(57)【要約】【課題】載置部への身体部分の固定が解除され、かつ、載置部の移動が制限される制限モードを備えた身体支持追従装置において、簡単な構成によって、制限モード時に載置部上で身体部分を円滑に動かせるようにすること。【解決手段】多関節アームの先端に取り付けられて移動可能な末端アーム５は、装具５５が装着された腕Ａが載置されるアームフォルダ５１と、そのアームフォルダ５１の下方に取り付けられた電磁石５２とを備えている。電磁石５２の上方に配設された被載置面５１Ｂの上には、その被載置面５１Ｂと、装具５５の磁性体５７の下面としての載置面５７Ａとの摺動抵抗を低減する軟質プラスチック薄膜６１が配設されている。電磁石５２が非励磁となると、被載置面５１Ｂに載置面５７Ａが対向したままの状態で医師が腕Ａを前後に滑らせるときには、軟質プラスチック薄膜６１が摺動抵抗を低減させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業者の身体部分（Ａ）を支持する身体支持追従装置（１，１０１，２０１，３０１）であって、
前記身体部分に装着された装具（５５）の硬質の載置面（５７Ａ）が硬質の被載置面（５１Ｂ）に載置される載置部（５）と、
少なくとも１つの関節（３１，３２，３３，３４，３５）を有してその関節で屈曲することにより、前記載置部を移動可能に支持する支持部（３）と、
前記載置部に設けられ、前記被載置面を前記載置面に固定することで、当該載置部を前記支持部から加わる抵抗に抗して前記身体部分及び前記装具の移動に追従移動させる固定部（５２）と、
前記支持部の少なくとも１つの前記関節における屈曲を抑制することにより、前記載置部の移動を制限するブレーキ（３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ）と、
前記固定部及び前記ブレーキを制御して、前記固定部により前記載置部に前記装具を固定し、かつ、前記ブレーキによる前記載置部の移動の制限を解除する動作モードをフリーモードとし、前記固定部による前記装具の固定を解除し、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動を制限する動作モードを制限モードとして、動作モードを少なくとも前記フリーモード又は前記制限モードに切り替える切替手段（７，Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５）と、
前記被載置面と前記載置面との間に配設された軟質の薄膜（６１，６３）と、
を備えたことを特徴とする身体支持追従装置。
【請求項２】
前記載置部は、前記装具の載置面を前記被載置面に誘導する傾斜面（５１Ａ）を有することを特徴とする請求項１に記載の身体支持追従装置。
【請求項３】
前記固定部は、電磁石を備え、
前記装具の前記載置面には、磁性体（５７）が取り付けられ、
前記薄膜は非磁性の薄膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の身体支持追従装置。
【請求項４】
前記薄膜は滅菌処理されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の身体支持追従装置。
【請求項５】
前記薄膜は前記支持部を覆う滅菌ドレープ（６３）であることを特徴とする請求項４に記載の身体支持追従装置。
【請求項６】
前記載置部、前記支持部、又は前記固定部に直接又は間接的に力を作用させて、前記載置部、前記支持部、及び前記固定部に加わる力のうち前記載置部に直接又は間接的に作用するもののバランスを取ることにより、前記載置部を、前記載置部の自重、前記固定部の自重、前記装具の自重、及び前記身体部分の自重のうち前記載置部に直接又は間接的に作用するものに抗して支持するバランス機構（４６，４７，４８）を、
更に備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の身体支持追従装置。
【請求項７】
前記作業者の他の身体部分によって操作されるスイッチ（９０，９１）を、
更に備え、
前記切替手段は、前記スイッチの操作状態に応じて動作モードを切り替えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の身体支持追従装置。
【請求項８】
前記載置部若しくは前記固定部に前記身体部分及び前記装具から加わる力、前記載置部若しくは前記固定部に前記身体部分及び前記装具から加わるトルク、前記載置部若しくは前記固定部の加速度、前記載置部若しくは前記固定部の速度、前記載置部若しくは前記固定部の位置、又は、前記載置部若しくは前記固定部と前記身体部分若しくは前記装具との接触の、少なくともいずれか１つを検出する検出部（３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ，４５）と、
該検出部の検出結果に基づき、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしているか否かを判断する判断手段（７，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ１６，Ｓ２６，Ｓ２７）と、
を更に備え、
前記切替手段は、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしていると前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記フリーモードに、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしていないと前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記制限モードに、それぞれ切り替えることを特徴とする請求項６に記載の身体支持追従装置。
【請求項９】
