(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管と、
この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、
上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、
この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、
上記固定部と上記係合部とを一体的に連結する連結部と、
上記連結部の変形量を検出する変形量検出器とを備えていることを特徴とする力覚検出装置。
【請求項２】
内管と、
この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、
上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、
この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、
上記固定部と上記係合部とを一体的に連結する連結部と、
上記係合部が上記内管から受ける圧力を検出する圧力検出器とを備えていることを特徴とする力覚検出装置。
【請求項３】
上記連結部は、２組の平行平板構造で形成され、各平板に上記変形量検出器が取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の力覚検出装置。
【請求項４】
上記変形量検出器は、上記連結部における上記内管の軸方向に直交するとともに互いに直交する２軸方向に少なくとも一対ずつ取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の力覚検出装置。
【請求項５】
上記係合部の内壁部と上記内管の外壁部との間に間隙が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力覚検出装置。
【請求項６】
上記係合部の内壁部と上記内管の外壁部とは、中心軸側から外周側へ傾いたテーパ状に接していることを特徴とする請求項１または２に記載の力覚検出装置。
【請求項７】
上記力覚検出部は絶縁材で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力覚検出装置。
【請求項８】
上記力覚検出部の上記固定部及び上記係合部は絶縁材で形成され、上記連結部は金属材で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力覚検出装置。
【請求項９】
その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、
このアーム部の先端側に設けられた作業部と、
このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、
上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、
この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、
上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、
この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、
上記固定部と上記係合部とを連結する連結部と、
上記連結部の変形量を検出する変形量検出器と、
この変形量検出器で検出された変形量に基づいて上記内管に作用する外力を提示する提示部とを備えていることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１０】
その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、
このアーム部の先端側に設けられた作業部と、
このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、
上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、
この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、
上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、
この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、
上記固定部と上記係合部とを連結する連結部と、
上記係合部が上記内管から受ける圧力を検出する圧力検出器と、
この圧力検出器で検出された圧力変化に基づいて上記内管に作用する外力を提示する提示部とを備えていることを特徴とするマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータ等の先端に取付けられ、先端にかかる先端力を測定する力覚検出装置及びこの力覚検出装置が組み込まれたマニュピレータに関し、特に、先端力を高精度に測定できるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
