(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷側部材に固定された第一の動作伝達部と、
前記第一の動作伝達部の動作を補助する補助駆動力を発生させる駆動源と、
前記補助駆動力により動作される第二の動作伝達部と、
少なくとも一部が弾性変形可能であり、前記第一の動作伝達部と前記第二の動作伝達部とを前記補助駆動力を伝達可能に連結する連結部と、
前記第一の動作伝達部および前記第二の動作伝達部の少なくとも一方の動作量を検出する検出部と、
前記検出部の検出した前記動作量に基づいて、前記駆動源を制御する制御部と、
前記連結部の弾性変形量が所定量以上になることを規制する制限手段と、
前記第一の動作伝達部と前記第二の動作伝達部とのいずれか一方に対して接離可能となるように前記第一の動作伝達部と前記第二の動作伝達部との他方に設けられ、少なくとも一部が弾性変形可能であり、前記制限手段が前記連結部の弾性変形を規制するよりも先に前記連結部の弾性変形を制限する制限弾性体と、
を備え、
前記制限弾性体が前記第一の動作伝達部及び前記第二の動作伝達部に接して弾性変形される状態において前記制限弾性体及び前記連結部は共に弾性変形され、
前記連結部のみが弾性変形されるときに前記負荷側部材に伝わる反力と前記連結部及び前記制限弾性体が共に弾性変形されるときに前記負荷側部材に伝わる反力とが互いに異なる
ことを特徴とする医療用動作機構。
【請求項２】
前記制限手段は、前記第一の動作伝達部の動作量と前記第二の動作伝達部の動作量との差分を所定量未満に制限することを特徴とする請求項１に記載の医療用動作機構。
【請求項３】
前記制限手段は、前記第一の動作伝達部と前記第二の動作伝達部との連結部位に設けられた機械的なストッパーであることを特徴とする請求項２に記載の医療用動作機構。
【請求項４】
前記ストッパーは、前記第一の動作伝達部および前記第二の動作伝達部の少なくとも一方を制動する制動手段を有することを特徴とする請求項３に記載の医療用動作機構。
【請求項５】
前記動作検出部は、前記第一の動作伝達部の動作量を検出する第一検出部と、前記第二の動作伝達部の動作量を検出する第二検出部とを有し、
前記制限手段は、前記第一検出部および前記第二検出部の検出値に基づいて、前記差分を所定量未満に制限することを特徴とする請求項２に記載の医療用動作機構。
【請求項６】
前記第一検出部および前記第二検出部の検出値に基づいて、前記制限手段を動作させるか否かを判定する判定部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の医療用動作機構。
【請求項７】
前記制限手段は、前記判定部の判定に基づいて、前記駆動源から前記第二の動作伝達部への前記補助駆動力伝達のオンオフを切り替えることを特徴とする請求項６に記載の医療用動作機構。
【請求項８】
前記制限手段は、前記判定部の判定に基づいて、前記第一の動作伝達部および前記第二の動作伝達部の少なくとも一方を制動する制動手段を含むことを特徴とする請求項６に記載の医療用動作機構。
【請求項９】
前記制御部は、前記判定部の判定に基づいて前記駆動源の動作を制御し、前記制限手段として機能することを特徴とする請求項６に記載の医療用動作機構。
【請求項１０】
前記制限手段は、前記判定部の判定に基づいて、前記制御部から前記駆動源への動作信号送信のオンオフを切り替えることを特徴とする請求項６に記載の医療用動作機構。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の医療用動作機構を備え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、医療用動作機構、より詳しくは、負荷側の操作入力を駆動力により補助する補助駆動力付きの医療用動作機構、および当該医療用動作機構を備えるマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、手術ロボットの操作装置において、補助駆動力付きの操作アームが知られている。これは、操作者の操作をモータ等の駆動機構による駆動力で補助し、操作者の操作感を軽くさせる等により操作感を向上させるものである。
補助駆動力付き操作アームでは、駆動機構から操作アームにトルクを与えるが、駆動機構におけるギアの摩擦やバックラッシ（backlash）が操作者に伝達されると、却って操作感が損なわれるため、駆動機構から操作アーム等の負荷（load）側にかかるトルクを制御することが検討されている。
【０００３】
一例として、非特許文献１にトルクを制御する機構が記載されている。この機構では、出力軸にトルクセンサを設置し、モータ電流に当該トルクセンサの出力をフィードバックすることによりトルク制御を行っている。しかし、使用されている歪みゲージ型のトルクセンサは、出力軸の一部とする場合、安定性、耐雑音性等に問題がある。