前記身体部分は腕であり、前記装具はその腕に巻き付けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の身体支持追従装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業者の身体部分を支持する身体支持追従装置に関し、詳しくは、前記身体部分が載置される載置部が当該身体部分に追従移動する動作モードと前記載置部の移動を制限する動作モードとを備えた身体支持追従装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳神経外科手術等のように緻密な手作業を要求される作業では、作業者の腕を支持する身体支持追従装置が用いられることがある。このような身体支持追従装置では、作業者が腕を動かしたいときには、腕を支持する支持部が当該腕に追従移動し、作業者が腕を固定したいときには、前記支持部が固定される必要がある。そこで、可動の関節式保持アーム先端に設けられた支持部にベルト部材を介して腕を固定することで、医師の腕に支持部を追従移動させ、フットスイッチの操作時には前記関節式保持アームの移動を禁止して支持部を固定することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
ところが、特許文献１記載の装置では、ピンセット等の器具を作業台等に一旦置くために腕を支持部から外す際、いちいちベルト部材を外す必要があり、操作性が悪い。これに対して、腕台（特許文献１の支持部に相当）を支持する多関節アームに、腕台を上方に付勢する力を付与しておくことで、腕台を腕の下方から圧接してその腕に追従移動させることも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この場合、多関節アームの移動を禁止して腕台を固定すれば、その腕台に腕を載置して手術を行うことも、腕を腕台から外すことも容易に行える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２７２１６３号公報
【特許文献２】特開２００９−２９１３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の装置では、腕台を腕に追従移動させる際、医師の腕は腕台によって常時上向きに押圧されることになり、腕を下方へ動かす際にはその押圧力に抗して動かす必要があるなど、その押圧力が円滑な手術の妨げとなる場合がある。また、特許文献２では、腕から腕台に加わる力を検出して、ブレーキによる制動を解除することも提案されているが、その解除直後に医師の腕が腕台によって急に押圧されるのを抑制する必要がある。
【０００６】
そこで、本願出願人は、ブレーキ及びバランス機構を備えた支持部により移動可能に支持された載置部（特許文献１の支持部に相当）に、医師の腕を固定する固定部を設け、動作モードを次のように切り替えることを提案している（特願２０１２−１５８１２５号）。この出願では、動作モードがフリーモードに切り替えられると、固定部により載置部に腕が固定され、かつ、ブレーキによる載置部の移動の制限が解除される。このため、腕にそれ程力を加えなくても、載置部は腕に追従移動する。一方、制限モードでは、固定部による腕の固定が解除され、かつ、前記ブレーキにより載置部の移動が制限される。このため、腕を動かしたり載置部から離したりしても、載置部の位置は保持される。
【０００７】
ところが、前記出願の技術では、動作モードを制限モードとした場合、腕等の身体部分は載置部から離すことも含めて自由に動かせるようになるが、載置部に載せたままで身体部分を少しだけ動かしたいときの動かし易さについては更なる改善の余地があった。また、特許文献２には、パウダブレーキ等を制御して腕台を少しずつ移動させる微動モードを備えることも提案されているが、その場合、必要なアクチュエータやセンサが増大し、装置の構成及び制御が複雑化する。
【０００８】
そこで、本発明は、載置部への身体部分の固定が解除され、かつ、載置部の移動が制限される制限モードを備えた身体支持追従装置において、簡単な構成によって、制限モード時に載置部上で身体部分を円滑に動かせるようにすることを目的としてなされた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達するためになされた本発明の身体支持追従装置では、載置部の被載置面には、身体部分に装着された装具の載置面が載置され、固定部は、被載置面を載置面に固定する。載置部は、少なくとも１つの関節を有してその関節で屈曲する支持部により、移動可能に支持されており、固定部による前記固定がなされることで、当該載置部は、支持部から加わる抵抗に抗して身体部分及び装具の移動に追従移動される。ブレーキは、前記支持部の少なくとも１つの前記関節における屈曲を抑制することにより、前記載置部の移動を制限する。また、固定部による前記固定は、切替手段による次のようなモード切替によって解除されるので、身体部分及び装具の載置部からの着脱も容易に行うことができる。
【００１０】
すなわち、切替手段が動作モードをフリーモードに切り替えると、前記固定部による前記固定がなされ、かつ、前記ブレーキによる前記載置部の移動の制限が解除される。このため、身体部分にそれ程力を加えなくても、載置部は身体部分及び装具に追従移動する。
【００１１】
一方、切替手段が、動作モードを制限モードに切り替えると、前記固定部による前記固定が解除され、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動が制限される。このため、作業者は、載置部に身体部分及び装具を載置して動かしながら作業を行うことも、身体部分及び装具を載置部から外すことも、容易に行うことができる。また、このとき、前記被載置面と前記載置面との間には軟質の薄膜が配設されているので、被載置面と載置面との間に作用する摺動抵抗が低減される。すなわち、硬質の被載置面と、硬質の載置面との間に、剪断強度の小さい軟質の薄膜が配設されるため、被載置面と載置面との間の摩擦係数が低下して、載置部上で身体部分及び装具を少しだけ動かす場合でもそれらを円滑に動かすことができる。また、このような腕及び装具の載置部上での移動は、アクチュエータやセンサを利用した制御を介さずになされるので、装置の構成や制御が複雑化されるのを抑制することができる。
【００１２】
なお、前記載置部は、前記装具の載置面を前記被載置面に誘導する傾斜面を有していてもよい。その場合、身体部分を載置部に配設するときも、載置面が傾斜面を滑って被載置面上に誘い込まれ、操作性が一層向上する。
【００１３】
