(57)【要約】【課題】マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムにおいて、操作入力装置にモータを用いることなく障害物や動作範囲の制限を力覚的に提示することが可能で、信頼性に優れ小型で操作性の良いものとすること。【解決手段】マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムは、アームを有するマニピュレータ１１０、１３０と、マニピュレータ１３０のアームを動かす操作入力装置１９０と、マニピュレータ１１０、１３０及び操作入力装置１９０を制御するコントローラ１４５、１５０とを備える。操作入力装置１９０はその関節に動力伝達の切断と動力伝達を接続してその動力伝達接続方向を選択可能な動作方向制限切替機構を備える。【選択図】図１
2006321027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アームを有するマニピュレータと、
前記マニピュレータのアームを動かす操作入力装置と、
前記マニピュレータ及び前記操作入力装置を制御するコントローラとを備えたマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムにおいて、
前記操作入力装置はその関節に動力伝達の切断と動力伝達を接続してその動力伝達接続方向を選択可能な動作方向制限切替機構を備えた
ことを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記マニピュレータのアームの動作範囲内の幾何学的な情報や障害物情報を取得可能なセンサあるいは診断装置を有し、前記センサあるいは前記診断装置で検出した前記マニピュレータのアームの動作範囲内の幾何学的な情報や障害物情報に基づいて、前記マニピュレータのアームが動作してもよい領域を設定する手段を備え、前記コントローラは、前記操作入力装置によって前記マニピュレータのアームが動作してはいけない領域に前記マニピュレータのアームを操作しようとした時、前記操作入力装置の各関節に配置した動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択できる機構により、前記マニピュレータのアームが動いてはいけない領域に前記操作入力装置を操作することを制限することを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記操作入力装置の各関節に配置した動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択できる機構が二方向クラッチと３点ポジショナソレノイド及びラックアンドピニオンを用いた直動関節機構であることを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項４】
請求項１または２において、前記操作入力装置の各関節に配置した動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択できる機構が二方向クラッチと３点ポジショナソレノイド及び関節を構成する２つのリンクを用いた回転関節機構であることを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項５】
請求項１、２、４の何れかにおいて、前記操作入力装置は、前記動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択できると共に把持開閉の大きさを任意制限可能な把持開閉機構を備えたことを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項６】
請求項２において、前記マニピュレータのアームの動作範囲内の幾何学的な情報を取得する診断装置としてＭＲＩ装置を用いたことを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項７】
請求項２において、前記マニピュレータのアームの動作範囲内の幾何学的な情報を取得する診断装置としてＣＴ装置であることを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項８】
請求項１において、前記コントローラは前記動作方向制限切替機構の選択を制御して前記マニピュレータのアームの動作範囲を制限するように構成されていることを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項９】