非特許文献１には、上記問題を解決するものとして、位置情報の検出のみによりトルク制御を行う機構も記載されている。この機構では、トルクセンサの代わりに出力軸に弾性体が挿入され、当該弾性体のモータ側における出力軸回転角と、負荷側における出力軸回転角とを検出するエンコーダを備えている。そして、これらの回転角の値に基づいたフィードバックを行うことによりトルク制御が行われる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「減速機付ＤＣモータのトルク制御の研究」  谷江和雄ほか、日本機械学会論文集（Ｃ編）５４巻５０３号  ｐｐ．１５１５−９、昭和６３年７月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載の後者の機構では、弾性体の剛性が高いと、上述のギアの摩擦やバックラッシの伝達を充分防ぐことができないため、柔軟性の高い弾性体を用いるのが好ましい。しかしながら、弾性体が柔軟であることは、すなわち出力軸の剛性が低くなることを意味し、誤って負荷側に大きな負荷がかかった場合、弾性体が塑性変形を起こして破損する可能性があるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、柔軟な弾性体を用いてトルクまたは力を制御しつつ、負荷側に大きな負荷がかかったときでも弾性体が破損しにくい医療用動作機構を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、負荷側に大きな負荷がかかったときでも弾性体が破損しにくいマニピュレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の態様である医療用動作機構は、負荷側部材に固定された第一の動作伝達部と、前記第一の動作伝達部の動作を補助する補助駆動力を発生させる駆動源と、前記補助駆動力により動作される第二の動作伝達部と、少なくとも一部が弾性変形可能であり、前記第一の動作伝達部と前記第二の動作伝達部とを前記補助駆動力を伝達可能に連結する連結部と、前記第一の動作伝達部および前記第二の動作伝達部の少なくとも一方の動作量を検出する検出部と、前記検出部の検出した前記動作量に基づいて、前記駆動源を制御する制御部と、前記連結部の弾性変形量が所定量以上になることを規制する制限手段と、前記第一の動作伝達部と前記第二の動作伝達部とのいずれか一方に対して接離可能となるように前記第一の動作伝達部と前記第二の動作伝達部との他方に設けられ、少なくとも一部が弾性変形可能であり、前記制限手段が前記連結部の弾性変形を規制するよりも先に前記連結部の弾性変形を制限する制限弾性体と、を備え、前記制限弾性体が前記第一の動作伝達部及び前記第二の動作伝達部に接して弾性変形される状態において前記制限弾性体及び前記連結部は共に弾性変形され、前記連結部のみが弾性変形されるときに前記負荷側部材に伝わる反力と前記連結部及び前記制限弾性体が共に弾性変形されるときに前記負荷側部材に伝わる反力とが互いに異なることを特徴とする。
【０００８】
前記制限手段は、前記第一の動作伝達部の動作量と前記第二の動作伝達部の動作量との差分を所定量未満に制限するものでもよい。
【０００９】
前記制限手段は、前記第一の動作伝達部と前記第二の動作伝達部との連結部位に設けられた機械的なストッパーであってもよい。
また、前記ストッパーは、前記第一の動作伝達部および前記第二の動作伝達部の少なくとも一方を制動する制動手段を有してもよい。
【００１０】
前記動作検出部は、前記第一の動作伝達部の動作量を検出する第一検出部と、前記第二の動作伝達部の動作量を検出する第二検出部とを有し、前記制限手段は、前記第一検出部および前記第二検出部の検出値に基づいて、前記差分を所定量未満に制限するものでもよい。
【００１１】
本発明の医療用動作機構は、前記第一検出部および前記第二検出部の検出値に基づいて、前記制限手段を動作させるか否かを判定する判定部をさらに備えてもよい。
このとき、前記制限手段が前記判定部の判定に基づいて、前記駆動源から前記第二の動作伝達部への前記補助駆動力伝達のオンオフを切り替えてもよいし、前記制限手段が前記判定部の判定に基づいて、前記制御部から前記駆動源への動作信号送信のオンオフを切り替えてもよい。あるいは、前記制御部が前記判定部の判定に基づいて前記駆動源の動作を制御し、前記制限手段として機能してもよい。
【００１２】
前記制限手段は、前記判定部の判定に基づいて、前記第一の動作伝達部および前記第二の動作伝達部の少なくとも一方を制動する制動手段を含んでもよい。
【００１３】
本発明の第二の態様であるマニピュレータは、本発明の医療用動作機構を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のマスタスレーブマニピュレータによれば、柔軟な弾性体を用いてトルクまたは力を制御しつつ、負荷側に大きな負荷がかかったときでも弾性体が破損しにくい動作機構とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一実施形態の医療用動作機構を適用したマニピュレータを示す図である。
