(57)【要約】ワイヤのストロークを制限せず、かつ、可動配線を用いることなくワイヤの張力を検出して、先端可動部を精度よく制御することを目的として、本発明に係る医療用マニピュレータ（３）は、モータ（８）を備える駆動部（９）と、該駆動部（９）に着脱可能に取り付けられ、モータ（８）の回転軸に接続される回転体（１１）を備える着脱部（１２）と、該着脱部（１２）に連結された細長い挿入部（６）と、該挿入部（６）の先端に配置される先端可動部（１３）と、回転体（１１）と先端可動部（１３）とを接続し、モータ（８）の動力により発生する張力を先端可動部（１３）に伝達して該先端可動部（１３）を作動させるワイヤ（１４）と、該ワイヤ（１４）の長手方向の途中位置を線径方向に押圧する弾性材料からなる押圧部材と、該押圧部材に取り付けられ、ワイヤ（１４）の張力に応じて押圧部材に発生する弾性変形量を検出するセンサとを備える。
2016088205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを備える駆動部と、
該駆動部に着脱可能に取り付けられ、前記モータの回転軸に接続される回転体を備える着脱部と、
該着脱部に連結された細長い挿入部と、
該挿入部の先端に配置される先端可動部と、
前記回転体と前記先端可動部とを接続し、前記モータの動力により発生する張力を前記先端可動部に伝達して該先端可動部を作動させるワイヤと、
該ワイヤの長手方向の途中位置を線径方向に押圧する弾性材料からなる押圧部材と、
該押圧部材に取り付けられ、前記ワイヤの張力に応じて前記押圧部材に発生する弾性変形量を検出するセンサとを備える医療用マニピュレータ。
【請求項２】
前記押圧部材が、前記ワイヤの張力に応じて弾性変形させられる板バネである請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項３】
前記回転体を回転可能に支持するベース部材を備え、
前記押圧部材が、前記ベース部材に対して一端が固定されたシャフトからなり、
該シャフトの他端に回転可能に取り付けられ前記ワイヤの途中位置を回し掛けるプーリを備える請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項４】
前記回転体を回転可能に支持するベース部材を備え、
該ベース部材に対して一端が固定され、同一平面上に配置されない位置関係に配置された平行な軸線を有する３本のシャフトと、
該シャフトの他端に各前記軸線回りに回転可能に取り付けられ、前記ワイヤが交互に逆側に回し掛けられるプーリとを備え、
前記押圧部材が、いずれかの前記シャフトからなる請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【請求項５】
前記押圧部材が、前記ワイヤを貫通させる湾曲した管状に形成されている請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用マニピュレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
医療用マニピュレータとしては、モータを備えたアクチュエータ部と、アクチュエータ部に着脱自在でモータの回転軸に接続されるプーリを備える接続部と、接続部から延びる連結シャフトの先端にワイヤを介してプーリに連動する先端動作部（以下、先端可動部という。）とを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この医療用マニピュレータは、ワイヤの途中位置に取り付けられた張力検出部を備え、張力検出部に設けられた歪みセンサによって、ワイヤの張力を検出することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４６３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の医療用マニピュレータは、ワイヤの張力をワイヤに固定した張力検出部によって検出するので、モータの作動によりワイヤが駆動されると張力検出部もワイヤとともに移動してしまう。このため、張力検出部を比較的小さく構成しないと、他の構成部品との干渉によりワイヤのストロークが制限されてしまう。また、張力検出部への電力供給あるいは信号取り出しのための配線が可動配線となるため、配線の引き回し処理やスペースの確保が必要となり、固定配線と比較して配線の耐久性も低い。【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ワイヤのストロークを制限せず、かつ、可動配線を用いることなくワイヤの張力を検出して、先端可動部を精度よく制御することができる医療用マニピュレータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、モータを備える駆動部と、該駆動部に着脱可能に取り付けられ、前記モータの回転軸に接続される回転体を備える着脱部と、該着脱部に連結された細長い挿入部と、該挿入部の先端に配置される先端可動部と、前記回転体と前記先端可動部とを接続し、前記モータの動力により発生する張力を前記先端可動部に伝達して該先端可動部を作動させるワイヤと、該ワイヤの長手方向の途中位置を線径方向に押圧する弾性材料からなる押圧部材と、該押圧部材に取り付けられ、前記ワイヤの張力に応じて前記押圧部材に発生する弾性変形量を検出するセンサとを備える医療用マニピュレータを提供する。【０００７】