請求項８において、前記コントローラは、前記動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択して接続を細かく切替えることにより、前記マニピュレータのアームが対象物に接触した際の力覚を提示するように構成されていることを特徴とするマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム。
【請求項１０】
マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのアームを動かす操作入力装置において、
その関節に動力伝達の切断と動力伝達を接続してその動力伝達接続方向を選択可能な動作方向制限切替機構を備えた
ことを特徴とする操作入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マスタ・スレーブ式マニピュレータシステム及びその操作入力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
操作入力装置を操作者が操作し、その操作に従ってマニピュレータが動作するマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムが数多く開発されている。
【０００３】
しかし、通常のマスタ・スレーブ式マニピュレータでは、マニピュレータアームの動作範囲内で避けて通らねばならない障害物や侵入してはいけない危険領域などがあったとしても、操作入力装置をその障害物や危険領域に対応する位置に動かすと、マニピュレータアームは障害物に当たってしまったり危険領域に侵入してしまったりするものであった。
【０００４】
このような問題を解決するために、特開平７−１２４８７６号公報（特許文献１）では、マニピュレータアームにとって障害物となる位置と対応する操作入力装置の動作範囲に位置規制部材を配置し、マニピュレータアームを動かしてはいけない領域へは操作入力装置を動かすことができないようにしている。
【０００５】
また、特開２００４−２２３２８号公報（特許文献２）では、あらかじめ診断装置によってマニピュレータアームの動作範囲情報を取得し、治療のためにマニピュレータアームが動いてもよい領域を定め、操作者がマニピュレータアームを設定領域外に動作させようとしたとき、操作入力装置の可動範囲を操作入力装置に配置したモータにより制限し、マニピュレータアームの設定領域外への動作を制限するようにしている。
【０００６】
また、特開平１１−３３３７６４号公報（特許文献３）では、アームが対象物に接触した際に、動力伝達可変装置を用いて操作入力装置に力覚を提示し抵抗を感じさせるようにしている。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１２４８７６号公報
【特許文献２】特開２００４−２２３１２８号公報
【特許文献３】特開平１１−３３３７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のマスタ・スレーブ式マニピュレータでは、マニピュレータアームが動いてはいけない領域に操作入力装置を動かせなくするために、操作入力装置にアクチュエータを設置し、操作者に力を返すことによって動作の制限を実現していた。しかし、操作入力装置にアクチュエータを設置すると、操作入力装置が大型化する上、故障などによって操作者に過大な力が生じる場合がある。
【０００９】
また、操作入力装置において、アクチュエータを用いて動作範囲や壁を力覚的に表現すると、壁を感じる部分と自由に動作できる部分での領域において、制御が複雑で振動的な振る舞いが生じやすいという問題もある。
【００１０】
また、ノイズなどが問題となる環境では、アクチュエータとして通常のモータを用いることが困難な場合もある。例えば、診断装置としてＭＲＩ装置を用いるような手術支援マニピュレータシステムにおいては、モータを用いた操作入力装置はＭＲＩ装置とノイズ干渉が生じるために利用することが困難である。
【００１１】
なお、特許文献１は、操作入力装置に位置規制部材と接触子を物理的に配置して操作入力装置の動作範囲を制限するため、モータを用いる必要はないが、時々刻々障害物の位置や動作可能範囲が変化する場合には対応が難しい。
【００１２】
特許文献２は、マニピュレータアームが動作を可能とする範囲の設定方法についてなされたものであり、操作入力装置の可動範囲を制限するための方法としてはモータを用いることしか考慮されていない。
【００１３】
特許文献３は、対象物にスレーブアームが接触した際の操作入力装置での力覚提示についてなされたものであり、障害物や危険領域の回避を目的としたものでない。また、対象物と接触していない動作は動力伝達可変装置を用いてモータの影響を受けない機構となっているが、マニピュレータが対象物に接触した際にはモータによる動力を用いて力覚を提示するものである。