また、本発明において、前記固定部は、電磁石を備え、前記装具の前記載置面には、磁性体が取り付けられ、前記薄膜は非磁性の薄膜であってもよい。その場合、電磁石が消磁されて前記固定が解除されたとき、載置面に取り付けられた磁性体に作用する残留磁束を非磁性の薄膜が低減して応答性を向上させるので、身体部分及び装具を一層円滑に動かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明が適用された第１実施形態の身体支持追従装置を表す模式図である。
【図２】その身体支持追従装置の外観を表す斜視図である。
【図３】その身体支持追従装置の末端アームの構成を表す模式図である。
【図４】その身体支持追従装置における制御を表すフローチャートである。
【図５】その制御に応じた動作モードの変化を表す状態遷移図である。
【図６】第２実施形態の身体支持追従装置の外観を表す斜視図である。
【図７】第３実施形態の身体支持追従装置の外観を表す斜視図である。
【図８】その身体支持追従装置の構成を表す模式図である。
【図９】その身体支持追従装置における制御を表すフローチャートである。
【図１０】その制御に応じた動作モードの変化を表す状態遷移図である。
【図１１】本発明を適用した第４実施形態の身体支持追従装置を表す模式図である。
【図１２】その身体支持追従装置における制御を表すフローチャートである。
【図１３】その制御に応じた動作モードの変化を表す状態遷移図である。
【図１４】本発明を適用した第５実施形態の身体支持追従装置における制御を表すフローチャートである。
【図１５】その制御に応じた動作モードの変化を表す状態遷移図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１実施形態（装置の構成）］
次に本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、以下に示す各実施形態では、手術を行う作業者としての医師の、身体部分としての腕Ａ（図３参照）を支持する装置について説明するが、本発明の身体支持追従装置は精密機械の製造作業などにも応用可能で、腕Ａの他、手、指、足、顎等を支持してもよい。
【００１６】
図１に模式的に示し、図２（Ａ）に外観を示すように、本発明が適用された第１実施形態の身体支持追従装置１は、多関節アーム３と、その多関節アーム３の先端に取り付けられた末端アーム５と、それらを制御するモード判定コンピュータ７とを備えている。多関節アーム３は、末端アーム５に作用する外力に応じて末端アーム５を移動可能に支持する移動機構であって、５つの関節３１，３２，３３，３４，３５を有して５自由度に構成されている。なお、関節３１〜３５はいずれも回転関節である。
【００１７】
多関節アーム３は、手術室の床Ｆに固定された支持部４１を備え、その支持部４１によって次のように全体が支持されている。すなわち、支持部４１の上端には、関節３１を介して肩部４２が鉛直軸回りに回転可能に接続されている。また、関節３１には、その関節３１における支持部４１と肩部４２との回転を抑制する電磁ブレーキからなるブレーキ３１Ａが設けられている。
【００１８】
なお、図２（Ａ）に示すように、支持部４１はキャスタ４１Ａによって床Ｆの上を容易に移動可能に構成されている。このキャスタ４１Ａには、周知のストッパ（図示省略）が設けられ、支持部４１は床Ｆの上の所望の位置に固定的に配置可能となっている。
【００１９】
図１に示すように、肩部４２の上端には、関節３２を介して第１腕部４３の一端が水平軸回りに揺動可能に接続されている。なお、第１腕部４３は、２本の棒材の両端が上下方向に一定間隔に維持された平行リンク機構として構成され、上側の棒材の一端が関節３２に接続されている。第１腕部４３の他端には、同様の平行リンク機構として構成された第２腕部４４の一端が、関節３３を介して水平軸回りに揺動可能に接続されている。第２腕部４４の他端には、水平軸回りに回転可能な関節３４とその関節３４とは回転軸が直交する関節３５とを介して、末端アーム５が接続されている。
【００２０】
また、関節３２，３３にも、関節３１と同様に、ブレーキ３２Ａ，３３Ａが設けられている。更に、関節３３と第１腕部４３，第２腕部４４との間には、バネ４６，４７が設けられ、第１腕部４３は関節３２を突き抜けて延びていてその部分にカウンタウェイト４８が設けられている。このバネ４６，４７とカウンタウェイト４８とは、末端アーム５に医師の腕Ａが載置されたとき、末端アーム５及び多関節アーム３に加わる力のバランスを取るものである。
【００２１】
すなわち、バネ４６，４７とカウンタウェイト４８とから加わる付勢力が、後述の電磁石５２（図３参照）を含めた末端アーム５の自重、腕Ａの自重、後述の装具５５の自重、及び、多関節アーム３の自重と釣り合うことにより、末端アーム５が支持される。なお、前記付勢力は前記各自重等と完全に釣り合うのが理想であるが、医師の手が患者の患部の上方から作業を行うことを考慮して、安全方向である上方へ、末端アーム５を極めて弱い力で付勢するように設定されている。また、カウンタウェイト４８のみでバランスが取れる場合は、バネ４６，４７は省略してもよい。
【００２２】
次に、図３（Ａ）に示すように、装具５５は、腕Ａに巻き付けられる一対のバンド５６と、各バンド５６に取り付けられた磁性体５７とから構成されている。なお、磁性体５７は、各バンド５６に直接固定された一対の円板状部分５７Ｂとその一対の円板状部分５７Ｂを連結する棒状部分５７Ｃとを有し、腕Ａとは反対側の載置面５７Ａが同一平面上に配設されるように構成されている（図３（Ｂ）参照）。また、装具５５は、腕Ａに、その腕Ａを前方に伸ばしたときに磁性体５７が下方に配設されるように装着される。
【００２３】
末端アーム５は、図２（Ｂ），図３（Ｂ）に示すように、装具５５が装着された腕Ａが載置されるアームフォルダ５１と、そのアームフォルダ５１の下方に取り付けられた電磁石５２とを備えている。なお、図２（Ｂ）に示すように、電磁石５２は磁性体５７の各円板状部分５７Ｂと対向可能に一対設けられている。アームフォルダ５１は、医師から見て電磁石５２を左右から挟む位置に傾斜面５１Ａを有しており、この傾斜面５１Ａは、図３（Ｂ）に示すように電磁石５２の上方に配設された被載置面５１Ｂへ装具５５の載置面５７Ａを誘い込むように傾斜した形状となっている。また、被載置面５１Ｂの上には、被載置面５１Ｂと載置面５７Ａとの摺動抵抗を低減する軟質プラスチック薄膜６１が配設されている。なお、軟質プラスチック薄膜６１には滅菌処理が施されている。
