(57)【要約】【課題】マニピュレータ装置で、簡便に術具を滅菌可能とし、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御を可能とすること。【解決手段】マニピュレータ装置は、スレーブマニピュレータ１、マスタマニピュレータ２、制御装置を備える。スレーブマニピュレータ１は、オートクレーブ滅菌に対応可能な術具１７と、術具駆動部１１と、ピッチ軸１２０、ヨー軸１２１、並進軸１３、ロール軸１５、直動軸等の各軸に設けたアクチュエータと、そのエンコーダとを備える。マスタマニピュレータ２は、手元操作部２７と、ピッチ軸２２０、ヨー軸２２１、並進軸２３、ロール軸２５、直動軸等の各軸に設けたアクチュエータと、そのエンコーダとを備える。制御装置はスレーブエンコーダとマスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を術具１７からマスタマニピュレータ２の手元操作部２７にフィードバック制御する。【選択図】図１
2007290096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
術具を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを制御装置を介して駆動するマスタマニピュレータとを備えるマニピュレータ装置において、
前記スレーブマニピュレータは、
スレーブジンバル部に設けたスレーブピッチ軸及びスレーブヨー軸と、
前記スレーブジンバル部の内側に設けたスレーブ並進軸と、
前記スレーブ並進軸に平行リンクを介して連結するスレーブロール軸と、
前記スレーブロール軸の先端部に設けた術具駆動機構部と、
前記術具駆動機構部に結合され且つオートクレーブ滅菌に対応可能な材料で形成された術具と、
前記術具駆動機構部に一側端部を接続したスレーブコントロールケーブルと、
前記スレーブコントロールケーブルの他側端部を接続したスレーブ直動軸と、
前記各スレーブ軸にそれぞれ設けたスレーブアクチュエータと、
前記各スレーブアクチュエータにそれぞれ取付けたスレーブエンコーダとを備えて構成され、
前記マスタマニピュレータは、
前記マスタジンバル部に設けたマスタピッチ軸及びマスタヨー軸と、
前記マスタジンバル部の内側に設けたマスタ並進軸と、
前記マスタ並進軸に設けたマスタロール軸と、
前記マスタロール軸の先端部に設けた手元操作部と、
前記手元操作部に一側端部を接続したマスタコントロールケーブルと、
前記マスタコントロールケーブルの他側端部を接続したマスタ直動軸と、
前記各マスタ軸にそれぞれ設けたマスタアクチュエータと、
前記各マスタアクチュエータにそれぞれ取付けたマスタエンコーダとを備えて構成され、
前記制御装置は前記スレーブエンコーダと前記マスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、前記スレーブマニピュレータ前記マスタマニピュレータの術具からスタマニピュレータの手元操作部にフィードバック制御する
ことを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項２】
請求項１において、スレーブ直動軸に設けたアクチュエータはリニアモータで構成され、前記スレーブコントロールケーブルはスレーブワイヤとこのスレーブワイヤを収納したスレーブチューブとを有し、前記スレーブワイヤはその一側端部を前記術具駆動機構部に接続すると共にその他側端部を前記スレーブ直動軸に接続し、マスタ直動軸に設けたアクチュエータはリニアモータで構成され、前記マスタコントロールケーブルはマスタワイヤとこのマスタワイヤを収納したマスタチューブとを有し、前記マスタワイヤはその一側端部を前記手元操作部に接続すると共にその他側端部を前記マスタ直動軸に接続したことを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項３】
請求項１において、前記スレーブ並進軸の荷重を補償するスレーブ定荷重バネを備えると共に、前記マスタ並進軸の荷重を補償するマスタ定荷重バネを備えたことを特徴とするマニピュレータ装置。
【請求項４】