【００１４】
本発明の目的は、操作入力装置にモータを用いることなく障害物や動作範囲の制限を力覚的に提示することが可能で、信頼性に優れ小型で操作性の良いマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム及びその操作入力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、アームを有するマニピュレータと、前記マニピュレータのアームを動かす操作入力装置と、前記マニピュレータ及び前記操作入力装置を制御するコントローラとを備えたマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムにおいて、前記操作入力装置はその関節に動力伝達の切断と動力伝達を接続してその動力伝達接続方向を選択可能な動作方向制限切替機構を備えたものである。
【００１６】
係る本発明の第１の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記マニピュレータのアームの動作範囲内の幾何学的な情報や障害物情報を取得可能なセンサあるいは診断装置を有し、前記センサあるいは前記診断装置で検出した前記マニピュレータのアームの動作範囲内の幾何学的な情報や障害物情報に基づいて、前記マニピュレータのアームが動作してもよい領域を設定する手段を備え、前記コントローラは、前記操作入力装置によって前記マニピュレータのアームが動作してはいけない領域に前記マニピュレータのアームを操作しようとした時、前記操作入力装置の各関節に配置した動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択できる機構により、前記マニピュレータのアームが動いてはいけない領域に前記操作入力装置を操作することを制限すること。
（２）前記操作入力装置の各関節に配置した動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択できる機構が二方向クラッチと３点ポジショナソレノイド及びラックアンドピニオンを用いた直動関節機構であること。
（３）前記操作入力装置の各関節に配置した動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択できる機構が二方向クラッチと３点ポジショナソレノイド及び関節を構成する２つのリンクを用いた回転関節機構であること。
（４）前記操作入力装置は、前記動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択できると共に把持開閉の大きさを任意制限可能な把持開閉機構を備えたこと。
（５）前記マニピュレータのアームの動作範囲内の幾何学的な情報を取得する診断装置としてＭＲＩ装置を用いたこと。
（６）前記マニピュレータのアームの動作範囲内の幾何学的な情報を取得する診断装置としてＣＴ装置であること。
（７）前記コントローラは前記動作方向制限切替機構の選択を制御して前記マニピュレータのアームの動作範囲を制限するように構成されていること。
（８）前記コントローラは、前記動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択して接続を細かく切替えることにより、前記マニピュレータのアームが対象物に接触した際の力覚を提示するように構成されていること。
【００１７】
また、本発明の第２の態様は、マスタ・スレーブ式マニピュレータシステムにおけるマニピュレータのアームを動かす操作入力装置において、その関節に動力伝達の切断と動力伝達を接続してその動力伝達接続方向を選択可能な動作方向制限切替機構を備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、操作入力装置にモータを用いることなく障害物や動作範囲の制限を力覚的に提示することが可能で、信頼性に優れ小型で操作性の良いマスタ・スレーブ式マニピュレータシステム及びその操作入力装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態について図１から図７を用いて説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムの全体構成を示す概念図である。本実施形態のマニピュレータシステムは手術支援システムとして用いられた例である。
【００２１】