【００２４】
このため、アームフォルダ５１に医師が腕Ａを載置して被載置面５１Ｂに載置面５７Ａが対向した状態で電磁石５２が励磁されると、末端アーム５は腕Ａに固定され、腕Ａの上下左右前後各種方向の移動に追従して、多関節アーム３を変形させながら移動する。また、電磁石５２が非励磁となると、医師は腕Ａを自由に動かすことができる。特に、被載置面５１Ｂに載置面５７Ａが対向したままの状態で医師が腕Ａを前後に滑らせるときには、軟質プラスチック薄膜６１が摺動抵抗を低減させ、磁性体５７に作用する残留磁束も低減させる。
【００２５】
モード判定コンピュータ７は、電源７８に接続された駆動回路７９を制御することにより、電磁石５２の励磁／非励磁を切り替えている。なお、モード判定コンピュータ７は、図２（Ａ）に示す支持部４１の内部に収納されている。更に、図１，図２（Ａ）に示すように、支持部４１に内蔵されたモード判定コンピュータ７には、足踏み式のモード切替ボタン９１が接続されている。
【００２６】
［第１実施形態（処理及び効果）］
次に、図１に示すように、モード判定コンピュータ７は、ＣＰＵ７１，ＲＯＭ７２，ＲＡＭ７３を備えた電子制御回路を内蔵し、身体支持追従装置１の電源が投入されると、ＲＯＭ７２に記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵ７１が次のような処理を実行する。以下、モード判定コンピュータ７で実行される処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。
【００２７】
図４に示すように、この処理では、先ず、Ｓ０（Ｓはステップを表す：以下同様）にて、モード切替ボタン９１が操作中であるか否か（すなわち踏まれているか否か）が判断される。モード切替ボタン９１が操作中の場合は（Ｓ０：Ｙ）、Ｓ３にて動作モードがフリーモードに設定されて、処理は前述のＳ０へ移行する。
【００２８】
このフリーモードは、医師が末端アーム５を腕Ａに追従移動させようとしている状態を想定しており、各関節３１，３２，３３のブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａによる制動が解除される（以下、各軸ブレーキＯＦＦともいう）と共に、電磁石５２が励磁（以下、磁力ＯＮともいう）される。このフリーモードでは、各軸ブレーキがＯＦＦにされ、磁力がＯＮにされているため、医師が腕Ａを動かせば末端アーム５は腕Ａに追従移動する。しかも、前述のように末端アーム５から腕Ａに加わる力は極めて小さく、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａの摺動抵抗も小さいので、医師は腕Ａにそれ程力を加えなくてもその腕Ａに末端アーム５を追従移動させることができる。
【００２９】
一方、モード切替ボタン９１が操作中でない場合は（Ｓ０：Ｎ）、Ｓ５にて動作モードがロックモードに設定されて、処理は前述のＳ０へ移行する。このロックモードは、医師が末端アーム５の位置を固定し、その末端アーム５の上に腕Ａを載置して手術をしようとしている状態を想定しており、各関節３１，３２，３３がブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａにより制動される（各軸ブレーキＯＮ）と共に、電磁石５２が非励磁（磁力ＯＦＦ）とされる。このロックモードでは、各軸ブレーキがＯＮにされているため、末端アーム５から医師が腕Ａを外しても、末端アーム５の位置は固定されている。但し、関節３４，３５にはブレーキがないため、末端アーム５の角度は自由に調整することができる。また、磁力がＯＦＦとされることにより、医師は末端アーム５の上で腕Ａを含む手を拘束されることなく、微細な手術を行うことができる。
【００３０】
以上の処理をモード判定コンピュータ７が実行することにより、身体支持追従装置１の動作モードは次のように遷移する。すなわち、図５に示すように、モード切替ボタン９１が踏まれると（Ｓ０：Ｙ）、そのモード切替ボタン９１が踏まれている間だけ、動作モードがフリーモードに設定される。このフリーモードでは、各軸ブレーキがＯＦＦで磁力がＯＮである（Ｓ３）。そして、モード切替ボタン９１から足が離れると（Ｓ０：Ｎ）、動作モードはロックモードに設定される（Ｓ５）。ロックモードでは、各軸ブレーキがＯＮで磁力がＯＦＦである。
【００３１】
このため、医師は、末端アーム５のアームフォルダ５１に腕Ａ及び装具５５を載置して動かしながら作業を行うことも、腕Ａ及び装具５５を末端アーム５から外すことも、容易に行うことができる。従って、医師は、モード切替ボタン９１を踏んで動作モードをフリーモードに設定した状態で末端アーム５を所望の位置へ移動させ、モード切替ボタン９１から足を離して末端アーム５の位置を固定して微細な手術を行うことができる。
【００３２】
また、アームフォルダ５１の被載置面５１Ｂと磁性体５７の載置面５７Ａとの間には軟質プラスチック薄膜６１が配設されているので、被載置面５１Ｂと載置面５７Ａとの間に作用する摺動抵抗が低減される。すなわち、硬質の被載置面５１Ｂと、硬質の載置面５７Ａとの間に、剪断強度の小さい軟質プラスチック薄膜６１が配設されるため、被載置面５１Ｂと載置面５７Ａとの間の摩擦係数が低下する。このため、医師は、アームフォルダ５１上で腕Ａ及び装具５５を少しだけ動かしたい場合でも、それらを円滑に動かすことができる。特に、顕微鏡を用いた手術では、腕Ａを少し動かしても術野内では大きな動きとなるので、このように腕Ａの位置を微調整できる効果が一層顕著になる。
【００３３】
しかも、軟質プラスチック薄膜６１は非磁性の薄膜であるため、電磁石５２と磁性体５７との間に微小磁気ギャップを形成する。このため、電磁石５２が消磁されたとき、磁性体５７に作用する残留磁束が軟質プラスチック薄膜６１によって低減されて応答性が向上し、腕Ａ及び装具５５を一層円滑に動かすことができる。
【００３４】