本態様によれば、駆動部に対して着脱可能な着脱部を取り付けると、着脱部の回転体がモータの回転軸に接続されて、モータの駆動力により回転体が回転され、該回転体に一端が接続されているワイヤが回転体に巻き取られてワイヤに張力が発生する。ワイヤの他端には、細長い挿入部の先端に配置された先端可動部が接続されているので、ワイヤに張力が発生すると、該張力によって先端可動部が作動させられる。【０００８】
この場合において、ワイヤの長手方向の途中位置に設けられた押圧部材が、ワイヤを線径方向に押圧しているので、ワイヤの張力が変動すると、ワイヤが押圧部材を押し戻す力が変動する。すなわち、ワイヤの張力が増大すると、押圧部材を押し戻す力が増大するので、弾性材料からなる押圧部材が弾性変形させられ、その弾性変形量がセンサにより検出される。これにより、ワイヤに生ずる張力をセンサによって間接的に検出することができる。この場合に、センサをワイヤに固定せずに済むので、ワイヤのストロークを制限せず、かつ、可動配線を用いることなくワイヤの張力を検出して、先端可動部を精度よく制御することができる。【０００９】
上記態様においては、前記押圧部材が、前記ワイヤの張力に応じて弾性変形させられる板バネであってもよい。
このようにすることで、板バネの弾発力によって、ワイヤを確実に押圧し、かつ、ワイヤが押し戻す力に比例して弾性変形させられるので、センサによって張力を精度よく検出することができる。【００１０】
また、上記態様においては、前記回転体を回転可能に支持するベース部材を備え、前記押圧部材が、前記ベース部材に対して一端が固定されたシャフトからなり、該シャフトの他端に回転可能に取り付けられ前記ワイヤの途中位置を回し掛けるプーリを備えていてもよい。
このようにすることで、モータの駆動によりワイヤに張力が発生してワイヤが長手方向に移動する際に、該ワイヤの途中位置を回し掛けているプーリを回転させて、ワイヤの移動を阻害することなくスムーズに移動させることができる。また、ワイヤが押し戻す力がプーリにかかると、プーリを先端に取り付けているシャフトが弾性変形させられるので、該シャフトの弾性変形量をセンサによって検出することにより、間接的にワイヤの張力を検出することができる。【００１１】
また、上記態様においては、前記回転体を回転可能に支持するベース部材を備え、該ベース部材に対して一端が固定され、同一平面上に配置されない位置関係に配置された平行な軸線を有する３本のシャフトと、該シャフトの他端に各前記軸線回りに回転可能に取り付けられ、前記ワイヤが交互に逆側に回し掛けられるプーリとを備え、前記押圧部材が、いずれかの前記シャフトからなっていてもよい。
このようにすることで、同一平面上に配されない平行な軸線を有する３本のシャフトの先端に設けられたプーリにワイヤが交互に逆側に回し掛けられることにより、中央のプーリによってワイヤを略Ｕ字状に湾曲させることができる。これにより、ワイヤにかかる張力の方向とシャフトの弾性変形の方向とを一致させ、張力をより確実に検出することができる。【００１２】
また、上記態様においては、前記押圧部材が、前記ワイヤを貫通させる湾曲した管状に形成されていてもよい。
このようにすることで、管状の押圧部材の弾性変形により、該押圧部材を貫通させているワイヤの張力を検出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ワイヤのストロークを制限せず、かつ、可動配線を用いることなくワイヤの張力を検出して、先端可動部を精度よく制御することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステムを示す全体構成図である。
【図２】図１の医療用マニピュレータシステムに備えられる本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータの一部を破断した状態を示す分解図である。
【図３】図２の医療用マニピュレータのワイヤおよび張力検出部を示す平面図である。
【図４】図２の医療用マニピュレータの張力検出部を示す斜視図である。
【図５】図４の張力検出部の変形例を示す縦断面図である。
【図６】図４の張力検出部の他の変形例を示す斜視図である。