操作者である術者１７０は、第１のマニピュレータ１１０が保持する内視鏡１２５によって映し出される術具１３５を参照しながら、操作入力装置１９０の入力インターフェース１６５を使って、第２のマニピュレータ１３０の先端に位置する術具１３５を操作することができる。参照モニタ１００に映し出される画像は、第１のマニピュレータ１１０が保持する内視鏡１２５によって患者１４０の患部を撮像したものであり、通常、患部と共に術具１３５も内視鏡１２５の視野に入っている。なお、第１のマニピュレータ１１０も第２のマニピュレータ１３０と同様に操作入力装置１９０の入力インターフェース１６５を使って動かすことができる。
【００２２】
患者１４０の患部の情報は手術前あるいは手術中に診断装置１２０により取得され、その情報は位置情報統合コントローラ１１５に集められる。位置情報統合コントローラ１１５に取得された患部情報に対し、入力インターフェース１１６あるいは操作入力装置１９０の入力インターフェース１６５により、マニピュレータ１１０、１３０が動作してもよい安全領域や、マニピュレータ１１０、１３０が動いてはいけない危険領域などを入力する。安全領域（動作可能領域）や危険領域などの情報は、コンバータ１０５を通して内視鏡１２５の画像上に重ね合わせて参照モニタ１００に提示可能である。
【００２３】
マニピュレータ１１０、１３０の情報はスレーブコントローラ１４５に集められ、マニピュレータ１１０、１３０の位置姿勢などの情報は位置情報統合コントローラ１１５に送られる。位置情報統合コントローラ１１５は、設定した安全領域や危険領域などの情報とマニピュレータ１１０、１３０の現在位置の情報との比較を行い、マニピュレータ１１０、１３０が安全領域から外れそうになるあるいは危険領域に入り込もうとすると、マニピュレータ１１０、１３０が動いてはいけない方向を算出し、その情報をスレーブコントローラ１４５に送信する。スレーブコントローラ１４５はその情報をマスタコントローラ１５０に送信する。
【００２４】
マスタコントローラ１５０は、マニピュレータ１１０、１３０が動いてはいけない方向に対応する操作入力装置１９０の一つ以上の関節１７５において、ソレノイド１８５を駆動することにより、二方向クラッチ１８０の動力伝達を接続し、操作入力装置１９０の入力インターフェース１６５を、マニピュレータ１１０、１３０が動いてはいけない方向には動かせないように拘束する。
【００２５】
通常の操作入力時は、各関節１７５に取り付けられている二方向クラッチ１８０はソレノイド１８５によって動力伝達が切断された状態になっており、術者１７０は入力インターフェース１６５を自由に動かすことができる。各関節１７５にはエンコーダやポテンショメータなどのセンサ１５５が設置されており、センサ１５５によって取得された関節移動量情報はマスタコントローラ１５０に送られる。マスタコントローラ１５０は、これら関節移動量情報を基に、操作者１７０がマニピュレータ１１０、１３０を動かしたい方向・姿勢量を計算し、スレーブコントローラ１４５に情報を送信する。スレーブコントローラ１４５は、マニピュレータ１１０、１３０の逆運動学を計算し、マニピュレータ１１０、１３０の各関節を駆動し、操作者１７０が意図した動きをマニピュレータ１１０、１３０に実現させる。これによって、内視鏡１２５及び術具１３５が操作者１７０の意図したように動作される。
【００２６】
なお、診断装置１２０は、ＭＲＩ装置、ＣＴ装置、超音波プローブ、レーザレンジファインダあるいは内視鏡などであり、患部およびその周辺の情報を画像あるいはＣＧなどで表示できるものである。入力インターフェース１１６は、マウスやジョイスティックやキーボードなどで構成される位置姿勢入力装置である。
【００２７】
また、診断装置１２０の診断画像座標系とマニピュレータ１１０、１３０の座標系との統合は、診断装置１２０とマニピュレータ１１０、１３０のベースを物理的に拘束したり、図示していない光学式三次元位置計測装置により診断装置１２０およびマニピュレータ１１０、１３０を計測し、変換座標を取得して座標系の統合をしたりすることにより可能である。
【００２８】
図２は操作者である術者１７０が操作入力装置１９０によりマニピュレータ１１０、１３０の操作を行っている様子を示す図である。
【００２９】
術者１７０は、椅子２３０に座り、肘置き２３５に肘あるいは前腕を置き、入力インターフェース１６５である把持部２００を握り、参照モニタ１００を見ながら把持部２００を操作することにより、参照モニタ１００上に表示されているマニピュレータあるいは参照モニタ１００に画像を送っている内視鏡１２５の視野を動かすことができる。
【００３０】
把持部２００は複数のリンク２０５、２１０、２２５、２２０、２１５などを経由して操作卓２４０に繋がっている。それぞれのリンク同士は、回転関節あるいは直動関節として繋がっている。それぞれの関節に後述する本実施形態の構成を適用することにより、把持部２００を自由に動かせたり、ある方向への動きを制限したりすることができる。関節機構の詳細については図５にて説明する。図２では、把持部２００は術者１７０の右腕用しか図示されていないが、同様の入力インターフェース１６５である把持部２００が左腕用にあってもよい。