請求項１において、前記スレーブロール軸の荷重を補償するスレーブバランスウエイトを備えたことを特徴とするマニピュレータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータ装置に係り、特に多自由度のマスタマニピュレータ及びスレーブマニピュレータを有するマスタ・スレーブ式マニピュレータ装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のマニピュレータ装置としては、特開平９−９８９７８号公報（特許文献１）に示されたものがある。このマニピュレータ装置は、術具である把持鉗子を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを駆動するマスタマニピュレータとを備えている。そして、このマニピュレータ装置は、把持鉗子のグリップに歪みゲージを備え、生体組織を把持したときの歪みゲージによる検出情報を術者に提示する機能を有している。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−９８９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内視鏡下外科手術は、低侵襲外科治療の中心的役割を担う治療技術として社会的に広く認知されている。本手術は、美容上優れる、早期の社会復帰ができるなど多くの利点を有する。一方、術者にとっては難易度の高い手術であり、工学的に手術を支援するマニピュレータ装置の開発が行われている。また、外科手術では術具を介して得られる臓器の感触が重要である。マニピュレータ装置においても同様に、術具からの高い力覚感度を術者へフィードバックすることが望まれている。
【０００５】
上述した特許文献１のマニピュレータ装置では、力センサとして歪みゲージが用いられている。しかし、歪ゲージは、高周波ノイズ等の影響を受けやすく、周波数帯域が数十Ｈｚと低いものが用いられるため、高い力覚感度を得ることが難しいという課題がある。また、術具への歪ゲージの取付けに伴い、電気配線が必要となるため、配線作業が煩雑になると共に、耐久性などの信頼性に課題がある。さらには、歪ゲージは、低温のガス滅菌には対応できるが、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌に対応することが難しいという課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述の目的を達成するために、本発明は、術具を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを制御装置を介して駆動するマスタマニピュレータとを備えるマニピュレータ装置において、前記スレーブマニピュレータは、スレーブジンバル部に設けたスレーブピッチ軸及びスレーブヨー軸と、前記スレーブジンバル部の内側に設けたスレーブ並進軸と、前記スレーブ並進軸に平行リンクを介して連結するスレーブロール軸と、前記スレーブロール軸の先端部に設けた術具駆動機構部と、前記術具駆動機構部に結合され且つオートクレーブ滅菌に対応可能な材料で形成された術具と、前記術具駆動機構部に一側端部を接続したスレーブコントロールケーブルと、前記スレーブコントロールケーブルの他側端部を接続したスレーブ直動軸と、前記各スレーブ軸にそれぞれ設けたスレーブアクチュエータと、前記各スレーブアクチュエータにそれぞれ取付けたスレーブエンコーダとを備えて構成され、前記マスタマニピュレータは、前記マスタジンバル部に設けたマスタピッチ軸及びマスタヨー軸と、前記マスタジンバル部の内側に設けたマスタ並進軸と、前記マスタ並進軸に設けたマスタロール軸と、前記マスタロール軸の先端部に設けた手元操作部と、前記手元操作部に一側端部を接続したマスタコントロールケーブルと、前記マスタコントロールケーブルの他側端部を接続したマスタ直動軸と、前記各マスタ軸にそれぞれ設けたマスタアクチュエータと、前記各マスタアクチュエータにそれぞれ取付けたマスタエンコーダとを備えて構成され、前記制御装置は前記スレーブエンコーダと前記マスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、前記スレーブマニピュレータ前記マスタマニピュレータの術具からスタマニピュレータの手元操作部にフィードバック制御するように構成にしたことにある。
【０００８】