【図２】同マニピュレータの第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図３】（ａ）は、同第一関節部の第一軸と第二軸との連結部位の、第一軸の軸線と直交する方向における断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】同マニピュレータの変形例における第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図５】（ａ）は、同第一関節部の第一軸と第二軸との連結部位の、第一軸の軸線と直交する方向における断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図６】本発明の第二実施形態の医療用動作機構を適用したマニピュレータの第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図７】同第一関節部の第一軸と第二軸との連結部位の、第一軸の軸線と直交する方向における断面図である。
【図８】本発明の第三実施形態の医療用動作機構を適用したマニピュレータの第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図９】同マニピュレータの変形例における第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、本発明の第四実施形態の医療用動作機構を適用したマニピュレータにおける、第一関節部の第一軸と第二軸との連結部位の、第一軸の軸線と直交する方向における断面図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、同マニピュレータの変形例における、第一関節部の第一軸と第二軸との連結部位の、第一軸の軸線と直交する方向における断面図である。
【図１２】同マニピュレータの変形例における第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図１３】本発明の変形例のマニピュレータにおける第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図１４】本発明の変形例のマニピュレータにおける第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図１５】本発明の変形例のマニピュレータにおける第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図１６】同マニピュレータの平面図である。
【図１７】本発明の変形例のマニピュレータにおける、第一関節部の第一軸と第二軸との連結部位の、第一軸の軸線と直交する方向における断面図である
【図１８】本発明の変形例のマニピュレータにおける第一関節部の構造を示す概略斜視図である。
【図１９】（ａ）は、同第一関節部の第一軸と第二軸との連結部位の、第一軸の軸線方向における断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、本実施形態の動作機構を適用した医療用マスタスレーブマニピュレータ１の概略構成を示す図である。マスタスレーブマニピュレータ１は、術者Ｏｐが操作するマスターアーム２と、マスターアーム２と同調して動作するスレーブアーム３とを備えている。スレーブアーム３の先端には、術具４が取り付けられており、この術具を用いて患者Ｐに各種手技を行うものである。
【００１７】
マスターアーム２は、第一アーム２１、第二アーム２２、および第三アーム２３の３本のアームを有し、第一アーム２１と第二アーム２２、および第二アーム２２と第三アーム２３とは、それぞれ第一関節部４１および第二関節部４２により相対回転可能に接続されている。また、第三アーム２３は、マスターアーム２を支えるベース２４と、ベース関節部４３により相対回転可能に接続されている。マスターアーム２は全体として多軸回転動作可能に構成されている。
【００１８】
スレーブアーム３は、１号アーム３１、２号アーム３２、および３号アーム３３の３本のアームを有し、１号アーム３１と２号アーム３２、および２号アーム３２と３号アーム３３とは、それぞれ１号関節部５１および２号関節部５２により相対回転可能に接続されている。３号アーム３３は、駆動力伝達部材等を備えた筐体部３４と、ベース関節部５３により相対回転可能に接続されている。
術者Ｏｐがマスターアーム２を操作し、スレーブアーム３で医療行為を行う際は、スレーブアーム３のそれぞれの関節部５１、５２、５３は、マスターアーム２への操作入力に所定の処理が施された操作信号を受信して動作する。操作入力の処理方法の一例として、関節部に設置したギアでギア比分スケールを変更した角度を操作信号とし、マスターアームとスレーブアームの動きをスケール変更させる場合もある。
本実施例ではマスターアーム２とスレーブアーム３はアームの数がそれぞれ３本だが、実用上はそれぞれのアームの数は１本以上であれば良く、マスターアーム２とスレーブアーム３が有するアームの数は同一でなくてもよく、回転軸の方向が異なっていてもよい。
【００１９】
マスターアーム２の各関節部４１、４２、４３は、いずれも本発明の動作機構を備えているが、その構造は概ね同様であるため、以下では、第一関節部４１の構造について詳細に説明する。
【００２０】
図２は、第一関節部４１の構造を示す概略斜視図である。第一関節部（動作機構）４１は、負荷側部材である第一アーム２１に固定された第一軸部６０と、第一軸部６０に対して補助駆動力を作用させて負荷側の操作をアシストする第二軸部７０と、第二軸部７０のアシスト動作を制御する制御部８０とを備えている。
【００２１】
第一軸部６０は、一方の端部が第一アーム２１に固定された第一軸（第一の動作伝達部）６１と、第一軸６１の動作量を検出する第一検出部（検出部）６２とを備えている。