【００３１】
なお、肘置き２３５は、操作卓２４０中央の柱から延びている部材に設置されているが、操作入力装置１９０の動作範囲とは物理的に干渉しない配置となっている。操作卓２４０の中央柱と肘置き２３５を繋いでいる部材には、図示していないが操作入力装置１９０へのコマンド入力用スイッチや情報提示用ランプなどが設置されている。
【００３２】
図３は、図１に示した操作入力装置１９０の各関節１７５の直動関節に設置する二方向クラッチ１８０を用いた動力伝達の切断、接続の様子を示す図である。図３において、二方向クラッチ１８０の動力伝達が遮断されているときの状態が実線で示してあり、二方向クラッチ１８０のどちらか一方向への動力伝達を接続し、反対方向の回転は動力伝達が切断されていて自由に回転する時の状態を点線で示している。なお、実線の各構成要素に添え字ａをつけて示し、点線の各構成要素に添え字ｂまたはｃをつけて示すと共に、各構成要素を総称する場合には添え字ａ〜ｃを省略して説明する。
【００３３】
二方向クラッチ１８０の特徴を簡単に説明する。二方向クラッチ１８０は、レバー３１５、ハウジング３２０、軸受け３２５を備えている。レバー３１５がハウジング３２０に対して実線３１５ａの状態にあるときは、軸受け３２５の内径側に配置される軸３３０は自由に回転できるように構成されている。レバー３１５が図示右側に回転されてレバー３１５がハウジング３２０に対して右側点線３１５ａの状態になると、軸受け３２５の内径側に配置される軸３３０は、矢印３４５方向には回転することができず、矢印３５０側には自由に回転することができる状態となる。レバー３１５が図示左側に回転されてレバー３１５がハウジング３２０に対して左側点線３１５ｂの状態になると、軸受け３２５の内径側に配置される軸３３０は、矢印３５０方向には回転することができず、矢印３４５側には自由に回転することができる状態となる。
【００３４】
ロッド３００と一体になっているリンク３０５は、長穴３０６を有しており、軸３１０を介してレバー３１５と接続されている。軸３１０はレバー３１５と一体に設けられている。ハウジング３２０に対してレバー３１０が実線のレバー３１０ａの状態にあるときは、軸受け３２５の内径側に配置される軸３３０は自由に回転することができるように構成されている。軸３３０は、軸を同じくしたピニオンギア３３５と一致して動作する。また、ピニオンギア３３５はラック３４０と噛み合っている。ラック３４０は固定されており、ピニオンギア３３５はこの固定されたラック３４０と噛み合わされて拘束されているため、ハウジング３２０に矢印３５５あるいは３６０の方向に力がかかると、レバー３１５が実線のレバー３１５ａの状態ならば、ハウジング３２０は矢印３５５あるいは３６０の方向に自由に動くことができる。
【００３５】
実線のロッド３００ａにソレノイド１８５などにより左方から力を加えて点線のロッド３００ｂの状態にすると、ロッド３００ｂと一体のリンク３０５は点線のリンク３０５ｂの状態となる。この際に、軸３１０はリンク３０５の長穴３０６内を動きながら点線の軸３１０ｂの状態になり、軸３１０と一体のレバー３１５は点線のレバー３１５ｂの状態に変化する。この時、二方向クラッチ１８０の働きにより、軸３３０および一体化して動くピニオンギア３３５は矢印３４５の方向には回転できなくなり、矢印３５０方向への回転しか動けなくなる。このため、ハウジング３２０に矢印３６０方向の力がかかっても矢印３６０方向にはハウジング３２０は動けない。一方、矢印３５５方向には自由に動くことができる。
【００３６】
逆に、ロッド３００ａをソレノイド１８５（図１及び図４参照）などにより右方から力を加えて点線のロッド３００ｃの状態にすると、ロッド３００ｃと一体のリンク３０５は点線のリンク３０５ｃの状態となる。軸３１０はリンク３０５の長穴３０６内を動きながら点線の軸３１０ｃの状態になり、軸３１０と一体のレバー３１５は点線のレバー３１５ｃの状態に変化する。この時、二方向クラッチの働きにより、軸３３０および一体化して動くピニオンギア３３５は矢印３５０の方向には回転できなくなり、矢印３４５方向への回転しか動けなくなる。このため、ハウジング３２０に矢印３５５方向の力がかかっても矢印３５５方向にはハウジング３２０は動けない。一方、矢印３６０方向には自由に動くことができる。
【００３７】
図４は図３の二方向クラッチ１８０を用いた直動関節機構の一軸分の斜視図である。この直動関節機構は、ベース４２０に対してロッド４１０が矢印４０６、４０７方向に動く直動関節機構であり、次の関節のベース４１５以降に同様の関節機構が幾つか連結され、把持部２００（図２参照）に繋がれている。