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）スレーブ直動軸に設けたアクチュエータはリニアモータで構成され、前記スレーブコントロールケーブルはスレーブワイヤとこのスレーブワイヤを収納したスレーブチューブとを有し、前記スレーブワイヤはその一側端部を前記術具駆動機構部に接続すると共にその他側端部を前記スレーブ直動軸に接続し、マスタ直動軸に設けたアクチュエータはリニアモータで構成され、前記マスタコントロールケーブルはマスタワイヤとこのマスタワイヤを収納したマスタチューブとを有し、前記マスタワイヤはその一側端部を前記手元操作部に接続すると共にその他側端部を前記マスタ直動軸に接続したこと。
（２）前記スレーブ並進軸の荷重を補償するスレーブ定荷重バネを備えると共に、前記マスタ並進軸の荷重を補償するマスタ定荷重バネを備えたこと。
（３）前記スレーブロール軸の荷重を補償するスレーブバランスウエイトを備えたこと。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ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】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態のマニピュレータ装置について、図１から図３を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるスレーブマニピュレータ１の斜視図である。マニピュレータ装置は、術具を駆動するスレーブマニピュレータ１と、このスレーブマニピュレータ１を制御装置（図示せず）を介して駆動するマスタマニピュレータ２とを備えて構成されている。なお、制御装置はスレーブマニピュレータ１及びマスタマニピュレータ２を統括的に制御する。
【００１２】
図１において、スレーブマニピュレータ１のスレーブベース１０の下側にはスレーブキャスタ１００とスレーブアジャスタパッド１０１が設けられ、上側には電動ピラー１０２が設けられている。スレーブベース１０の形状は、幅５００ｍｍ、奥行き５００ｍｍの四角形である。電動ピラー１０２の昇降範囲は０〜３００ｍｍである。スレーブキャスタ１００はスレーブベース１０を手動で押すことにより回転され、電動ピラー１０２はコントローラ１０３を介して接続されたペンダント（図示せず）の操作により昇降動作される。
【００１３】
電動ピラー１０２の上部には、術具駆動部１１が設けられている。床面から術具駆動部１１までの高さは、６１０ｍｍである。術具駆動部１１には、スレーブアクチュエータを構成する３つのスレーブリニアモータ１１０及びこれらのスレーブリニアモータ１１０に取付けたスレーブリニアエンコーダ１１１が設けられている。スレーブリニアモータ１１０の定格推力は２０Ｎで、可動範囲は±５０ｍｍである。スレーブリニアエンコーダ１１１の分解能は４逓倍後に０．１μｍである。術具駆動部１１の３軸は、反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。
【００１４】
各スレーブリニアモータ１１０には、スレーブコントロールケーブル１１２を接続する。スレーブコントロールケーブル１１２は、インナーとしてのスレーブワイヤ１１３（図２参照）と、アウターとしてのスレーブチューブ１１４（図２参照）とを備えて構成されている。スレーブリニアモータ１１０の可動部にスレーブワイヤ１１３の一端を取付け、その前後動作の動力をスレーブワイヤ１１３の他端に伝達する。スレーブワイヤ１１３とスレーブチューブ１１４の他端は、後述する鉗子着脱部１６に接続されている。スレーブワイヤ１１３は、外径１．８ｍｍで、素線径０．３６ｍｍのステンレス細線を１９本撚った構造である。スレーブワイヤ１１３は切断強度３５００Ｎの強度を持つ。スレーブチューブ１１４は内径２．０ｍｍ、外径５．０ｍｍで、平線をコイル状に巻き、内側を滑り性に優れたフッ素樹脂、外側を塩化ビニールで被覆している。スレーブワイヤ１１３の外径とスレーブチューブ１１４の内径の差としての空隙は０．２ｍｍである。空隙の間隔は、駆動力伝達時のワイヤ座屈に伴う伝達動力と伝達時間のロスに影響するので、できるだけ小さいことが望ましい。
【００１５】