【図７】図４の張力検出部の他の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータ３について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１は、例えば、図１に示されるように、オペレータＡにより操作されるマスタ装置２と、患者Ｏの体腔内に挿入される医療用マニピュレータ３と、マスタ装置２への操作入力に基づいて医療用マニピュレータ３を制御する制御部４と、モニタ５とを備えている。
【００１６】
本実施形態に係る医療用マニピュレータ３は、図２に示されるように、体腔内に挿入される細長い軟性の挿入部６を備えるマニピュレータ本体７と、該マニピュレータ本体７に着脱可能に設けられ、モータ８を備える駆動部９とを備えている。
マニピュレータ本体７は、挿入部６の基端側に固定されたベース（ベース部材）１０と、該ベース１０に回転可能に取り付けられたプーリ（回転体）１１とを備える着脱部１２と、挿入部６の先端に配置された把持鉗子等の先端可動部１３と、着脱部１２のプーリ１１と先端可動部１３とを接続するワイヤ１４と、該ワイヤ１４の張力を検出する張力検出部１５とを備えている。
【００１７】
モータ８の回転軸にはスプライン軸１６が設けられている。また、プーリ１１には、モータ８のスプライン軸１６を挿脱可能に噛み合わせるスプライン孔１７が設けられている。
また、プーリ１１には、図３に示されるようにワイヤ１４が巻きかけられ、ワイヤ１４は、プーリ１１に固定点Ｐにおいて溶接等により固定されている。ワイヤ１４がガイドシース１８に挿入されて挿入部６内を貫通させられている。
【００１８】
張力検出部１５は、プーリ１１と先端可動部１３との間に配置される長手方向の途中位置に配置された押圧部材１９と、該押圧部材１９に貼り付けられた歪みゲージからなるセンサ２０とを備えている。
押圧部材１９は、図４に示されるように、帯板状部材を曲げ成形することにより、一方向に凸に湾曲した湾曲部２１と、該湾曲部２１の両端に伸びる平坦部２２ａ，２２ｂとを備える板バネ部材により構成されている。一方の平坦部２２ａは、ベース１０に固定された取付部材の平坦な側面１０ａに、例えば、ネジ１０ｂにより固定され、他方の平坦部２２ｂは、固定されることなく、側面１０ａに沿って移動可能に配置されている。
【００１９】
また、湾曲部２１の凸側の外面には、その幅方向の中央に、ワイヤ１４を収容する溝２３が形成されている。また、湾曲部２１の溝２３とは反対側の表面には、センサ２０が貼り付けられている。センサ２０は、湾曲部２１に発生した弾性変形を検出して制御部４に出力するようになっている。
【００２０】
また、押圧部材１９は、プーリ１１から先端可動部１３に向かうワイヤ１４の長手方向の途中位置に配置され、湾曲部２１の溝２３内にワイヤ１４の途中位置を収容しつつ、図３に示されるように、ワイヤ１４をその線径方向に押圧するようになっている。
すなわち、ワイヤ１４に係る張力が増大すると、ワイヤ１４は接触している湾曲部２１を矢印Ｘの方向に押圧するので、固定されていない平坦部２２ｂを矢印Ｙの方向に変位させながら、湾曲部２１が潰れる方向に弾性変形するようになっている。
【００２１】
センサ２０は押圧部材１９の弾性変形に応じた信号を出力するので、ワイヤ１４に発生している張力を検出するようになっている。
制御部４は、センサ２０により検出されたワイヤ１４の張力に基づいて、医療用マニピュレータ３の動作を制御するようになっている。すなわち、医療用マニピュレータ３の挿入部６が湾曲すると、該挿入部６内にガイドシース１８を介して挿入されているワイヤ１４がガイドシース１８の内面に多く接触するようになって摩擦力が増大する。
【００２２】
したがって、摩擦力に抗して先端可動部１３を作動させるには、より大きな張力をワイヤ１４にかけなければならなくなるので、制御部４は、センサ２０から受け取った張力が大きくなった場合には、マスタ装置２への操作入力に対するモータ８の駆動力を増大させ、張力が小さくなった場合にはモータ８の駆動力を低下させるように制御するようになっている。
【００２３】
このように構成された本実施形態に係る医療用マニピュレータ３の作用について説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータ３を用いて体腔内の患部の処置を行うには、オペレータＡは、患者Ｏの体腔内に医療用マニピュレータ３の挿入部６を先端可動部１３側から挿入し、別途挿入した内視鏡により取得された画像をモニタ５で観察しながら患部に対して先端可動部１３を対向させる。
【００２４】
次いで、オペレータＡはマスタ装置２を操作することにより、マスタ装置２の操作量が制御部４に入力され、制御部４が操作量に応じてモータ８に駆動力を発生させ、回転軸に連結されたプーリ１１が一方向に回転駆動される。これにより、一方のワイヤ１４にかかる張力が増大し、他方のワイヤ１４に係る張力が減少することで、ワイヤ１４の先端に接続されている先端可動部１３が、開動作または閉動作させられる。
【００２５】
