シャフト４８の一方の側に設けられたモータ４０ａ〜４０ｃの回転軸から、所定張力で張られたワイヤ５４ａ〜５４ｃを介して、連結シャフト４８の他方の側に設けられた先端動作部１２を動作させる。連結シャフト４８の側面には開閉可能な検査孔４０４が設けられている。張力検査装置４００は、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを順に自動的にはじいて振動させる爪部４１２ａ〜４１２ｃと、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの振動を検出するマイクロホン４１４と、マイクロホン４１４によって検出された振動から求められる張力Ｔが適正範囲であるか否かを判断して所定の出力をする張力判断部４３４とを有する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、連結シャフトの一方の側に設けられたモータの回転軸から、所定張力で張られた可撓性部材を介して、連結シャフトの他方の側に設けられた先端動作部を動作させる医療用マニピュレータにおける可撓性部材の張力を検査する張力検査装置に関する。

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。

また、このマニピュレータでは、連結シャフトの一方の側に設けられたモータの回転軸から、所定張力で張られたワイヤを介して、連結シャフトの他方の側に設けられた先端動作部を動作させており、ワイヤの張力検査をすることが望ましい。特許文献２には、ワイヤの張力に応じた振動数を圧電素子によって検出する装置が開示されている。

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３参照）。

特開２００４−１０５４５１号公報 特開２００５−２８４０３５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くなり、特に張力による寿命の影響が大きい。

従って、作業部の寿命を決定又は管理する上で、これらの可撓性部材の張力を検出し、適正範囲となっているか否かを検査することが好適である。

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、医療用マニピュレータにおける可撓性部材の張力を簡便且つ正確に検査することのできる張力検査装置を提供することを目的とする。

本発明に係る張力検査装置は、連結シャフトの一方の側に設けられたモータの回転軸から、所定張力で張られた可撓性部材を介して、前記連結シャフトの他方の側に設けられた先端動作部を動作させる医療用マニピュレータにおける前記可撓性部材の張力を検査する張力検査装置であって、前記可撓性部材を自動的にはじき又はたたいて振動させる爪部と、前記可撓性部材の振動を検出する振動検出部と、前記振動検出部によって検出された信号から求められる張力が適正範囲であるか否かを判断して所定の出力をする判断部とを有することを特徴とする。

このように可撓性部材を爪部によって自動的に振動させることにより、可撓性部材は張力に応じた振動を発生させ、振動検出部によりその振動数を計測して張力を簡便且つ正確に検査することができる。ここで、振動検出部は、張力でなく、振動数に基づく判断をしても実質的に同じである。

前記振動検出部は、マイクロホンであると簡便である。

前記振動検出部は、前記医療用マニピュレータのいずれかの箇所に接続される接触部の振動を検出する圧電素子であってもよい。このように接触部の振動を圧電素子で検出することにより、外乱音響の影響を受けずに可撓性部材の振動数を計測できる。

前記連結シャフトの側面には開閉可能な検査孔が設けられ、前記爪部は、前記検査孔から前記可撓性部材に接触させてもよい。このように連結シャフトの側面の検査孔を用いると、検査が容易である。

前記可撓性部材は複数本が平行して設けられ、前記爪部は、複数本の前記可撓性部材のうち未計測のいずれか１つを振動させて、前記振動検出部から得られる信号レベルが閾値以下になった後に次の前記可撓性部材を振動させてもよい。これにより、複数本の可撓性部材について相互の振動の影響なく、簡便且つ確実に張力検査を行うことができる。

前記可撓性部材は、ワイヤであってもよい。

本発明に係る張力検査装置では、可撓性部材を爪部によって自動的に振動させることにより、可撓性部材は張力に応じた振動を発生させ、振動検出部によりその振動数を計測して張力を簡便且つ正確に検査することができる。

以下、本発明に係る張力検査装置４００について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１５を参照しながら説明する。張力検査装置４００は、医療用マニピュレータ１０におけるワイヤ（可撓性部材）５４ａ、５４ｂ，５４ｃ（図５、図６参照）の張力を検査するものである。先ず、医療用マニピュレータ１０について説明する。