胆嚢摘出手術等の腹腔鏡下手術においては、患者（被検体）の腹部に複数の小さな孔をあけ、これらの孔にトラカールという治具を取り付ける。そして、これらトラカールを介して、孔から内視鏡、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。このような手術方法は、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。
【０００３】
しかし、術者にとっては自由度の低い鉗子（例えばグリッパの開閉のみ）で手術を行わなければならず、熟練を要するものであった。そこで、鉗子の先端に複数の自由度を有する作業部（スレーブ部）を設け、基端側の駆動部（マスタ部）により鉗子先端を動作させるマスタスレーブ型の医療用マニピュレータの研究が進められている。
【０００４】
マスタスレーブ型の医療用マニピュレータには、マスタ部とスレーブ部とが一体ではない遠隔型の医療用マニピュレータと、マスタ部とスレーブ部とがアームで連結されて一体となっている一体型とがある。遠隔型は、複数のアームを有するスレーブ部を患者の側に配置し、離れた所にあるマスタ部を術者が操作することで手術を行う。これは、システムとして大掛かりでありコストも高い。さらに緊急時への素早い対応ができない等の問題を含んでいる。
【０００５】
これに対し、一体型の医療用マニピュレータは、マスタ部とスレーブ部とをアームを介して連結させたものであり、アーム内部に駆動力伝達機構が設けられている。このような医療マニピュレータでは、従来の鉗子の利点である術者が行った方が簡単で確実な大きく素早い操作と、マニピュレータの利点である微細な作業や難しい角度からの操作の両方が可能となる。また、大きさも一般の手術器具とほぼ同じであり、従来の内視鏡下手術の環境下で使用することができる。このため、コスト、安全性ともに遠隔型の医療用マニピュレータに比べて優れている。なお、医療用マニピュレータにおいては、遠隔型・一体型どちらにおいても、操作できる自由度を増やすことで、操作性が向上し、術者にかかる負担が軽減される。
【０００６】
このようなマスタスレーブ型の医療用マニピュレータにおいては、さらなる操作性の向上を図るために、力覚・触覚の検出がなされることについての期待が大きい。すなわち、術者は、操作性、安全性の観点から自分の手と同じように手術を行うことを望んでおり、このためには力覚・触覚の検出と呈示が必要である。力覚・触覚とは、例えば、作業部グリッパの把持力、グリッパで掴んだものの触感、作業部先端にかかる力の先端力等である。その中でも先端力は、操作性及び安全性の向上という点を両立する有用な力覚情報である。すなわち、先端力がわかれば、操作性においては糸等把持したものをどの程度の力で引っ張っているか等検出でき、安全性においては臓器等との接触の度合いを検出することができる。
【０００７】
しかしながら、遠隔型の医療用マニピュレータにおいては、物理的にマスタ部とスレーブ部が離れているので、力覚等の情報は全く術者にフィードバックされない。また、一体型の医療用マニピュレータにおいては大まかな力覚等の情報は術者にフィードバックされるものの、モータの重さやトラカールの摩擦等により減衰されて、細かな力覚等の情報はフィードバックされないという問題がある。このため、医療用マニピュレータにおいて、力覚・触覚情報を術者にフィードバックする試みが進められている。
【０００８】
医療用マニピュレータにおける先端力を求める方法として、作業部が接続されているアームに直接ひずみセンサを貼り、先端力がかかることでひずむアームのひずみ量を検出する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。これは、従来のロボットアームの作業部にかかる先端力を求める方法として、一般的に使われているものである。
【０００９】
一方、体腔内に挿入された外套内に鉗子またはメス等の操作器を配置し、外套と操作器の間に力覚センサを設置するものが知られている（例えば特許文献２参照）。操作器先端が負荷力を受けると外套と操作器の間に力が働き、その力を力覚センサで検出することで先端力を求めるものである。この方法では、マニピュレータと物理的に分離しているため、従来の方法より滅菌洗浄性、電気的安全性を向上することができ、伝達機構の影響もほとんどない。
【特許文献１】特開平８−２２４２４６
【特許文献２】特開２００２−１５９５０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら上述した医療用マニュピレータであると次のような問題があった。すなわち、アームの先端付近に直接ひずみセンサを貼ったものでは、ひずみセンサ自体が表面に露出した状態で体腔内に入ることから、医療機器として必要な洗浄や滅菌に適した構造のものとする必要がある。また、ひずみセンサには通電されるものであるため、患者に対する電気的安全性を考慮する必要がある。
【００１１】
また、アーム内には駆動力伝達機構が設けられているので、駆動力伝達機構の動作に伴って発生するアームへの応力による影響を受けることがあった。すなわち、駆動の伝達にワイヤを用いている場合、作業部を動作させるたびにワイヤ張力が変化し、アームに軸方向の力が加わる。このとき力覚検出部をアームに直接設置すると、ワイヤの張力変化による軸方向の力が検出されることとなり、検出の目的としている先端力との分離が困難であった。