また、このような腕Ａ及び装具５５のアームフォルダ５１上での移動は、アクチュエータやセンサを利用した制御を介さずになされるので、装置の構成や制御が複雑化されるのを抑制することができる。更に、アームフォルダ５１は、電磁石５２の上方に配設された被載置面５１Ｂへ装具５５の載置面５７Ａを誘い込む傾斜面５１Ａを有している。このため、医師が腕Ａをアームフォルダ５１に載せるときも、載置面５７Ａが傾斜面５１Ａを滑って被載置面５１Ｂ上に誘い込まれ、操作性が一層向上する。
【００３５】
なお、ロックモードで腕Ａ及び装具５５の位置を微調整した後、動作モードがフリーモードに変化すると、腕Ａ及び装具５５は微調整後の位置でアームフォルダ５１に固定される。また、本実施形態では、前述のようにモード切替ボタン９１の操作に応じて動作モードが切り替わる単純な制御を採用しているため、誤作動の心配が少なく、複雑な制御がないためモード判定コンピュータ７も小形化できる。
【００３６】
［第２実施形態］
なお、軟質の薄膜の構成は、前記以外にも、次のように種々の形態が考えられる。図６に示す第２本実施形態の身体支持追従装置１０１では、軟質プラスチック薄膜６１が省略され、代わりに、多関節アーム３及び末端アーム５の全体が上方から滅菌ドレープ６３によって覆われている。本実施形態では、軟質プラスチック薄膜６１を特別に設ける必要がなく、従来から使用されている滅菌ドレープ６３を軟質の薄膜として利用しているので、装置の構成を一層簡略化することができる。
【００３７】
［第３実施形態］
また、図７に外観を示す第３実施形態の身体支持追従装置２０１のように、モード切替ボタン９１は省略されてもよい。この実施形態では、図８に模式的に示すように、次のようなセンサ類が設けられ、モード判定コンピュータ７はそのセンサ類の検出信号に基づいて自動的に動作モードを切り替える。すなわち、図８に示すように、関節３１には、支持部４１に対する肩部４２の回転量を検出するエンコーダ３１Ｂが設けられている。関節３２，３３にも、関節３１と同様にエンコーダ３２Ｂ，３３Ｂが設けられている。末端アーム５は、力センサ４５を介して関節３５に接続されており、力センサ４５は末端アーム５に加わる３軸方向の力と３軸回りのトルクとを検出している。
【００３８】
モード判定コンピュータ７は、これらのセンサ類の検出信号に基づき、図９に示す処理を実行して、次のように動作モードを切り替える。図９に示すように、この処理では、先ず、Ｓ１にて、動作モードがウェイトモードに設定される。このウェイトモードは、腕Ａが末端アーム５に載置されていない状態を想定しており、各関節３１，３２，３３がブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａにより制動される（各軸ブレーキＯＮ）と共に、電磁石５２が非励磁（磁力ＯＦＦ）とされる。従って、このウェイトモードでは、磁力がＯＦＦにされているため、医師は、末端アーム５に腕Ａを載置することも、末端アーム５から腕Ａを外すことも容易に行うことができる。また、各軸ブレーキがＯＮにされているため、末端アーム５から医師が腕Ａを外しても、末端アーム５の位置は固定されている。
【００３９】
続くＳ２では、力センサ４５からの検出信号に基づいて次のような判断がなされることにより、医師が末端アーム５を自身の腕Ａに追従移動させようとしているか否かが判断される。
【００４０】
なお、医師が末端アーム５を積極的に腕Ａに追従移動させようとしたとき、医師は、先ず、腕Ａを自身の筋肉で支え、続いて腕Ａを介して末端アーム５に力を加える。本処理の説明において、前者の段階で末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ２とし、後者の段階で末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ１とする。すなわち、医師が末端アーム５を腕Ａに追従移動させようとしたとき、先ず、腕Ａを自身の筋肉で支えるため、末端アーム５に上方から加わる力がＦ２（例えば１．０ｋｇｆ）以下となる。そして、医師が末端アーム５に腕Ａを介して積極的に力を加えて、その末端アーム５を追従移動させるときには、末端アーム５にはＦ１（例えば下方向へ追従させる際に腕Ａの自重の目安となる１．５ｋｇｆ：本処理の説明ではこの数値で説明。）以上の力が加わる。なお、本処理のために予め設定される前記Ｆ１，Ｆ２は、腕Ａの自重≧Ｆ１＞Ｆ２＞０の関係を満たすのが望ましい。
【００４１】
そこで、Ｓ２では、末端アーム５（先端）に加わる力が１．５ｋｇｆ（Ｆ１）以上、または、末端アーム５に加わるトルク（Ｔｙ）が前記Ｆ１に相当する１０ｋｇｃｍ以上となった状態が、１００ｍｓ継続したか否かが判断される。なお、前記トルクや継続時間も、前記Ｆ１と同様に本処理で一例として挙げている数値であり、種々の値に変更することができる（他の数値も同様）。前記状態が１００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ２：Ｎ）、処理はＳ２にて待機することによってＳ１にて設定されたウェイトモードに動作モードが維持される。一方、前記状態が１００ｍｓ継続した場合は（Ｓ２：Ｙ）、医師が末端アーム５を追従移動させようとしているので、処理はＳ３へ移行し、動作モードが第１実施形態と同様のフリーモードに設定される。
【００４２】
続くＳ４では、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続したか否かに基づいて、医師が腕Ａを動かし終えて末端アーム５もその位置に固定しようとしているか否かが判断される。なお、末端アーム５の速度は、各エンコーダ３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂを介して検出される。前記状態が１００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ４：Ｎ）、処理はＳ４にて待機することによって、Ｓ３にて設定されたフリーモードに動作モードが維持される。一方、前記状態が１００ｍｓ継続した場合は（Ｓ４：Ｙ）、処理はＳ５へ移行し、動作モードが第１実施形態と同様のロックモードに設定される。
【００４３】