図１、図２及び図３に示すように、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。

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、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、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。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。総合的な寿命を考慮して、製造者によって作業部１６の使用制限回数が設定され、医療従事者は作業部１６毎の使用回数のカウント及び管理を行い、基本的には使用制限回数に達したらその作業部１６は規定の手順に基づいて処分する。

また、後述する張力検査装置４００又は４００ａによって、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの張力が不適正であると判断された場合にもその作業部１６は処分される。

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プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃをそれぞれ回転自在に保持している。プーリ５０ａ〜５０ｃは、プーリ収納体３００に収納されている。

プーリ５０ａ〜５０ｃには、ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃ（図５、図６参照）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、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を構成するプーリ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の対応するプーリ（先端回転体）５７ａ、５７ｂ及び５７ｃにそれぞれ巻き掛けられている。

従って、プーリ５０ａとプーリ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を介してプーリ５７ａへと伝達され、該プーリ５７ａを回転させる。そうすると、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。

図６に示すように、プーリ５０ａ〜５０ｃ、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ及びプーリ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、プーリ５０ａ〜５０ｃとプーリ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７に示すように、連結シャフト４８の略中間部におけるＸ１方向側面には、カバー４０２の着脱によって開閉可能な検査孔４０４が設けられており、該検査孔４０４からはワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃの各往復２線のうち一方がＹ方向に並んで露呈される。

カバー４０２は、検査孔４０４を覆うように連結シャフト４８に取り付けられ、内面のシール体４０６が検査孔４０４に挿入されて、連結シャフト４８を気密に塞ぐことができる。カバー４０２は、連結シャフト４８に取り付けた状態で、トラカール２０の挿通に支障とならない程度に薄く構成されている。

次に、本実施の形態に係る張力検査装置４００について説明する。

図８及び図９に示すように、張力検査装置４００は箱形状であって、上面に作業部１６を位置決めして安定して載置する浅い凹部４１０が設けられている。凹部４１０はいわゆる姿穴であって、連結シャフト４８が載置される円弧状の第１凹部４１０ａと、接続部１５が載置される第２凹部４１０ｂとを有する。

第１凹部４１０ａにおいて、検査孔４０４に対向する箇所には、Ｙ方向に並ぶ爪部４１２ａ、４１２ｂ及び４１２ｃとマイクロホン（振動検出部）４１４が露呈する孔４１６が設けられている。マイクロホン４１４は、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの振動を検出する振動検出部として簡便構成である。

爪部４１２ａ、４１２ｂ及び４１２ｃは、ワイヤ５４ｃ、５４ａ、５４ｂの並びに合わせて、爪部４１２ｃ、４１２ａ及び４１２ｂの順に並列している。

張力検査装置４００の側面には、検査結果ランプ４１８ａ、４１８ｂと、操作ボタン群４１９が設けられている。

図１０に示すように、爪部４１２ａ、４１２ｂ及び４１２ｃは、爪駆動モータ４２０ａ、４２０ｂ及び４２０ｃによって傾動可能に設けられている。初期状態では、爪部４１２ａ〜４１２ｃは、先端部がワイヤ５４ａ〜５４ｃの往復２線のうちＸ１側部のややＹ２方向側に配置され、Ｘ２方向を指向している。

爪駆動モータ４２０ａ〜４２０ｃは、爪部４１２ａ〜４１２ｃを図１０における時計方向に個別に傾動させ、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを自動的にはじいて振動させることができる。ワイヤ５４ａ〜５４ｃを振動させる手段としては、はじくのではなく、例えばたたいて振動させてもよい。

周知のように、ワイヤ５４ａ〜５４ｃをはじくと、その振動数（一次振動数）ははじいた力には無関係で、単位質量、スパン及び張力によって一定となる。しかしながら、はじく力があまりに弱いと計測するのに十分な振動が発生せず、反対にあまりに強い力ではじくとワイヤ５４ａ〜５４ｃが伸びたり損傷する懸念がある。さらに、連結シャフト４８は細径であって、ワイヤ５４ａ〜５４ｃは狭所に配置されており、人手によってはじくことは困難であり、例えばワイヤ５４ａ〜５４ｃのうち２本以上を同時にはじいてしまうことが考えられる。