第二軸部７０は、一方の端部が第二アーム２２に回転可能に支持された第二軸（第二の動作伝達部）７１と、補助駆動力により第二軸７１を回転させる駆動源７３とを備えている。駆動源７３としては、例えば正転および逆転可能なモータ等を用いることができ、モータにはギア等が設置されているものも含まれる。
【００２２】
本実施形態では、第一軸６１および第二軸７１はいずれも軸線回りに回転されるので、第一検出部６２としては、公知のロータリーエンコーダ等を用いることができる。第一検出部６２は、第一軸６１の近傍に、第一軸６１とともに回転しないように取り付けられており、第二アーム２２に固定された支柱６３に支持されている。
【００２３】
第一軸６１と第二軸７１とは、補助駆動力が第二軸７１から第一軸６１に伝達できるよう、端部どうしが同軸（略同軸を含む。以下同様）に連結されている。
図３（ａ）は、第一軸６１と第二軸７１との連結部位の、第一軸６１の軸線と直交する方向における断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、第一軸６１の端部には、軸線方向に延びる凹部６４と、扇形のフランジ６５とが形成されており、第二軸７１の端部にも扇形のフランジ７５が形成されている。
【００２４】
第一軸６１と第二軸７１とは、第二軸７１の端部が第一軸６１の凹部６４内に進入することにより同軸に位置決めされている。各フランジ６５、７５は、第二軸７１の端部７１ａが凹部６４内に進入した状態において、第一軸６１の軸線方向に重なる、すなわち少なくとも一部が同じ高さに位置するように形成されている。また、各フランジ６５、７５の中心角は、それぞれ１８０度以下に設定されており、一方のフランジの周方向両側において、他方のフランジとの間に緩衝領域としての隙間Ｇが確保されている。
【００２５】
２箇所の隙間Ｇには、それぞれ弾性変形可能な弾性体（連結部）６６が配置されており、２つの弾性体６６によってフランジ６５と７５とが連結されている。これにより、第一軸６１と第二軸７１とが、補助駆動力を伝達可能に連結されている。弾性体６６としては、コイルバネやゴム等の公知のものを適宜選択して用いることができる。
【００２６】
さらにフランジ７５には、それぞれ各隙間Ｇ内に突出する２つの突起（制限手段）７６が設けられている。各突起７６の寸法は、弾性体６６に圧縮する力が作用していない状態においてフランジ６５に接触しない程度に設定されている。
【００２７】
制御部８０は、第一検出部６２からの情報に基づいて、第一軸６１の回転角（動作量）および回転方向（動作方向）を特定し、所定の計算に基づいて駆動源７３で発生させる補助駆動力の大きさおよび向きを算出し、駆動源７３に補助駆動力を発生させて、第二軸７１を第一軸６１と同じ方向に回転させるように駆動源７３を制御する。これにより、第一軸６１の回転動作が補助（アシスト）される。補助駆動力の大きさおよび向きを算出する方法の一例としては、第一検出部６２で検出した回転角、または回転角の微分値または時間的変化量となる回転速度、さらにそれらの微分値または時間的変化量から算出した回転加速度に補助したい量に応じた係数をかけ、そのいずれかまたは全ての和とする方法がある。
【００２８】
上記のように構成されたマスタスレーブマニピュレータ１の動作について説明する。
術者Ｏｐが第一アーム２１に対して操作入力を行うと、第一アーム２１に固定された第一軸６１が回転する。第一軸６１の回転角および回転方向は、第一検出部６２によって検出され、制御部８０に送信される。
【００２９】
制御部８０は、第一検出部６２からの入力に基づいて、駆動源７３で発生させる駆動力の大きさおよび向きを決定し、駆動源７３に対して動作信号を送信する。駆動源７３が駆動すると補助駆動力が発生し、第一検出部６２で検出された第一軸６１の回転方向と同じ向きに第二軸７１が回転駆動される。第二軸７１の駆動力は、フランジ６５、７５間を連結する弾性体６６を介して第一軸６１に伝達される。これにより、第一軸６１の回転動作がアシストされ、術者Ｏｐの操作感が軽くなる。また、弾性体６６は駆動源に内在する摩擦、ガタ、バックラッシ等が操作感に与える悪影響を緩和する。
【００３０】
第一軸６１の回転が停止されると、当該停止は制御部８０に伝達され、駆動源７３の動作も停止されるが、第一軸６１の回転停止と駆動源７３の動作停止との間には若干のタイムラグがあるため、このタイムラグの間は、第二軸７１のみが回転する場合がある。第二軸７１のみが回転することにより、２箇所の隙間Ｇの一方が小さくなり、フランジ６５と７５とが接触しようとする。このとき、隙間Ｇ内に配置された弾性体６６が圧縮されて弾性変形するため、フランジ６５と７５とが接触して強い衝撃が発生することは抑制されるが、弾性体６６は過度に圧縮されると、弾性変形域を超えることにより塑性変形等を起こして破損する恐れがある。
【００３１】
本実施形態の第一関節部４１では、フランジ７５に機械的ストッパーとしての突起７６が設けられているため、隙間Ｇが所定の大きさになると、突起７６がフランジ６５に当接して、フランジ７５とフランジ６５との距離がさらに接近して弾性体６６の弾性変形量が所定量以上になる、すなわち過度に変形することが規制される。これにより、弾性体６６が塑性変形することによる破損等が好適に抑制される。