術具駆動部１１の上面には、門型のスレーブ支柱１１９を介してスレーブジンバル部１２が設けられている。術具駆動部１１からスレーブジンバル部１２までの高さは、３９０ｍｍである。スレーブジンバル部１２には、スレーブピッチ軸１２０とスレーブヨー軸１２１のスレーブ回転モータ１２２及びスレーブ回転エンコーダ１２３と、スレーブヨー軸バランスウエイト１２４が設けられている。
【００１６】
スレーブ回転モータ１２２はギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、定格トルクは１．４Ｎｍである。スレーブ回転エンコーダ１２３の分解能は４逓倍後に３２４０００ｐｐｒである。スレーブピッチ軸１２０の回転範囲は±６０°、スレーブヨー軸１２１の回転範囲は±４５°である。スレーブピッチ軸１２０とスレーブヨー軸１２１は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。スレーブヨー軸バランスウエイト１２４は、対向するスレーブヨー軸１２１のスレーブ回転モータ１２２及びスレーブ回転エンコーダ１２３の質量を補償し、その質量は５ｋｇである。
【００１７】
スレーブジンバル部１２のスレーブヨー軸１２１の先には、スレーブ並進軸１３が設けられている。スレーブ並進軸１３には、カバー内にスレーブリニアモータ及びスレーブリニアエンコーダが設けられ、カバー下にスレーブ定荷重バネ１３２が設けられている。スレーブリニアモータの定格推力は１０Ｎで、可動範囲は±１００ｍｍである。スレーブリニアエンコーダの分解能は４逓倍後に０．１μｍである。スレーブ並進軸１３は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。スレーブ定荷重バネ１３２は、スレーブリニアモータの可動部に負荷としてかかる平行リンク１４などの質量を補償し、そのバネ力は４０Ｎである。
【００１８】
スレーブ並進軸１３の上部には、平行リンク１４が設けられている。スレーブジンバル部１２から平行リンク１４までの高さは、４３０ｍｍである。平行リンク１４の各リンクは、長リンク部１４０と短リンク部１４１が設けられている。長リンク部１４０の長さは５８０ｍｍ、短リンク部１４１の長さは１４５ｍｍであり、長リンク部１４０の長さと短リンク部１４１の長さの比は４：１である。
【００１９】
短リンク部１４１の先端には平行リンクバランスウエイト１４２が設けられている。平行リンクバランスウエイト１４２は、長リンク部１４０の先端質量０．７ｋｇを補償し、その質量は先端質量の４倍の２．８ｋｇである。平行リンクバランスウエイト１４２を備えるロッド１４３は、スレーブヨー軸１２１の回転動作とスレーブ並進軸１３の直線動作とに滑らかに連動するように、スレーブジンバル部１２のスライドかつ回転できるフリージョイント１４４に取付けられている。
【００２０】
平行リンク１４の長リンク部１４０の先端部には、スレーブロール軸１５が設けられている。スレーブロール軸１５には、スレーブ回転モータ１５０及びスレーブ回転エンコーダ１５１が設けられている。スレーブ回転モータ１５０は、ギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、定格トルクは０．２Ｎｍである。スレーブ回転エンコーダ１５１の分解能は４逓倍後に３２４０００ｐｐｒである。スレーブロール軸１５の回転範囲は±１８０°である。スレーブロール軸１５は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。
【００２１】
図２は図１のスレーブマニピュレータの鉗子着脱部１６の斜視図である。スレーブロール軸１５の先端部には、鉗子着脱部１６が設けられている。鉗子着脱部１６には、３本のスレーブコントロールケーブル１１２の他端が接続されている。スレーブワイヤ１１３は、それぞれスライド部１６０〜１６２に取付けられている。術具駆動部１１に設けられたスレーブリニアモータ１１０の動力は、スレーブコントロールケーブル１１２を介して、スライド部１６０〜１６２に伝わり、各スレーブワイヤ１１３が前後動することにより各スライド部１６０〜１６２が前後動される。スライド部１６０〜１６２の動作範囲は、±１０ｍｍである。
【００２２】