【００１２】
一方、体腔内に挿入された外套内に鉗子またはメス等の操作器を配置し、外套と操作器の間に力覚センサを設置するものでは、実際に検出される力は直接的な力ではなく、腹部等弾力のある部位に支持されたトラカールに、操作器が加える力を測っているので、先端力を高精度に検出することはできず、手術に必要な微妙な力感覚の違い等は検出できない。さらにこの方法では、外套と操作器との間に設置する力覚センサは、２箇所以上必要であり、その間隔もある程度必要となる。このため、コンパクトな構成を取ることは難しい。
【００１３】
そこで本発明では、先端力のみを高感度に検出することができるとともに、滅菌洗浄性・電気的安全性に優れ、駆動力伝達機構からの影響を排除することができる力覚検出装置及びマニピュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の力覚検出装置及びマニピュレータは次のように構成されている。
【００１５】
（１）その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、このアーム部の先端側に設けられた作業部と、このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、上記固定部と上記係合部とを一体的に連結する連結部と、上記連結部の変形量を検出する変形量検出器とを備えていることを特徴とする力覚検出装置。
【００１６】
（２）その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、このアーム部の先端側に設けられた作業部と、このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、上記固定部と上記係合部とを一体的に連結する連結部と、上記係合部が上記内管から受ける圧力を検出する圧力検出器とを備えていることを特徴とする。
【００１７】
（３）上記（１）に記載された力覚検出装置であって、上記連結部は、２組の平行平板構造で形成され、各平板に上記変形量検出器が取付けられていることを特徴とする。
【００１８】
（４）上記（１）に記載された力覚検出装置であって、上記変形量検出器は、上記連結部における上記内管の軸方向に直交するとともに互いに直交する２軸方向に少なくとも一対ずつ取付けられていることを特徴とする。
【００１９】
（５）上記（１）または（２）に記載された力覚検出装置であって、上記係合部の内壁部と上記内管の外壁部との間に間隙が形成されていることを特徴とする。
【００２０】
（６）上記（１）または（２）に記載された力覚検出装置であって、上記係合部の内壁部と上記内管の外壁部とは、中心軸側から外周側へ傾いたテーパ状に接していることを特徴とする。
【００２１】
（７）上記（１）または（２）に記載された力覚検出装置であって、上記力覚検出部は絶縁材で形成されていることを特徴とする。
【００２２】
（８）上記（１）または（２）に記載された力覚検出装置であって、上記力覚検出部の上記固定部及び上記係合部は絶縁材で形成され、上記連結部は金属材で形成されていることを特徴とする。
【００２３】
（９）その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、このアーム部の先端側に設けられた作業部と、このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、上記固定部と上記係合部とを連結する連結部と、上記連結部の変形量を検出する変形量検出器と、この変形量検出器で検出された変形量に基づいて上記内管に作用する外力を提示する提示部とを備えていることを特徴とする。
【００２４】
（１０）その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、このアーム部の先端側に設けられた作業部と、このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、上記固定部と上記係合部とを連結する連結部と、上記係合部が上記内管から受ける圧力を検出する圧力検出器と、この圧力検出器で検出された圧力変化に基づいて上記内管に作用する外力を提示する提示部とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、先端力のみを高感度に検出することができるとともに、滅菌洗浄性・電気的安全性に優れ、駆動力伝達機構からの影響を排除することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る力覚検出部１００が組み込まれたマスタスレーブ型の医療用マニピュレータ１０を示す斜視図、図２は同医療用マニピュレータ１０の先端側を拡大して示す断面図である。
【００２７】
医療用マニピュレータ１０は、被検体Ｂの体腔内に挿入され作業を行う作業部２０と、
術者が作業部２０を操作するための駆動部３０と、これら作業部２０と駆動部３０とを連結するアーム部４０とを備えている。
【００２８】