爪部４１２ａ〜４１２ｃによれば、狭所のワイヤ５４ａ〜５４ｃに対して、自動的に適切な力で個別にはじいて、適度な振動を発生させることができる。

マイクロホン４１４は、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを臨む方向を向いており、該ワイヤ５４ａ〜５４ｃが振動する際に発生する音を検出可能である。

なお、図１１に示すように、爪部４１２ａ〜４１２ｃは１つの爪駆動モータ４２２で駆動するようにしてもよい。この場合、歯車機構４２４により爪部４１２ａ〜４１２ｃの位相をずらして、各ワイヤ５４ａ〜５４ｃの張力検査に相互干渉がない程度の時間間隔をもって該ワイヤ５４ａ〜５４ｃをはじくようにするとよい。

ワイヤ５４ａ〜５４ｃをはじくのは爪部４１２ａ〜４１２ｃのように独立した３つの部材でなくてもよく、例えば、１つの爪がＹ方向に直線的に移動し、ワイヤ５４ｂ、５４ａ、５４ｃの順にはじいてもよい。

図１２に示すように、張力検査装置４００は、爪駆動モータ４２０ａ〜４２０ｃを順に駆動する駆動部４３０と、マイクロホン４１４の信号を入力する入力インターフェース４３２と、マイクロホン４１４によって検出された振動からワイヤ５４ａ〜５４ｃの張力Ｔを求めるとともに該張力が適正範囲であるか否かを判断する張力判断部４３４とを有する。さらに、張力検査装置４００は、張力判断部４３４が出力する判断結果に基づいて検査結果ランプ４１８ａ及び４１８ｂを点灯させる出力部４３６と、各機能部の動作タイミングを調整するタイミング制御部４３８とを有する。張力判断部４３４の判断結果が肯定的であるときには検査結果ランプ４１８ａが点灯され、否定的であるときには検査結果ランプ４１８ｂが点灯される。張力判断部４３４の判断結果は、検査結果ランプ４１８ａ及び４１８ｂのようなランプ出力に限らず、文字情報出力、音声出力、音響出力又は所定の通信回線や記録媒体に対する出力等であってもよい。

次に、このように構成される張力検査装置４００の作用について説明する。先ず、操作者は医療用マニピュレータ１０の作業部１６を操作部１４から取り外し、さらに連結シャフト４８からカバー４０２を取り外しておく。

次に、図１３のステップＳ１において、張力検査装置４００を起動し、所定の初期設定を行う。この初期設定では、各爪部４１２ａ〜４１２ｃが鉛直向きに設定される（図１０参照）。

ステップＳ２において、作業部１６を張力検査装置４００にセットする（図９参照）。

ステップＳ３において、操作ボタン群４１９を操作して張力検査を開始する。

ステップＳ４においては、マイクロホン４１４から得られる信号レベルを確認し、十分に小さい閾値以下であるときにステップＳ５へ移り、該閾値を超えているときには待機する。これにより、複数本のワイヤ５４ａ〜５４ｃについて相互の振動の影響なく、簡便且つ確実に張力検査を行うことができる。また、外乱音響の影響を抑制することができる。

ステップＳ５において、タイミング制御部４３８の作用下に、ワイヤ５４ａ〜５４ｃのうち、張力の未計測のいずれか１つを、対応する爪部４１２ａ〜４１２ｃを傾動させることによりはじいて振動させる。計測の順序は特に問われなく、例えば、Ｙ方向の並び順に行えばよい。

ステップＳ６において、その時点で振動しているワイヤ５４ａ〜５４ｃの振動音をマイクロホン４１４で計測する。

ステップＳ７において、張力判断部４３４はマイクロホン４１４及び入力インターフェース４３２を介して得られる信号に基づき、その時点で振動しているワイヤ５４ａ〜５４ｃの振動数ｆを求め、さらに次の（１）式に基づいて張力Ｔを求める。
Ｔ＝４×Ｍ×Ｓ²×ｆ²×１０^-9［Ｎ］ …（１）