続くＳ６では、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ（Ｆ２）以下、または、末端アーム５に加わるトルクが前記Ｆ２に相当する５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続したか否かが判断される。前記状態が２００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ６：Ｎ）、処理はＳ６にて待機することによってＳ５にて設定されたロックモードに動作モードが維持される。一方、前記状態が２００ｍｓ継続した場合は（Ｓ６：Ｙ）、処理は前述のＳ１へ移行し、動作モードがウェイトモードに設定される。
【００４４】
ここで、前述のように、末端アーム５に加わる力がＦ２以下となる状態は、医師が腕Ａを動かそうとして自身の筋肉で腕Ａを支えたことを示唆する状態であるが、医師が腕Ａを末端アーム５から外そうとしたときも同様の状態となる。前者の場合は、その後のＳ２で即座に肯定判断されて処理はＳ３へ移行するが、後者の場合は、Ｓ２にて否定判断が継続され、動作モードはＳ１にて設定されたウェイトモードに維持される。
【００４５】
以上の処理をモード判定コンピュータ７が実行することにより、身体支持追従装置１の動作モードは次のように遷移する。すなわち、図１０に示すように、動作モードがウェイトモードに設定されている場合（Ｓ１）、各軸ブレーキがＯＮで磁力がＯＦＦとされる。そして、動作モードがウェイトモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．５ｋｇｆ（Ｆ１）以上またはトルクが１０ｋｇｃｍ以上の状態が、１００ｍｓ継続すると（Ｓ２：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。
【００４６】
そして、動作モードがフリーモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続すると（Ｓ４：Ｙ）、動作モードはロックモードに設定される（Ｓ５）。動作モードがロックモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ（Ｆ２）以下またはトルクが５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続すると（Ｓ６：Ｙ）、動作モードはウェイトモードに設定される（Ｓ１）。
【００４７】
このように、本実施形態では、医師が腕Ａに加える力の状態とその継続時間とに応じて動作モードをウェイトモード→フリーモード→ロックモード→ウェイトモードの順に切り替えることができる。このため、動作モードを切り替えるためにスイッチ等を操作する必要がなく、医師は手術を円滑に行うことができる。しかも、３つのモードが一方通行で順次切り替わるので、医師にとって、装置の動作モードがどのモードに設定されているのかが直感的に分かりやすく、誤操作を減らすことができる。また、本実施形態では、前述のように、腕Ａにそれ程力を加えなくてもその腕Ａに末端アーム５を追従移動させることができ、末端アーム５に対する腕Ａの着脱も容易であるので、極めて操作性に優れている。
【００４８】
［第４実施形態］
また、動作モードの切替形態は、更に次のように種々の形態が考えられる。図１１に示す第４実施形態の身体支持追従装置３０１は、モード判定コンピュータ７にフットスイッチ９０が接続された点において第１実施形態と構成が異なり、それに応じてモード判定コンピュータ７の処理も図１２に示すような処理となる。なお、本実施形態において、フットスイッチ９０は他のスイッチに代えてもよい。また、図１１，図１２において、第３実施形態と同様に構成された箇所には図８，９で使用した符号を付して構成の詳細な説明を省略する。
【００４９】
図１２に示すように、この処理では、Ｓ１にて第３実施形態と同様に動作モードがウェイトモードに設定された後、Ｓ１２にてフットスイッチ９０が操作されたか否かが判断される。フットスイッチ９０が操作されていない場合は（Ｓ１２：Ｎ）、処理はＳ１２にて待機することによってＳ１にて設定されたウェイトモードに動作モードが維持される。一方、フットスイッチ９０が操作された場合は（Ｓ１２：Ｙ）、処理はＳ３へ移行し、動作モードが第１実施形態と同様のフリーモードに設定される。
【００５０】
動作モードがフリーモードに設定された後、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続すると（Ｓ４：Ｙ）、Ｓ５にて動作モードがロックモードに設定される点は第３実施形態と同様である。但し、本実施形態では、前記状態が１００ｍｓ継続していない場合（Ｓ４：Ｎ）、Ｓ１７にてフットスイッチ９０が操作されたか否かが判断され、フットスイッチ９０が操作されていなければ（Ｓ１７：Ｎ）、処理はＳ４へ戻る。このＳ４，Ｓ１７からなるループ処理中は、フリーモードに動作モードが維持されるが、前記状態が１００ｍｓ継続する前に（Ｓ４：Ｎ）、フットスイッチ９０が操作されると（Ｓ１７：Ｙ）、処理は前述のＳ１へ移行して動作モードがウェイトモードに設定される。
【００５１】
一方、Ｓ５にて動作モードがロックモードに設定された場合、続くＳ１６では、前述のＳ６と同様に、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ以下、または、末端アーム５に加わるトルクが５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続したか否かが判断される。そして、前記状態が２００ｍｓ継続した場合は（Ｓ１６：Ｙ）、処理は前述のＳ３へ移行し、動作モードがフリーモードに設定される。
【００５２】
すなわち、前述のように、末端アーム５に加わる力が１．０ｋｇｆ以下となる状態は、医師が腕Ａを動かそうとして自身の筋肉で腕Ａを支えたことを示唆する状態であるので、本実施形態では、その状態の継続時に動作モードがフリーモードに設定される。一方、前記状態が２００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ１６：Ｎ）、Ｓ１８にてフットスイッチ９０が操作されたか否かが判断され、フットスイッチ９０が操作されていなければ（Ｓ１８：Ｎ）、処理はＳ１６へ戻る。このＳ１６，Ｓ１８からなるループ処理中は、ロックモードに動作モードが維持されるが、前記状態が２００ｍｓ継続する前に（Ｓ１６：Ｎ）、フットスイッチ９０が操作されると（Ｓ１８：Ｙ）、処理は前述のＳ１へ移行して動作モードがウェイトモードに設定される。