アーム部４０は、内管５０と、この内管５０の内部に設けられ、駆動部３０での駆動力を作業部２０に伝達するための駆動力伝達機構６０と、アーム部４０の先端側の外周に着脱自在に取付けられた力覚検出部１００とを備えている。なお、図１中Ｔは被検体Ｂの腹壁Ｂａに刺されたトラカールを示している。
【００２９】
駆動部３０は、術者がアーム部４０を保持する保持部３１と、この保持部３１に取付けられ、作業部２０を操作するための操作を行う操作ハンドル３２，３３と、この操作ハンドル３２，３３の操作に基づいて駆動力を発生する駆動部３４と、術者がアーム部４０を介して受ける力を検出するための力覚センサ３５とを備えている。保持部３１には警告ランプ等の提示部３６が設けられている。提示部３６は警告ランプの他、メータ、スピーカ等のように術者が感知できるものであれば他のものでもよい。
【００３０】
図２は、作業部２０、内管５０及び力覚検出部１００を一部切欠して示す側面図である。内管５０の先端には、ネジ部５１と、係止部５２とが設けられている。
【００３１】
力覚検出部１００は、作業部２０にかかる外力である先端力を検出し、術者に提示するために設けられたものであり、絶縁材製の外管１１０を備えている。外管１１０は、その内壁面側で内管５０のネジ部５１に螺合されて着脱自在とされた固定部１２０と、内管５０の係止部５２に係合する係合部１３０と、これら固定部１２０及び係合部１３０を一体的に連結するとともに内管５０の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部１４０とを備えている。なお、係合部１３０の内周面と係止部５２の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部５２の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部１３０に伝達される。図２中１３１は貫通孔を示している。
【００３２】
連結部１４０は、円筒状に形成されており、図３に示すように、横コの字型のスリットＳが４箇所形成されることで、平板１４１〜１４４（１４３は不図示）が形成されている。これら平板１４１と平板１４３、平板１４２と平板１４４とは互いに平行で、かつ、対向した位置に配置されていることから、平行平板構造が２組が形成されることとなる。各平板１４１〜１４４の内壁面側には、周方向に沿って９０度毎に配置された４つのひずみゲージ１５１〜１５４が設けられており、それぞれ平行平板構造の対向する位置に配置されている。すなわち、力覚検出部１００にかかる先端力を軸方向に直交する２軸方向に分解して検出することができる。
【００３３】
ひずみゲージ１５１〜１５４は、コーティング剤１５５により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ１５１〜１５４に接続されたリード線１５７は係合部１３０に設けられた貫通孔１３１を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部３０まで案内されている。
【００３４】
このように構成された医療用マニピュレータ１０では、次のようにして手術等を行うと同時に先端力を検出する。すなわち、トラカールＴを被検体Ｂの腹壁Ｂａに刺し、医療用マニピュレータの作業部２０とアーム部４０をトラカールＴから挿入する。そして、作業部２０を患部に位置決めし、術者は駆動部３０を操作し手術等を行う。このとき、作業部２０に臓器からの反力等からなる先端力が加わる。この先端力が内管５０を僅かに変形させる。この変形に伴って内管５０の係止部５２から力覚検出部１００の係合部１３０に伝達され、連結部１４０が変形する。この変形量がひずみゲージ１５１〜１５４により検出され、先端力（力及び方向）が算出され、先端力が臓器や手術用糸の許容力に近付いた場合に、提示部３６の警告ランプが点灯する。
【００３５】
なお、内管５０の変形が力覚検出部１００に伝達される際、係合部１３０は係止部５２に対し、径方向に係止され、軸方向には規制されていないことから、内管５０の変形のうち径方向のみの変形が係合部１３０に伝達されることとなる。したがって、駆動力伝達機構６０の動作に伴う内管５０の軸方向への変形は係合部１３０には伝達されず、ひずみゲージ１５１〜１５４では内管５０に作用する先端力のみを検出することが可能となる。したがって、駆動力伝達機構６０によりアーム部４０の軸方向に加わる力の影響を排除することができる。
【００３６】
また、上述したように、連結部１４０には、スリットＳが形成されていることから、先端力が加わったときに変形しやすくなり、検出感度を向上することができる。さらに、平行平板構造となっているので、先端力を２軸方向に分解して検出することができる。
【００３７】
さらに、術者にはアーム部４０を介して直接先端にかかる力がフィードバックされるが、力覚検出部１００と力覚センサ３５で検出される力を比較し、違いがある場合には、それを術者に呈示する。これにより、不足している力覚情報を補うことができ、医療用マニピュレータの操作性を向上できる。
【００３８】
なお、力覚検出部１００の固定部１２０によるねじにより着脱可能である。すなわち、滅菌洗浄等に耐え得るとともに繰り返し使用される高価なマニピュレータ本体（作業部２０・駆動部３０・アーム部４０・駆動力伝達部６０）に対して、比較的安価な力覚検出部１００を使い捨てにすることが可能である。このため、アーム部に力覚検出部が固定されたタイプの医療用マニピュレータに比べ、コスト等の点でメリットを有する。