ここで、Ｍはワイヤの単位質量であり、Ｓは測定スパン（図６参照）である。

ステップＳ８において、求められた張力Ｔが適正範囲であるか否かを判断する。張力Ｔの適否の判断は、上限閾値及び下限閾値との比較に基づいて行われる。

適正である場合には、ステップＳ９へ移り、不適である場合にはステップＳ１１へ移る。

なお、Ｍ及びＳは固定値であることから、簡便には、張力Ｔを求めることなく振動数ｆに基づいて適否の判断を行っても実質的には同じである。

ワイヤ５４ａ〜５４ｃについての各張力Ｔの適否の判断は、全てのワイヤ５４ａ〜５４ｃの振動をさせた後に、まとめて判断をしてもよい。

ステップＳ９において、ワイヤ５４ａ〜５４ｃのうち張力Ｔの未計測のものがあるか否かを判断し、未計測のものが残っていればステップＳ４へ戻って計測を継続し、終了していればステップＳ１０へ移る。

ステップＳ１０においては、適正結果表示として、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの全ての張力Ｔが適正であることを出力するため、検査結果ランプ４１８ａを点灯、検査結果ランプ４１８ｂを消灯させる。

一方、ステップＳ１１においては、不適正結果表示として、ワイヤ５４ａ〜５４ｃのうち少なくとも１つの張力Ｔが不適正であることを出力するため、検査結果ランプ４１８ｂを点灯、検査結果ランプ４１８ａを消灯させる。なお、ワイヤ５４ａ〜５４ｃについて全ての張力Ｔの検査を行い、検査結果を個別に出力するようにしてもよい。

ステップＳ１０又はステップＳ１１により、図１３に示す張力検査の手順が終了する。

上述したように、本実施の形態に係る張力検査装置４００によれば、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを対応する爪部４１２ａ〜４１２ｃによって自動的に振動させることにより、ワイヤ５４ａ〜５４ｃは張力Ｔに応じた適度な振動を発生させ、マイクロホン４１４及び張力判断部４３４によりその振動数ｆを計測して張力Ｔを簡便且つ正確に検査することができる。

また、連結シャフト４８の側面には開閉可能な検査孔４０４が設けられ、爪部４１２ａ〜４１２ｃは、該検査孔４０４からワイヤ５４ａ〜５４ｃに接触することから、検査が容易である。

上記の例では、ワイヤ５４ａ〜５４ｃに対して、時間間隔をおいて対応する爪部４１２ａ〜４１２ｃではじいて振動させているが、設計条件によっては、同時に振動させておき、マイクロホン４１４で得られた信号に対して所定の周波数解析を行ってもよい。これにより、ワイヤ５４ａ〜５４ｃの各振動を区別して検査することができ、又は所定の振動から外れている周波数成分が存在する場合に、ワイヤ５４ａ〜５４ｃのいずれかの張力が不適であると判断することができる。張力検査装置４００の変形例として図１４に示す張力検査装置４００ａを用いてもよい。

図１４に示すように、張力検査装置４００ａは、張力検査装置４００におけるマイクロホン４１４の代わりに振動計測ユニット４５０を有する。これ以外の構成要素については張力検査装置４００と同じであることから、同符号を付してその詳細な説明を省略する。

振動計測ユニット４５０は、例えば前記特許文献２に記載されているようなユニットであり、連結シャフト４８の任意の位置に接続して保持するクリップ（接触部）４５２と、該クリップ４５２に設けられた圧電素子４５４（ピエゾ素子等）と、計測した振動数ｆを表示するモニタ体４５６とを有する。振動計測ユニット４５０は、ケーブル４５８によって本体部に接続されている。

クリップ４５２は一対の把持部材４５２ａ及び４５２ｂからなる開閉自在構造であって、図示しないスプリングによって連結シャフト４８を適度な力で把持しておくことができる。