【００３２】
以上説明したように、本発明の動作機構を適用した本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１によれば、突起７６が第一軸６１と第二軸７１とを連結する弾性体６６の過度な変形を規制するため、弾性体６６により操作感の低下を抑制しつつ、弾性体６６が破損しにくい構造とすることができる。
【００３３】
本実施形態では、２つの突起７６をフランジ７５に設けているが、フランジ６５に設けても良く、２つの突起７６のうち一方をフランジ７５に設け、他方をフランジ６５に設けるようにしても良い。
また、本実施形態では、第一軸および第二軸の連結部位が、いずれも略扇形のフランジを有する例を説明したが、連結部位の構造はこれには限定されない。例えば、図４および図５に示す変形例のように、一方の軸（ここでは第二軸７１Ａ）の端部には、周方向両側に隙間を開けて形成された２つの略扇形のフランジ７５Ａを設け、他方の軸（ここでは第一軸６１Ａ）の端部には、外周面から突出する一対の突起部６７を設け、突起部６７が隙間Ｇ内に進入するように配置されて両者が連結されてもよい。この変形例では、各突起部６７の軸線回り方向両側に弾性体６６が配置されており、計４つの弾性体６６によって第一軸６１Ａと第二軸７１Ａとが連結されている。すなわち、第一軸６１Aが弾性体６６で挟まれた構造になっている。このため、第一軸６１Aと第二軸７１Aの間に働く力による偏心が起きにくく、機械的に安定した構造であるという利点がある。
【００３４】
また、第一軸に動作量を検出する第一検出部を設けるのに代えて、第二軸に検出部を設けてもよい。この場合は、第一軸の回転操作により回転される第二軸の動作量に基づいて制御部が補助駆動力の大きさおよび向きを決定するように構成すればよい。
【００３５】
本発明の第二実施形態について、図６および図７を参照して説明する。本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１０１と上述のマスタスレーブマニピュレータ１との異なるところは、制限手段が制御部に設けられている点である。なお、以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３６】
図６は、マスタスレーブマニピュレータ１０１の第一関節部１０２の構造を示す概略斜視図であり、図７は、第一関節部１０２における第一軸６１と第二軸７１との連結部位の、第一軸６１の軸線と直交する方向における断面図である。なお、断面の高さは、図３（ａ）と同等である。
図６に示すように、第二軸７１には、第二軸の動作量を検出する第二検出部７２が取り付けられている。第二検出部７２としては、第一検出部６２と同様のものを用いることができる。
【００３７】
図７に示すように、第一軸６１および第二軸７１は、それぞれ第一実施形態と同様のフランジ６５、７５を備えているが、突起７６は設けられていない。その代わり、制御部１０３が、駆動源７３の動作を所定の態様で制御することにより、弾性体６６が過度に変形しないように、その変形を規制する。以下、詳述する。
【００３８】
まず、制御部１０３は、第一検出部６２からの入力に基づいて、駆動源７３で発生させる駆動力の大きさおよび向きを決定し、駆動源７３に対して動作信号を送信する。この点は、第一実施形態と概ね同様である。
【００３９】
第二軸７１が回転すると、第二軸７１の動作量が第二検出部７２により検出され、制御部１０３に送信される。第二検出部７２からの送信が始まった後は、制御部１０３は、第一検出部６２から送られた第一軸６１の回転角θ１と第二検出部７２から送られた第二軸７１の回転角θ２との差分Δθを算出し、Δθに基づいて駆動源７３の動作量ｉｍの向きおよび大きさを決定する。
【００４０】
制御部１０３は、駆動源７３に動作信号を送信する前に、並行してΔθの絶対値が所定の値θｄ未満であるか否かに基づいて、動作信号を送信するか否かを判定する。当該判定がＹｅｓの場合、制御部１０３は動作信号を駆動源７３に送信するが、当該判定がＮｏの場合、すなわち、−θｄ  ＜  Δθ  ＜  θｄの式が満たされなくなると、フランジ６５とフランジ７５が接近しすぎて弾性体６６が過度に変形される恐れがあるため、制御部１０３は動作量ｉｍをゼロに更新する。したがって、動作信号を受信した駆動源７３は停止され、駆動源７３による第二軸７１の回転駆動は行われなくなる。このため、第一検出部６２と第二検出部７２の検出分解能はθｄより小さく設定されており、通常のマスタスレーブマニピュレータを操作するには十分な分解能を有している。
【００４１】
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１０１においては、第一軸６１の動作量と第二軸７１の動作量との差であるΔθの値が所定範囲から逸脱すると、制御部１０３が駆動源７３の動作量をゼロに更新する。すなわち、制御部１０３が、制限手段を動作させるか否かを判定する判定部および制限手段として機能することで、第一軸６１の動作量と第二軸７１の動作量との差が所定値未満に制限されて、弾性体６６の過度な変形が防止される。
したがって、第一実施形態同様、弾性体により操作感の低下を抑制しつつ、弾性体が破損しにくい構造とすることができる。