【００３９】
また、力覚検出部１００としてプラスチック等の絶縁材を用いることによりひずみゲージ１５１〜１５４の電気的絶縁性を充分に確保することができる。
【００４０】
上述したように、本発明の第１の実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０によれば、アーム部４０の先端側に作用する力のうち、軸方向に交差する方向のみを力覚検出部１００に伝達するようにしているので、駆動力伝達機構６０等の影響を排除し、術者が知りたい先端力のみを検出することが可能となり、糸の断線を防いだり、臓器が傷つくのを防ぐことができる。また、力覚検出部１００のひずみゲージ１５１〜１５４は外部に露出していない構造であるため、電気的安全性を確保できる。さらに、着脱式であることから、使い捨てとして使用することができる。
【００４１】
なお、上述した医療用マニピュレータ１０は一体型のもので説明したが、遠隔型に適用してもよい。なお、この場合は術者が離隔した位置から駆動部３０をロボットアーム等により操作することとなる。
【００４２】
図５は本発明の第２の実施の形態に係る力覚検出部２００周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図５において図２と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
【００４３】
力覚検出部２００は、外管２１０を備えている。外管２１０は、その内壁面側で内管５０のネジ部５１に螺合されて着脱自在とされた固定部２２０と、内管５０の係止部５２に係合する係合部２３０と、これら固定部２２０及び係合部２３０を嵌合により連結するとともに内管５０の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部２４０とを備えている。なお、係合部２３０の内周面と係止部５２の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部５２の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部２３０に伝達される。
【００４４】
連結部２４０は、円筒状に形成されており、内壁面側には、周方向に沿って９０度毎に配置された４つのひずみゲージ２５１〜２５４（２５２，２５４は不図示）が設けられている。すなわち、力覚検出部２００にかかる先端力を軸方向に直交する２軸方向に分解して検出することができる。
【００４５】
ひずみゲージ２５１〜２５４は、コーティング剤２５５により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ２５１〜２５４に接続されたリード線２５６は係合部２３０に設けられた貫通孔２３１を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部３０まで案内されている。
【００４６】
固定部２２０及び係合部２３０は絶縁材で形成されており、連結部２４０は固定部２２０や係合部２３０等の他の部材と比べて剛性の低い材質の金属材で形成されている。
【００４７】
本第２の実施の形態に係る力覚検出部２００を用いた医療用マニピュレータ１０においても、上述した第１の実施の形態に係る力覚検出部１００を用いた医療用マニピュレータ１０と同様の効果を得ることができる。また、連結部２４０のみを非絶縁体である金属材とすることで、医療機器として充分な電気的安全性を確保しつつ、先端力を受けたときのたわみ量が大きく検出精度を向上させることができるというメリットがある。また、プラスチック等の絶縁材に比べて加工が容易というメリットもある。
【００４８】
図６は本発明の第３の実施の形態に係る力覚検出部３００周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図６において図２と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
【００４９】
力覚検出部３００は、外管３１０を備えている。外管３１０は、その内壁面側で内管５０のネジ部５１に螺合されて着脱自在とされた固定部３２０と、内管５０の係止部５２に係合する係合部３３０と、これら固定部３２０及び係合部３３０を一体的に連結するとともに内管５０の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部３４０とを備えている。なお、係合部３３０の内周面と係止部５２の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部５２の動きのうち軸方向に交差する方向への圧力のみが係合部３３０に伝達される。
【００５０】