圧電素子４５４は、連結シャフト４８の振動を検出することができる。すなわち、人間には視認されないが、ワイヤ５４ａ〜５４ｃを振動させると作業部１６も同じ振動数で振動をすることから、この振動を振動計測ユニット４５０の圧電素子４５４によって計測し、張力検査装置４００ａの入力インターフェース４３２に供給する。振動計測ユニット４５０を接続する箇所は作業部１６のいずれの箇所でもよいが、クリップ４５２で保持しやすい箇所としては、連結シャフト４８が好適である。作業部１６及び連結シャフト４８の振動を阻害することがないように、凹部４１０にはクッション材を設けておいてもよい。

モニタ体４５６は、把持部材４５２ａに対して継手を介して接続されており、任意の方向に傾動可能となっている。圧電素子４５４はモニタ体４５６内に設けられていてもよい。

このような、変形例に係る張力検査装置４００ａでは、前記のマイクロホン４１４の信号に代えて圧電素子４５４の信号に基づいてワイヤ５４ａ〜５４ｃの張力Ｔの検査をすることができる。圧電素子４５４は、基本的に連結シャフト４８に接触して、空気中を伝搬する音を介在させることなく振動を検出することから、外乱音響の影響を受けずに振動数を計測することができるとともに、音が出ない程度に振動レベルが小さくても計測が可能である。

上記実施形態は、例えば図１５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に連結されると共に、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。

本発明に係る張力検査装置は、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。 検査孔及びその周辺の連結シャフトを示す斜視図である。 本実施の形態に係る張力検査装置の斜視図である。 作業部がセットされた状態の張力検査装置の斜視図である。 爪部及びマイクロホンの側面図である。 変形例に係る爪部及び該爪部を駆動する歯車機構の側面図である。 張力検査装置のブロック構成図である。 張力検査装置の動作手順を示すフローチャートである。 変形例に係る張力検査装置の斜視図である。 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
５０ａ〜５０ｃ、５７ａ〜５７ｃ…プーリ ５４ａ〜５４ｃ…ワイヤ
４００、４００ａ…張力検査装置 ４０２…カバー
４０４…検査孔 ４１２ａ〜４１２ｃ…爪部
４１４…マイクロホン（振動検出部） ４１６…孔
４１８ａ、４１８ｂ…検査結果ランプ
４２０ａ〜４２０ｃ、４２２…爪駆動モータ
４３４…張力判断部 ４５０…振動計測ユニット
４５２…クリップ ４５４…圧電素子（振動検出部）
４５６…モニタ体 ８００…医療用ロボットシステム

Claims (6)

1. 連結シャフトの一方の側に設けられたモータの回転軸から、所定張力で張られた可撓性部材を介して、前記連結シャフトの他方の側に設けられた先端動作部を動作させる医療用マニピュレータにおける前記可撓性部材の張力を検査する張力検査装置であって、
   前記可撓性部材を自動的にはじき又はたたいて振動させる爪部と、
   前記可撓性部材の振動を検出する振動検出部と、
   前記振動検出部によって検出された信号から求められる張力が適正範囲であるか否かを判断して所定の出力をする判断部と、
   を有することを特徴とする張力検査装置。
2. 請求項１記載の張力検査装置において、
   前記振動検出部は、マイクロホンであることを特徴とする張力検査装置。
3. 請求項１記載の張力検査装置において、
   前記振動検出部は、前記医療用マニピュレータのいずれかの箇所に接続される接触部の振動を検出する圧電素子であることを特徴とする張力検査装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の張力検査装置において、
   前記連結シャフトの側面には開閉可能な検査孔が設けられ、前記爪部は、前記検査孔から前記可撓性部材に接触することを特徴とする張力検査装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の張力検査装置において、
   前記可撓性部材は複数本が平行して設けられ、
   前記爪部は、複数本の前記可撓性部材のうち未計測のいずれか１つを振動させて、前記振動検出部から得られる信号レベルが閾値以下になった後に次の前記可撓性部材を振動させることを特徴とする張力検査装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の張力検査装置において、
   前記可撓性部材は、ワイヤであることを特徴とする張力検査装置。

Images