【００５３】
以上の処理をモード判定コンピュータ７が実行することにより、身体支持追従装置３０１の動作モードは次のように遷移する。すなわち、図１３に示すように、動作モードがウェイトモードに設定されているときに、フットスイッチ９０が操作されると（Ｓ１２：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。また、動作モードがフリーモード又はロックモードに設定されているときに、フットスイッチ９０が操作されると（Ｓ１７：Ｙ又はＳ１８：Ｙ）、動作モードはウェイトモードに設定される。
【００５４】
また、動作モードがフリーモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続すると（Ｓ４：Ｙ）、動作モードはロックモードに設定される（Ｓ５）。そして、動作モードがロックモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ以下またはトルクが５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続すると（Ｓ１６：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。
【００５５】
このように、本実施形態では、医師が腕Ａに加える力の状態とその継続時間とに応じて動作モードをフリーモードとロックモードとの間で自動的に切り替えることができ、医師は、手術を円滑に行うことができる。
【００５６】
しかも、フリーモードとロックモードとの間で動作モードを相互に切り替え可能な状態と、ウェイトモードとを、フットスイッチ９０の操作によって切り替えることができる。このため、器具を取るときなどのように腕Ａに末端アーム５を追従移動させたくないシーンや、特に重要な作業を行う場合で絶対に末端アーム５が移動して欲しくないシーンでは、フットスイッチ９０の操作によって確実にウェイトモードに切り替えることができる。しかも、次にフットスイッチ９０が操作されるまで、動作モードはウェイトモードに確実に維持されるので、医師に安心感を与えることができる。なお、本実施形態において、動作モードがウェイトモードに設定されているときにフットスイッチ９０が操作された場合、動作モードがロックモードに設定されてもよい。
【００５７】
［第５実施形態］
次に、本発明が適用された第５実施形態について、図１４，図１５を用いて説明する。なお、本実施形態は、第３施形態と同様に構成された身体支持追従装置１のモード判定コンピュータ７における処理を、図１４に示すように変更した点において異なる。また、図１４において、第３実施形態と同様に構成された箇所には図９で使用した符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５８】
本実施形態では、医師が腕Ａを自身の筋肉で支えたことを判断するための末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ３とし、医師が末端アーム５に腕Ａを載せていないことを判断するための末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ２とし、医師が末端アーム５を腕Ａに追従移動させようとしたことを判断するための末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ１とする。Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は、腕Ａの自重≧Ｆ１＞Ｆ３＞Ｆ２＞０の関係を満たすのが望ましく、例えば、Ｆ１＝１．５ｋｇｆ、Ｆ２＝０．５ｋｇｆ、Ｆ３＝１．０ｋｇｆとすることができる。
【００５９】
図１４に示すように、この処理は、Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５の順で実行されるときの処理は、第３実施形態と同様である。但し、動作モードがフリーモードに設定された後（Ｓ３）、末端アーム５の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態（以下、状態Ａという）が１００ｍｓ継続していない場合（Ｓ４：Ｎ）、末端アーム５に腕Ａが載せられているか否かが、Ｓ２７にて次のように判断される。
【００６０】
すなわち、Ｓ２７では、末端アーム５（先端）に加わる力が０．５ｋｇｆ（Ｆ２）以下、または、末端アーム５に加わるトルク（Ｔｙ）が前記Ｆ２に相当する１．５ｋｇｃｍ以下となった状態（以下、状態Ｂという）が、５０ｍｓ継続したか否かが判断される。前記状態Ｂが５０ｍｓ継続していない場合は（Ｓ２７：Ｎ）、処理はＳ４へ戻り、このＳ４，Ｓ２７からなるループ処理中は、フリーモードに動作モードが維持される。そして、前記状態Ａが１００ｍｓ継続する前に（Ｓ４：Ｎ）、前記状態Ｂが５０ｍｓ継続した場合は（Ｓ２７：Ｙ）、処理はＳ１へ移行し、動作モードがウェイトモードに設定される。
【００６１】
一方、Ｓ５にて動作モードがロックモードに設定された場合、続くＳ２６では、前述のＳ６と同様に、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ（Ｆ３）以下、または、末端アーム５に加わるトルク（Ｔｙ）が前記Ｆ３に相当する５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続したか否かが判断される。そして、前記状態が２００ｍｓ継続した場合は（Ｓ２６：Ｙ）、処理は前述のＳ３へ移行し、動作モードがフリーモードに設定される。本実施形態でも、第４実施形態と同様に、末端アーム５に加わる力が１．０ｋｇｆ以下となる状態は医師が腕Ａを動かそうとして自身の筋肉で腕Ａを支えたことを示唆する状態であるので、その状態の継続時に動作モードがフリーモードに設定される。一方、前記状態が２００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ２６：Ｎ）、処理はＳ２６にて待機し、Ｓ５にて設定されたロックモードに動作モードが維持される。
【００６２】