係合部３３０の係止部５２との当接部には、周方向に沿って９０度毎に配置された４つの感圧センサ３３１〜３３４（３３２，３３４は不図示）が設けられている。感圧センサ３３１〜３３４は、圧電素子や感圧フィルム等から構成されている。これら感圧センサ３３１〜３３４により力覚検出部３００にかかる先端力を軸方向に直交する２軸方向に分解して検出することができる。感圧センサ３３１〜３３４はパッキング３３５により覆われており、耐水性を有している。なお、感圧センサ３３１〜３３４に接続されたリード線３３６は図示しないカバーに覆われて駆動部３０まで案内されている。また、感圧センサ３３１〜３３４は、係合部３３０と係止部５２の間全体にベルトのように配置してもよい。
【００５１】
本第３の実施の形態に係る力覚検出部３００を用いた医療用マニピュレータ１０によれば、先端力が加わると、係合部３３０と係止部５２との間に力が加わり、感圧センサ３３１〜３３４により圧力として検出される。感圧センサ３３１〜３３４は、圧電素子や感圧フィルム等から構成される分布型の圧力センサであるため、先端力を高精度に検出することができ、上述した第１の実施の形態に係る力覚検出部１００を用いた医療用マニピュレータ１０と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
図７は本発明の第４の実施の形態に係る力覚検出部４００周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図７において図２と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
【００５３】
力覚検出部４００は、その内壁面側で内管５０のネジ部５１に螺合されて着脱自在とされた固定部４２０と、内管５０の係止部５２に係合する係合部４３０と、これら固定部４２０及び係合部４３０を嵌合により連結するとともに内管５０の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部４４０とを備えている。なお、係合部４３０の内周面と係止部５２の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部５２の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部４３０に伝達される。
【００５４】
連結部４４０は、上述した連結部１４０と同様に、２組の平行平板構造で形成されており、各平板４４１〜４４４の内壁面側には、４つのひずみゲージ４５１〜４５４（４５２，４５４は不図示）が設けられている。すなわち、力覚検出部４００にかかる先端力を軸方向に直交する２軸方向に分解して検出することができる。
【００５５】
ひずみゲージ４５１〜４５４は、コーティング剤４５５により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ４５１〜４５４に接続されたリード線４５６は係合部４３０に設けられた貫通孔４３１を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部３０まで案内されている。
【００５６】
内管５０のうち連結部４４０に覆われる部位５５についても横コの字型のスリットＳが４箇所形成されることで、平行平板構造が２組形成されている。
【００５７】
本第４の実施の形態に係る力覚検出部４００を用いた医療用マニピュレータ１０においても、上述した第１の実施の形態に係る力覚検出部１００を用いた医療用マニピュレータ１０と同様の効果を得ることができるとともに、内管５０の部位５５の変形を容易にし、それに伴う連結部４４０の変形を拡大することで、結果的に測定感度を高くすることが可能となる。
【００５８】
図８は本発明の第５の実施の形態に係る力覚検出部５００周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図８において図２と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
【００５９】
力覚検出部５００は、絶縁材製の外管５１０を備えている。外管５１０は、その内壁面側で内管５０のネジ部５１に螺合されて着脱自在とされた固定部５２０と、内管５０の係止部５２に係合する係合部５３０と、これら固定部５２０及び係合部５３０を一体的に連結するとともに内管５０の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部５４０とを備えている。なお、係合部５３０の内周面と係止部５２の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部５２の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部５３０に伝達される。図８中５３１は貫通孔を示している。
【００６０】
連結部５４０は、円筒状に形成されており、その内壁面側には、周方向に沿って９０度毎に配置された４つのひずみゲージ５５１〜５５４（５５２，５５４は不図示）が設けられており、それぞれ平行平板構造の対向する位置に配置されている。すなわち、力覚検出部５００にかかる先端力を軸方向に直交する２軸方向に分解して検出することができる。
【００６１】
ひずみゲージ５５１〜５５４は、コーティング剤５５５により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ５５１〜５５４に接続されたリード線５５６は係合部５３０に設けられた貫通孔５３１を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部３０まで案内されている。