【００３８】
ベース４２０にはリニアガイドレール４２５およびラック３４０が固定されている。リニアガイドレール４２５上を動くガイド４３０にはガイドベース４４０が取り付けられている。ガイドベース４４０の上には、ロッド固定具４３５によりロッド４１０が固定され、クラッチ固定具４０５によりハウジング３２０が固定されている。ハウジング３２０には、二方向クラッチおよび二方向クラッチのレバーを動かす３点ポジショナソレノイド４００（図１のソレノイド１８５に該当）が固定されている。３点ポジショナソレノイド４００は、ロッド３００を図３で述べたような３状態（ロッド３００ａ、３００ｂ、３００ｃ）に移動および保持することができるように構成されている。
【００３９】
把持部２００（図２参照）によって術者１７０からの入力の力が次の関節のベース４１５に伝えられると、この関節には矢印４０６あるいは４０７方向に沿った力がかかる。３点ポジショナソレノイド４００がロッド３００を実線のロッド３００ａの状態で保持していれば、二方向クラッチの動力伝達は切断され、軸３３０およびピニオンギア３３５は自由に回転することができる。このようにピニオンギア３３５はラック３４０上を自由に回転しながら動くことができるため、次の関節のベース４１５にかかる力に対応してガイド４３０は、リニアガイドレール４２５上を矢印４０６あるいは４０７方向に自由に動くことができる。
【００４０】
一方、把持部２００（図２参照）によって術者１７０からの入力の力が次の関節のベース４１５に伝えられ、この関節に矢印４０６方向の力がかかったとする。この時、操作入力装置１９０を矢印４０６方向に動かすと、それに対応して動くマニピュレータ１１０または１３０の方向に危険領域がありマニピュレータ１１０または１３０をその方向に動かしてはいけないということがマスタコントローラ１５０（図１参照）によって算出されたと仮定する。その場合は、マスタコントローラ１５０は、３点ポジショナソレノイド４００を駆動する信号を発し、レバー３１５を動かし二方向クラッチの動力伝達機能を接続し、ピニオンギア３３５を矢印３４５方向には回転できず矢印３５０方向に回転できるようにする。このことによりガイド４３０は、ピニオンギア３３５とラック３４０との噛み合いにより、矢印４０７方向には動けるが、矢印４０６方向には動くことができなくなる。よって術者１７０は、安全側な矢印４０７方向には操作入力できるが、危険領域へ向かう矢印４０６方向へは操作入力ができなくなり、マニピュレータ１１０または１３０を危険領域に動かしてしまうという問題を解決できる。
【００４１】
同様に、次の関節のベース４１５に矢印４０７方向の力がかかったとし、この時、操作入力装置１９０を矢印４０７方向に動かすと、それに対応して動くマニピュレータ１１０または１３０の方向に危険領域がありマニピュレータをその方向に動かしてはいけないということがマスタコントローラ１５０（図１参照）によって算出されたとする。この場合も、マスタコントローラ１５０は、３点ポジショナソレノイド４００を駆動する信号を発し、レバー３１５を動かし二方向クラッチの動力伝達機能を接続し、ピニオンギア３３５を矢印３５０方向には回転できず矢印３４５方向に回転できるようにする。このことにより、ガイド４３０は、ピニオンギア３３５とラック３４０との噛み合いにより、矢印４０６方向には動けるが、矢印４０７方向には動くことができなくなる。
【００４２】
なお、図示していないが、この関節の移動量はリニアエンコーダによって測定しており、操作入力量をマスタコントローラ１５０で取得することができる。
【００４３】
図５は操作卓２４０を省いた本実施形態の操作入力装置１９０の全景を示す図である。
【００４４】
図２で示した操作卓２４０の背面にベース５８５が取り付けられている。ベース５８５の背面に固定されたリニアガイドレール５８０上を左右方向である矢印５７８方向にベース５７５が動くように、ベース５７５とリニアガイドレール５８０とが直動関節を介して繋がっている。ベース５８５に隠れて見えないが矢印５７８方向に動くこの直動関節にも本発明の動作方向制限切替機構が取り付けられている。
【００４５】
ロッド５６０は、ベース５７５に対して、ベース５７５に取り付けられたラック５７０と噛み合う動作方向制限切替機構５６５を介して上下方向である矢印５６３方向に直動されるように構成されている。ロッド５６０は固定具５５５を介してベース５５０に固定されている。
【００４６】
ロッド５３５は、ベース５５０に対して、ベース５５０に固定されたラック５４５と噛み合う動作方向制限切替機構５４０を介して前後方向である矢印５３７方向に直動されるように構成されている。
【００４７】