以上の処理をモード判定コンピュータ７が実行することにより、身体支持追従装置３０１の動作モードは次のように遷移する。すなわち、図１５に示すように、動作モードがウェイトモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．５ｋｇｆ（Ｆ１）以上またはトルクが５ｋｇｃｍ以上の状態が、１００ｍｓ継続すると（Ｓ２：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。動作モードがフリーモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続すると（Ｓ４：Ｙ）、動作モードはロックモードに設定される（Ｓ５）。
【００６３】
また、動作モードがロックモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ以下またはトルクが５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続すると（Ｓ２６：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。更に、動作モードがフリーモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が０．５ｋｇｆ（Ｆ２）以下またはトルクが１．５ｋｇｃｍ以下の状態が５０ｍｓ継続すると（Ｓ２７：Ｙ）、動作モードはウェイトモードに設定される（Ｓ１）。
【００６４】
このように、本実施形態では、医師が腕Ａに加える力の状態とその継続時間とに応じて動作モードをウェイトモード，フリーモード，ロックモードの間で自動的に順に切り替えることができ医師は、手術を円滑に行うことができる。しかも、前記力の状態等に応じた切り替えは、ロックモードからフリーモードへの切り替えが可能であるので、医師は末端アーム５をより直感的、無意識的に動かすことができる。また、前記力の状態等に応じた切り替えは、フリーモードからウェイトモードへの切り替えも可能であるので、医師はより無意識的に素早く器具などの交換を行うことができる。
【００６５】
［発明特定事項との対応及び本発明の更なる変形例］
なお、前記各実施形態において、腕Ａが身体部分に、末端アーム５が載置部に、多関節アーム３が支持部に、電磁石５２が固定部に、軟質プラスチック薄膜６１及び滅菌ドレープ６３が薄膜に、バネ４６，４７及びカウンタウェイト４８がバランス機構に、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａがブレーキに、エンコーダ３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ及び力センサ４５が検出部に、モード切替ボタン９１及びフットスイッチ９０がスイッチに、モード判定コンピュータ７が判断手段及び切替手段に、それぞれ相当する。また、モード判定コンピュータ７の処理のうち、Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５の処理が切替手段に、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ１６，Ｓ２６，Ｓ２７の処理が判断手段に、それぞれ相当する。
【００６６】
また、本発明は前記各実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、支持部は載置部を一方向へのみ移動可能に支持してもよい。また、載置面と被載置面とは必ずしも互いに平面である必要はなく、互いに湾曲していてもよい。更に、軟質の薄膜としては、プラスチック以外にも、布等、種々の薄膜を使用することができる。固定部の構成も、前述のように電磁石５２で磁性体５７を固定する以外にも、静電気の利用やエアによる吸引等、種々の形態のものを採用することができる。また、医師が腕Ａを動かそうとしているか否か等は、前記力又はトルク以外に、末端アーム５の位置、速度、若しくは加速度、又は、末端アーム５と腕Ａと接触状態を検出することによって判断されてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１，１０１，２０１，３０１…身体支持追従装置      ３…多関節アーム
５…末端アーム                                ７…モード判定コンピュータ
３１，３２，３３，３４，３５…関節            ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ…ブレーキ
３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ…エンコーダ            ４５…力センサ
４６…バネ                ４８…カウンタウェイト          ５１…アームフォルダ
５１Ａ…傾斜面            ５１Ｂ…被載置面                ５２…電磁石
５５…装具                ５６…バンド                    ５７…磁性体
５７Ａ…載置面            ６１…軟質プラスチック薄膜      ６３…滅菌ドレープ
９０…フットスイッチ      ９１…モード切替ボタン            Ａ…腕
【図１】
2014204793.tif 000003
【図２】
2014204793.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014204793.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014204793.tif 000009
【図８】
2014204793.tif 000010
【図９】
2014204793.tif 000011
【図１０】
2014204793.tif 000012
【図１１】
2014204793.tif 000013
【図１２】
2014204793.tif 000014
【図１３】
2014204793.tif 000015
【図１４】
2014204793.tif 000016
【図１５】
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