【００６２】
本第５の実施の形態に係る力覚検出部５００においては、係合部５３０と係止部５２との接触面が中心軸側から外周側へ傾いたテーパ状に形成されている。係合部５３０の内周面と係止部５２の外周面とが平行である場合、加工誤差等があると接触されない場合があり、検出感度に影響を与える。テーパ状に形成することにより、外管５１０に軸方向の力がかかると係合部５３０と係止部５２とが確実に接触することになり、検出感度を確実に保つことができる。
【００６３】
図９は本発明の第６の実施の形態に係る力覚検出部６００周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図９において図２と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
【００６４】
力覚検出部６００は、絶縁材製の外管６１０を備えている。外管６１０は、その内壁面側で内管５０のネジ部５１に螺合されて着脱自在とされた固定部６２０と、内管５０の係止部５２に係合する係合部６３０と、これら固定部６２０及び係合部６３０を一体的に連結するとともに内管５０の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部６４０とを備えている。なお、係合部６３０の内周面と係止部５２の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部５２の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部６３０に伝達される。図９中６３１は貫通孔を示している。
【００６５】
連結部６４０は、円筒状に形成されており、その内壁面側には、周方向に沿って９０度毎に配置された４つのひずみゲージ６５１〜６５４（６５２，６５４は不図示）が設けられており、それぞれ平行平板構造の対向する位置に配置されている。すなわち、力覚検出部６００にかかる先端力を軸方向に直交する２軸方向に分解して検出することができる。
【００６６】
ひずみゲージ６５１〜６５４は、コーティング剤６５５により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ６５１〜６５４に接続されたリード線６５７は係合部６３０に設けられた貫通孔６３１を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部３０まで案内されている。
【００６７】
本第５の実施の形態に係る力覚検出部６００においては、係合部６３０と係止部５２との間に一定寸法の間隙Ｇが形成されている。このため、先端力が小さい場合には、内管５０の変形量が少ないため、その変形が力覚検出部６００に伝達されず、ひずみゲージ６５１〜６５５では検出されない。このため、大きな先端力のみを検出する場合に適用可能である。
【００６８】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明によれば、内管の変形のうち軸方向に交差する変形のみを外管に伝達することで、先端力のみを高感度に検出することができるとともに、滅菌洗浄性・電気的安全性に優れ、駆動力伝達機構からの影響を排除することが可能な力覚検出装置及びマニピュレータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る力覚検出部が組み込まれた医療用マニピュレータを示す斜視図。
【図２】同力覚検出部及び作業部を一部切欠して示す側面図。
【図３】同力覚検出部に組み込まれた連結部を模式的に示す斜視図。
【図４】同力覚検出部に組み込まれた連結部を模式的に示す斜視図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る力覚検出部及び作業部を一部切欠して示す側面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る力覚検出部及び作業部を一部切欠して示す側面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る力覚検出部及び作業部を一部切欠して示す側面図。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る力覚検出部及び作業部を一部切欠して示す側面図。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る力覚検出部及び作業部を一部切欠して示す側面図。
【符号の説明】
【００７１】
１０…医療用マニピュレータ、２０…作業部、３０…駆動部、４０…アーム部、５０…内管、６０…駆動力伝達機構、１００，２００，３００，４００，５００，６００…力覚検出部、ひずみゲージ１５１〜１５４，２５１〜２５４，４５１〜４５４，５５１〜５５４，６５１〜６５４、感圧センサ３３１〜３３４。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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