この場合において、ワイヤ１４に弛まない程度の張力がかかっていれば、ワイヤ１４は押圧部材１９の湾曲部２１外面に形成されている溝２３内に収容状態に維持され、センサ２０によって張力を検出し続けることができる。そして、ワイヤ１４にかかる張力が増大すると、ワイヤ１４の途中位置に接触させられている板バネ部材の湾曲部２１が凸形状を潰す方向にワイヤ１４によって押される力が増大し、その力によって発生した湾曲部２１の弾性変形がセンサ２０によって検出される。
【００２６】
検出された弾性変形は、センサ２０から制御部４に出力され、制御部４において医療用マニピュレータ３の制御に利用される。すなわち、本実施形態においては、ワイヤ１４にかかる張力が増大すると、制御部４がモータ８の駆動力を増大させるので、ワイヤ１４が摩擦力に抗して牽引されて挿入部６の先端に配置されている先端可動部１３を精度よく作動させることができるという利点がある。
【００２７】
また、本実施形態に係る医療用マニピュレータ３によれば、ベース１０に固定された押圧部材１９の変形によりワイヤ１４の張力を検出するので、ワイヤ１４のストロークを制限せずに済み、かつ、センサ２０への電力供給や信号取り出しのための配線を可動配線とせずに済むという利点もある。
【００２８】
なお、本実施形態においては、帯板状の板バネを湾曲させて押圧部材１９を構成したが、これに代えて、図５に示されるように、ワイヤ１４を貫通させるパイプ２４を湾曲させて、湾曲部２１の内面によってワイヤ１４を線径方向に押圧し、ワイヤ１４の張力によるパイプ２４の変形をセンサ２０により検出することにしてもよい。このようにすることで、ワイヤ１４にかかる張力が低減されてワイヤ１４に弛みが発生しても、パイプ２４からのワイヤ１４の脱落を防止でき、次に張力が増大したときに、確実にワイヤ１４の張力を検出することができるという利点がある。
【００２９】
また、本実施形態においては、張力検出部１５が、板バネからなる押圧部材１９に対してワイヤ１４を摺動させることにより、押圧部材１９の弾性変形によってワイヤ１４の張力を検出することとした。これに代えて、図６に示されるように、張力検出部１５として、ベース１０に片持ち梁状に固定されたシャフト２５の先端に該シャフト２５の軸線回りに回転可能に指示されたプーリ１１を配置し、シャフト２５にセンサ２０を取り付け、プーリ１１にワイヤ１４の途中位置を回し掛けてもよい。
【００３０】
このようにすることで、ワイヤ１４が牽引されて長手方向に移動する際に、プーリ１１がシャフト２５に対して回転するので、張力検出部１５においてワイヤ１４にかける摩擦を低減することができる。ワイヤ１４に張力がかかると、片持ち梁状のシャフト２５が弾性変形によって湾曲するので、その弾性変形をセンサ２０によって検出することにより、ワイヤ１４の張力を間接的に検出することができる。
【００３１】
また、図６に示されるようなプーリ１１を備えるシャフト２５を３個用意し、図７に示されるように、３つのシャフト２５の軸線が同一平面上に配置されないように平行に配置して、３つのプーリ１１にワイヤ１４を交互に逆側に回し掛けることにしてもよい。ワイヤ１４は、図７に示されるように、中央のプーリ１１によって略U字状に湾曲させられるので、ワイヤ１４にかかる張力の方向（矢印Ｚ）とシャフト２５の湾曲方向（矢印Ｘ）とを一致させることができる。すなわち、中央のプーリ１１を支持するシャフト２５にセンサ２０を配置しておくことにより、ワイヤ１４にかかる張力を、より確実に検出することができるという利点がある。なお、センサ２０の位置は他のシャフト２５に配置されていてもよい。
【００３２】
また、駆動部９側にバッテリを配置し、駆動部９とマニピュレータ本体７とが連結されたときに、バッテリの電力をセンサ２０に伝達するために配線を接続する接点が、駆動部９とマニピュレータ本体７との間に配置されていてもよい。また、センサ２０から出力される信号については、駆動部９とマニピュレータ本体７との間の電気的な接点によってマニピュレータ本体７から外部に取り出してもよいし、無線によって取り出してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
３  医療用マニピュレータ
６  挿入部
８  モータ
９  駆動部
１０  ベース（ベース部材）
１１  プーリ（回転体）
１２  着脱部
１３  先端可動部
１４  ワイヤ
１９  押圧部材
２０  センサ
２５  シャフト（押圧部材）
【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】
2016088205.tif 000009
【国際調査報告】
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2016088205.tif 000011
2016088205.tif 000012
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