ロッド５３５に取り付けられた固定具５３０は軸５２５を介してリンク５２０と接続されており、リンク５２０は軸５２５を介して回転関節となっている。リンク５２０は軸５１５を回転軸としてリンク５１０と接続しており、リンク５１０は軸５０５を介して把持部２００と接続されている。
【００４８】
図５の操作入力装置１９０は、直動関節数３、回転関節数３で構成されており、術者は位置姿勢６自由度を入力することができる。なお、把持部２００には、図６で説明する術具の開閉関節がある。
【００４９】
矢印５６３、５３７に対応する直動関節には、操作入力装置の自重を補償するために、図示していない定荷重バネを配置してある。よって術者１７０は、把持部２２０を持って操作を行う際、操作入力装置１９０の自重を気にすることなく自由な操作を可能である。
【００５０】
図５では、回転関節となる軸５２５、５１５、５０５には、動作方向制限切替機構を図示していないが、図３での軸３３０を関節軸とし、ハウジング２２０をベースのリンクに固定し、ピニオンギア３５０の代わりに次の関節のリンクを軸３３０に固定することにより動作方向制限切替機構が実現できる。
【００５１】
図５では、直動３関節のみに動作方向制限切替機構を用いることにより、姿勢入力は自由で、位置入力に対してのみ制限をかけることができる。回転３関節にも動作方向制限切替機構をつけることにより、位置姿勢６自由度の制限をかけることができる。
【００５２】
図６及び図７は本実施形態の把持部２００の異なる動作状態を示す平面図である。把持部２００の移動する構成要素の符号において、図６の状態で添え字ａをつけて示し、図７の状態で添え字ｂをつけて示すと共に、各構成要素を総称する場合には添え字ａ〜ｂを省略して説明する。
【００５３】
この把持部２００は、ブレード６２５、６４０に人差し指と親指を添え、術具１３５の開閉操作を入力できる機構となっている。この把持部２００の特徴としては、ベース６３０に対して、ブレード６４０だけを動かしてもブレード６２５も対称に動作し、その逆にブレード６２５を動かしてもブレード６４０も同様に動く機構となっている。これにより開閉操作を、親指だけで行いたい人、あるいは人差し指だけ行いたい人、あるいは両指で行いたい人へと３種類の方法に対応できる。
【００５４】
ベース６３０と一体のカム押え６０５には、カムプレート６１０が直動できる穴６０６が形成されている。軸６１５は、ブレード６２５、６４０の回転中心軸であり、ベース６３０を通して動作方向制限切替機構６４５の軸となっている。軸６１５はブレード６２５と一体で回転するようにしておくことにより、動作方向制限切替機構６４５によりブレード開閉の角度の制限をかけることができる。動作方向制限切替機構６４５は３点ポジショナソレノイド６００を含む。また、図示していないエンコーダによってブレード開閉の角度も取得できるように構成されている。
【００５５】
また、軸６１５はカムプレート６１０のカム穴６５１を通っている。カムプレート６１０のカム穴６５１には、ブレード６４０と一体になっている軸６５０、ブレード６２５と一体になっている軸６２０がそれぞれ通っている。
【００５６】
図６のブレード６４０ａが図７のブレード６４０ｂのように閉じられる方向に力がかかると、ブレード６４０ａは軸６１５を中心に回転し、ブレード６４０ａと一体として動く軸６５０ａも軸６１５を回転中心として動く。軸６５０ａはカム穴６５１ａを通して図６のカムプレート６１０ａを図７のカムプレート６１０ｂのように動かす。カムプレート６１０ａがカムプレート６１０ｂのように動くことにより、カム穴６５１ａを通して軸６２０ａに軸６２０ｂとなる方向に力が加わり、軸６２０ａと一体のブレード６２５ａはブレード６２５ｂとなる。
【００５７】
本実施形態では、２枚のブレードを同時に開閉する機構のために、従来の一般的な平行リンクを用いた機構などと比較して、単純で安価に製作が可能である。
【００５８】
また、動作方向制限切替機構６４５を用いることにより、把持開閉の大きさを制限したり、閉じたままの状態を維持したりすることなどが可能となる。術具ブレード６４０、６２５を使って患部を押し開く動作において、術具１３５を開く量を制限したい時などには、術具ブレード６４０、６２５の開閉の大きさを制限することができるので、安全性の向上につながる。また、閉じた状態を維持することができるので、術者１７０は針など対象物を握っている状態で力をこめて握っている必要がなくなり、これによって疲労度が少なくなる。なお、ブレード６４０、６２５は、図示していないバネにより、通常、図６のように開いた状態になっている。
【００５９】
開閉ベース６３０にはマイクロスイッチ６３５が配置されており、マイクロスイッチ６３５はブレード６４０ａを６４０ｂの状態にして強く押されることにより反応する。本実施形態では、マイクロスイッチ６３５が反応した時、動作方向制限切替機構６４５が働き、ブレード６４０、６２５が閉じられた状態で保持される仕組みとなっている。なお、ブレード６４０、６２５が閉じられた状態を解除するためには、図示していな別のボタンを指で押すことにより実現するようになっている。