また、突起７６等の機械的ストッパーを設ける必要がないため、第一軸６１と第二軸７１との連結部位の構造を簡素にすることができる。
【００４２】
本発明の第三実施形態について、図８および図９を参照して説明する。本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１１１と上述の各実施形態のマスタスレーブマニピュレータとの異なるところは、駆動源から第二軸への駆動力の伝達のオンオフを切り替える切替部を備えている点である。
【００４３】
図８は、マスタスレーブマニピュレータ１１１の第一関節部１１２の構造を示す概略斜視図である。第一軸６１と第二軸７１との連結部位の構造は、第二実施形態と同様である。制御部８０と駆動源７３との間には、切替部（制限手段）１１４が設けられている。切替部１１４は、第一軸６１の動作量と第二軸７１の動作量との差を判定する判定部１１５と、判定部１１５によってオンオフされるスイッチ１１６とを備えている。
【００４４】
判定部１１５は、演算回路あるいは演算プログラム等からなり、第一検出部６２および第二検出部７２と接続されている。判定部１１５は、第二実施形態の制御部１０３とほぼ同様の態様で、第一軸６１の動作量と第二軸７１の動作量との差Δθの絶対値が所定の値θｄ未満であるか否かを判定する。
スイッチ１１６は、公知の電気的スイッチであり、操作されることで制御部８０からの駆動源７３への動作信号送信のオンオフが切り替えられる。
【００４５】
上記のように構成されたマスタスレーブマニピュレータ１１１の動作について説明する。制御部８０は、第一実施形態同様、第一検出部６２からの入力に応じて、駆動源７３への動作信号を生成し、駆動源７３に向けて送信し続ける。
【００４６】
並行して、切替部１１４では、判定部１１５により、Δθの絶対値が所定の値θｄ未満であるか否かが所定の間隔で繰り返し判定される。当該判定がＹｅｓの場合、制限手段による制限は不要としてスイッチ１１６のオン状態が維持されるが、当該判定がＮｏの場合、制限手段による制限が必要として判定部１１５によりスイッチ１１６が操作されてオフ状態となり、制御部８０から駆動源７３への動作信号送信が遮断される。その結果、駆動源７３が停止する。
【００４７】
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１１１においては、第一軸６１の動作量と第二軸７１の動作量との差であるΔθの値が所定範囲から逸脱すると、切替部１１４により制御部８０から駆動源７３への動作信号の送信が遮断される。これにより、第一軸６１の動作量と第二軸７１の動作量との差分が所定量未満に制限されて、弾性体６６の過度な変形が防止される。
したがって、第一実施形態同様、弾性体により操作感の低下を抑制しつつ、弾性体が破損しにくい構造とすることができる。
【００４８】
本実施形態では、スイッチ１１６を用いて電気的に駆動源７３から第二軸７１への駆動力の伝達のオンオフを切り替える例を説明したが、切替部の切替態様はこれには限定されない。
図９は、本実施形態の変形例における第一関節部１１２Ａを示す図である。駆動源７３には、クラッチ１１７が取り付けられており、駆動源７３の駆動力は、クラッチ１１７を経由して第二軸７１に伝達される。切替部１１８は、制御部８０とは接続されていない。また、スイッチ１１６を備えておらず、クラッチ１１７に接続されている。
【００４９】
第一関節部１１２Ａにおいては、判定部１１５における上記判定がＮｏの場合、判定部１１５によりクラッチ１１７が操作されてオフ状態となり、駆動源７３から第二軸７１への駆動力伝達が機械的に遮断される。これは一例であるが、このように、駆動源から第二軸への駆動力の伝達のオンオフが機械的に切り替えられてもよい。
本実施形態においては、変形例を含めていずれの場合も、切替部が制御部とは別に設けられているため、制御部が誤動作を起こした等の場合でも、弾性体の変形による破損等を確実に防止することができる。
【００５０】
本発明の第四実施形態について、図１０および図１１を参照して説明する。本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１２１と上述の各実施形態のマスタスレーブマニピュレータとの異なるところは、第二軸の動作を制動する制動手段を備えている点である。
【００５１】
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、マスタスレーブマニピュレータ１２１の第一関節部１２２における、第一軸６１と第二軸７１との連結部位を示す断面図である。第二軸７１のフランジ７５には、フランジ６５との隙間Ｇ内に突出する制動突起（制動手段）１２３が設けられている。
【００５２】
制動突起１２３は、例えばソレノイド等を含んで構成されており、電気信号によって隙間Ｇ内に突出させたり、図１０（ｂ）に示すようにフランジ７５内に収容させたりして突没させることができる。制動突起１２３は、切替部１２４と接続されている。切替部１２４の構成は、切替部１１８と同様であり、判定部１１５のみ備えている。駆動源７３にはクラッチは取り付けられていない。
【００５３】
本実施形態のマスタスレーブマニピュレータ１２１では、判定部１１５における上記判定がＮｏの場合、判定部１１５により制動突起１２３が操作されて隙間Ｇ内に突出する。制動突起１２３は、突出動作により第一軸６１のフランジ６５を押し戻すように制動する。制動突起１２３が所定の長さまで突出した後は、フランジ６５と当接して、第一実施形態と同様に弾性体６６の過度な変形を抑制する。したがって、第一実施形態同様、弾性体により操作感の低下を抑制しつつ、弾性体が破損しにくい構造とすることができる。
【００５４】
また、制限手段である制動突起１２３が、初期において第一軸６１の回転駆動を制動するように働くため、フランジ６５と制動突起１２３とが強くつき当たる前に第一軸６１の回転速度を若干減ずることができる。そのため、強い衝撃が負荷側に伝達されることをより確実に抑制することができる。
【００５５】
本実施形態では、制動突起がフランジから突没する例を説明したが、これに代えて、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、制動突起１２３がフランジ７５に設けた制限手段としての突起７６から突没するように構成されてもよい。このようにすると、判定部の動作態様を適宜設定することにより、制動力が発生される制動域を変化させたり、リジッドな突起（すなわち、物理的ストッパーとして機能する）としての突起７６の突出長を変化させたりすることにより、第二軸７１の制動や弾性体の変形抑制の態様を様々に設定することができる。その結果、マニピュレータの使用環境や処置対象組織等に応じて弾性体を弾性係数の異なるものに変えたりしても、変更後の弾性体に応じた適切な制御を行うことが可能になる。
【００５６】
また、制動突起は、第一軸側に設けられてもよい。この場合、駆動源で駆動される第二軸を制動することにより、強い衝撃が負荷側に伝達されることをより効果的に抑制することができる。
さらには、２つの制動突起のうち一方を第二軸に設け、他方を第一軸に設けるようにしても良い。
【００５７】
また、図１２に示す変形例のように、第一軸６１および第二軸７１に制動手段としてのブレーキ１２５が取り付けられてもよい。ブレーキ１２５としては、機械的摩擦式、流体抵抗式等の公知の各種機構を有するものを適宜選択して採用することができる。
【００５８】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したり、各実施形態の構成を組み合わせたりすることが可能である。
【００５９】
例えば、図１３に示す変形例のように、第一軸６１Ｂと第二軸７１Ｂとが同軸に連結されなくてもよい。この変形例では、第一軸６１Ｂおよび第二軸７１Ｂの端部がそれぞれ円盤状に形成されてプーリ６１ｂおよび７１ｂとして機能し、弾性変形領域１２７Ａを有するワイヤやベルト等の伝達部材（連結部）１２７がプーリ６１ｂおよび７１ｂに掛け回されることにより、第一軸６１Ｂと第二軸７１Ｂとが補助駆動力を伝達可能に連結されている。
【００６０】
弾性変形領域１２７Ａの両側の伝達部材１２７には、制限ワイヤ１２８の各端部１２８Ａ、１２８Ｂが取り付けられている。制限ワイヤ１２８は所定値以上の剛性を有し、弾性変形領域１２７Ａが変形していない状態における、端部１２８Ａおよび１２８Ｂが接続された伝達部材１２７上の接続点間の距離よりも長い。このため、制限ワイヤ１２８は、弾性変形領域１２７Ａが変形していない状態ではたるんでいる。したがって制限ワイヤ１２８は、直線状となるまでは弾性変形領域１２７Ａが伸びることを許容するが、直線状になったあとは、弾性変形領域１２７Ａの変形を規制して塑性変形や破損の発生等を抑制する。また、弾性変形領域１２７Ａが所定の長さまで圧縮されると、自身の剛性により弾性変形領域１２７Ａがそれ以上変形することを抑制する。これにより弾性体として機能する弾性変形領域１２７Ａの過度な変形が抑制される。
【００６１】
ここでは、制限手段として、機械的ストッパーとして機能する制限ワイヤ１２８を備える例を説明したが、上述の第二実施形態のように、電気的な制限手段と組み合わされてももちろん構わない。
【００６２】
また、伝達部材を掛けまわして回転を伝達する機構は、第一軸と第二軸との連結部位のほか、図１４に示す変形例のように負荷側の第一軸部７０Ａに設けられてもよい。ここで、伝達部材１２９が掛け回されている部位は、第一軸と負荷（第一アーム２１）との連結部位と見ることもできるし、第一軸が２つに分割されており、分割された軸の連結部位であると見ることもできる。
さらに、このような伝達機構が反対側の第二軸部に設けられてもよいのはもちろんである。
【００６３】
また、上述の各実施形態では、第一軸および第二軸が軸線回りに回転動作する例を説明したが、第一軸および第二軸の動作態様はこれには限定されない。
図１５に示す変形例は、本発明の変形例のマスタスレーブマニピュレータにおける関節部（動作機構）１３０を示している。この関節部１３０では、第一アーム１３１を長手方向に移動させることにより、第一軸１３２および第二軸１３３が長手方向に直動する。第二軸１３３は、例えばリニアアクチュエータ等からなる駆動源１３４により駆動され、駆動力が弾性体１４０を介して第一軸１３２に伝達されることにより第一アーム１３１の操作がアシストされる。
【００６４】