【００６０】
術具開閉量を制限する時には、予め入力インターフェース１１６により最大開閉量を入力しておき、動作方向制限切替機構６４５を用いる。
【００６１】
また、動作方向制限切替機構６４５において、動力伝達の接続方向と遮断をマスタコントローラ１５０によって制御することにより、障害物や危険領域の壁を表現するだけでなく、マニピュレータアームが対象物に接触した際の柔軟さや固さを力覚提示することができる。すなわち、コントローラ１５０は、動力伝達の切断と動力伝達接続方向を選択して接続を細かく切替えることにより、マニピュレータ１１０または１３０のアームが対象物に接触した際の力覚を提示するように構成されている。
【００６２】
以上、説明したように、本実施形態によれば、安全領域や危険領域などの提示を必要としない時には、自由に操作入力装置１９０を動かすことができ、安全領域や危険領域などの提示を必要とする時には、モータを用いずに、危険領域方向への動きを制限し、安全領域方向への動きは自由な動作を実現することができる。しかも、操作入力装置１９０にモータを用いずに、術者に制限された動作範囲や障害物を力覚的に提示することが可能となり、小型化および制御安定性の面で非常に効果的であり、操作性のよい操作入力装置１９０とすることができる。また、モータを有しないため、ＭＲＩ環境下などのノイズの影響を低減したい環境では、非常に効果的である。さらに、モータを有しないため安価に製作可能である。
【００６３】
また、術具１３５の開閉操作においても、例えば、術具１３５によって押し開く動作において術具１３５の開く量を制限したり、術具１３５を閉じた際に把持部２００を押しつづける疲労を軽減したりするといったことを実現でき、操作性を向上させることができる。
【００６４】
なお、本実施形態では、動作方向制限切替機構を実現する動力伝達の遮断・接続機構として二方向クラッチを用いたが、一方向クラッチおよびソレノイドを二つずつ用いて実現してもよい。
【００６５】
本実施形態では、手術支援マニピュレータの操作入力装置について述べたが、本発明は、ヒューマノイドのアームや産業用マニピュレータのアームなどの操作入力装置として実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態のマスタ・スレーブ式マニピュレータシステムの全体構成を示す概念図である。
【図２】図１における操作入力装置の概念図である。
【図３】図１における動作方向制限切替機構の概念図である。
【図４】図１における動作方向制限切替機構を直動関節に用いた斜視図である。
【図５】図４の動作方向制限切替機構を用いた操作入力装置の斜視図である。
【図６】図５における把持入力装置の開いた状態の概念図である。
【図７】図５における把持入力装置の閉じた状態の概念図である。
【符号の説明】
【００６７】
１００…参照モニタ、１０５…コンバータ、１１０…第１のマニピュレータ、１１５…位置情報統合コントローラ、１１６…入力インターフェース（位置姿勢入力装置）、１２０…診断装置、１２５…内視鏡、１３０…第２のマニピュレータ、１３５…術具、１４０…患者、１４５…スレーブコントローラ、１５０…マスタコントローラ、１５５…センサ、１６５…入力インターフェース（把持部２００）、１７０…術者（操作者）、１７５…関節、１８０…二方向クラッチ、１８５…ソレノイド、１９０…操作入力装置、２００…把持部（入力インターフェース１６５）、２０５、２１０、２２５、２２０、２１５…リンク、２４０…操作卓、３００…ロッド、３０５…リンク、３０６…長穴、３１０…軸、３１５…レバー、３２０…ハウジング、３２５…軸受け、３３０…軸、３３５…ピニオンギア、４００…３点ポジショナソレノイド、４０５…クラッチ固定具、４１０…ロッド、４１５…関節のベース、４２０…ベース、４２５…リニアガイドレール、４３０…ガイド、４４０…ガイドベース、４３５…ロッド固定具、５０５…軸、５１０…リンク、５１５…軸、５２０…リンク、５２５…軸、５３０…固定具、５３５…ロッド、５４０…動作方向制限切替機構、５４５…ラック、５５０…ベース、５５５…固定具、５６０…ロッド、５６５…動作方向制限切替機構、５７０…ラック、５７５…ベース、５８０…リニアガイドレール、５８５…ベース、６２５…ブレード、６３０…ベース、６４０…ブレード。
【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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