図１６は、関節部１３０を第一アーム１３１側から見た平面図である。図１５および図１６に示すように、第一軸１３２に設けられたスライド１３２Ａおよび第二軸１３３に設けられたスライド１３３Ａは、それぞれ支柱１３５に固定されたレール１３５Ａおよび１３５Ｂ（不図示）に係合しているため、第一軸１３２および第二軸１３３は、レール１３５Ａおよび１３５Ｂをガイドとして、支柱１３５と平行（略平行を含む。）に直動する。
第一検出部１３６および第二検出部１３７は、それぞれ受発光を利用した反射型リニアエンコーダであるが、これは一例であり、第一軸１３２および第二軸１３３の直動動作の量および向きを検出可能なものであれば、特に制限はない。
【００６５】
制限手段１３８は、第一軸１３２の外面に取り付けられて第二軸１３３側に延びている。制限手段１３８の第二軸１３３側の端部には、間隔をあけて一対の突起１３８Ａおよび１３８Ｂが設けられている。突起１３８Ａ、１３８Ｂは、第二軸１３３の外面から突出する制限突起１３９を第一軸１３２の直動方向において挟むように位置しており、第一軸１３２と第二軸１３３との距離が所定範囲から外れると、突起１３８Ａ、１３８Ｂのいずれかと制限突起１３９とが干渉する。これにより、第一軸１３２と第二軸１３３との距離が一定範囲内に保持されて、弾性体１４０の過度な変形が抑制される。
【００６６】
このように、本発明にかかる動作機構は、第一軸および第二軸が直動される場合にも適用可能である。もちろん、この変形例においても、制限手段１３８のような機械的制限手段に代えて電気的な制限手段が用いられてよい。
【００６７】
さらに、図１７に示す変形例のように、第一軸６１と第二軸７１とを連結する弾性体６６とは別に、突起７６よりも先にフランジ６５と接触する制限弾性体１４５を配置してもよい。このようにすると、まず弾性体６６が圧縮され、その後弾性体６６および制限弾性体１４５が圧縮される。このため、弾性体６６および制限弾性体１４５が圧縮されるときは、弾性体６６のみが圧縮されているときとは弾性係数が異なるため、第一軸６１から負荷に伝わる反力も変化して操作感が変化する。その結果、術者は、負荷に加えている操作入力の大きさ等が適切でない範囲に入りつつあることを認知することができ、操作入力を小さくする等の適切な修正を術者に促すことで操作性をさらに向上させることができる。
なお、図１７に示す変形例では、制限弾性体１４５をフランジ７５の図中右側のみに設けているが、図中左側にも設けてもよく、さらにはフランジ６５側に設けてもよい。
【００６８】
さらに、図１８および図１９に示すように、軸線方向両端部に略扇形のフランジ１５５を有する中間軸１５０を介して第一軸６１と第二軸７１とを連結してもよい。この場合は、図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示すように、第一軸６１と中間軸１５０とが弾性体６６で連結され、さらに中間軸１５０と第二軸７１とが弾性体６６で連結される。このような構造では、第一軸側と第二軸側で弾性係数の異なる弾性体を用いることができるため、それぞれの軸の材質等を考慮して最も適切な弾性体を選択することも可能である。このとき、突起７６等の制限手段を複数箇所に設けてもよく、機械的制限手段の場合、第一軸６１、第二軸７１、および中間軸１５０のいずれに設けても構わない。
なお、この変形例では、上述のように、中間軸を介して第一軸と第二軸とが連結されていると見ることもできるし、第一軸と第二軸とが中間軸を介さずに弾性体で連結されており、第一軸および第二軸の一方が内部に弾性連結部を有していると見ることもできる。
【００６９】
加えて、本発明のマスタスレーブマニピュレータでは、スレーブアーム側にこのような動作機構を有する関節部が設けられてもよい。スレーブアームの場合、通常、負荷側の操作入力も駆動源によって行われるため、術者が一時的にスレーブアームを直接操作する場合等を除いて操作感の向上という効果は得られにくいが、アシスト駆動源の過度なバックラッシ等は、関節部自体の破損の一因となるため、関節部の破損しにくいスレーブアームを構成することができるというメリットがある。
また、本発明の動作機構を有する関節部は、マスタスレーブマニピュレータのほかにも、処置具や内視鏡、その他の医療機器等を保持するアームまたは動作機構付きの装置等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１、１０１、１１１、１２１  マスタスレーブマニピュレータ
２１、１３１  マスターアーム（負荷側部材）
４１、１０２、１１２、１１２Ａ、１２２  第一関節部（動作機構）
６１、６１Ａ、６１Ｂ、１３２  第一軸（第一の動作伝達部）
６２、１３６  第一検出部（検出部）
６６、１４０  弾性体（連結部）
７１、７１Ａ、７１Ｂ、１３３  第二軸（第二の動作伝達部）
７２、１３７  第二検出部
７３、１３４  駆動源
７６  突起（制限手段）
８０  制御部
１０３  制御部（判定部、制限手段）
１１４  切替部（制限手段）
１１５  判定部
１２３  制動突起（制動手段）
１２５  ブレーキ（制動手段）
１２７  伝達部材（連結部）
１２８  制限ワイヤ（制限手段）
１３０  関節部（動作機構）
１３８  制限手段
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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