鉗子着脱部１６の着脱面には、位置合せのピン嵌め部１６３と、安全機構の磁石１６４が設けられている。ピン嵌め部１６３は術具である鉗子１７のノックピンを嵌合するためのものである。磁石１６４は、鉗子着脱部１６の着脱面の４箇所に設けられ、鉗子１７に設けられた４つの磁石と吸着し合う。この磁石１６４は、耐熱性に優れた希土類サマリウムコバルトで構成され、吸着力以上の外力がかかると着脱面の鉗子１７が外れる安全機構を構成している。ピン嵌め部１６３はノックピンとの嵌め合いであり、安全機構が働いても体内への鉗子１７の脱落がないようにしている。
【００２３】
鉗子着脱部１６には、鉗子１７の上端部が取付けられる。鉗子１７の外径は１０ｍｍ、長さは３５０ｍｍであり、スレーブジンバル部１２のスレーブピッチ軸１２０の延長線上に仮想ピボット点１７０が設定される。
【００２４】
鉗子１７の駆動伝達機構は、鉗子着脱部１６に設けたスライド部１６０〜１６２の直線運動の動力を伝達する機構であれば、ラック＆ピニオン機構やロッド機構など、自由に設計できる。鉗子先端１７１での動作範囲は、屈曲２方向と開閉１方向の３軸が全て±９０°である。鉗子１７を構成する材料は、オートクレーブ滅菌に対応できるように、金属など耐熱性に優れた部材を用いる。鉗子着脱部１６と着脱する鉗子１７の接続面には、同様にサマリウムコバルト磁石が設けられている。この磁石は耐熱性に優れており、オートクレーブ滅菌可能である。鉗子１７以外はドレープで覆い、滅菌性を確保する。
【００２５】
図１及び図２において、スレーブマニピュレータ１のベッドサイドの初期位置決め、すなわち鉗子１７を挿入する患者腹腔直上のピボット点１７０決めは、スレーブキャスタ１００で床面すなわちｘｙ平面を行い、電動ピラー１０２で昇降すなわちｚ平面を行う。ピボット点１７０はジンバル部１２と平行リンク１４で機構的に設定される。
【００２６】
力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御での動作は、スレーブ並進軸１３、スレーブピッチ軸１２０、スレーブヨー軸１２１、スレーブロール軸１５、及び鉗子１７の屈曲２軸、開閉１軸の合計７軸の多軸である。可動範囲は、スレーブ並進軸１３が±１００ｍｍ、スレーブピッチ軸１２０が±６０°、スレーブヨー軸１２１が±４５°、スレーブロール軸１５が±１８０°、鉗子先端１７１の屈曲２軸と開閉１軸が全て±９０°である。鉗子先端１７１における各軸の定格作用力は、スレーブ並進軸１３が１０Ｎ、スレーブピッチ軸１２０とスレーブヨー軸１２１が２．３Ｎ、スレーブロール軸１５が１０Ｎ、屈曲１軸が５Ｎ、のこりの屈曲１軸と開閉１軸が１０Ｎである。なお、スレーブ定荷重バネ１３２により、スレーブ並進軸１３には重力と逆向きに与圧をかける。全高は１３３０〜１８３０ｍｍで、総質量は７２ｋｇである。
【００２７】
図３は本実施形態のマニピュレータ装置におけるマスタマニピュレータ２の斜視図である。マスタベース２０の下側にはマスタキャスタ２００とマスタアジャスタパッド２０１が設けられている。マスタベース２０の形状は、幅５００ｍｍ、奥行き５００ｍｍの四角形である。マスタベース２０の上側には、手元操作駆動部２１が設けられている。床面から手元操作駆動部２１までの高さは、１８０ｍｍである。この手元操作駆動部２１には、マスタアクチュエータを構成する３つのマスタリニアモータ２１０及びこれらのマスタリニアモータ２１０にマスタマニピュレータたマスタリニアエンコーダ２１１が設けられている。マスタリニアモータ２１０の定格推力は２０Ｎで、可動範囲は±５０ｍｍである。マスタリニアエンコーダ１１１の分解能は４逓倍後に０．１μｍである。手元操作駆動部２１の３軸は、反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。
【００２８】
各マスタリニアモータ２１０には、マスタコントロールケーブル２１２を接続する。マスタコントロールケーブル２１２は、インナーとしてのマスタワイヤと、アウターとしてのマスタチューブとを備えて構成されている。マスタリニアモータ２１０の可動部にマスタワイヤの一端を取付け、その前後動作の動力をマスタワイヤの他端に伝達する。マスタワイヤとマスタチューブの他端は、後述する手元操作部２７に接続されている。マスタワイヤは、外径１．８ｍｍで、素線径０．３６ｍｍのステンレス細線を１９本撚った構造である。マスタワイヤは切断強度３５００Ｎの強度を持つ。マスタチューブは内径２．０ｍｍ、外径５．０ｍｍで、平線をコイル状に巻き、内側を滑り性に優れたフッ素樹脂、外側を塩化ビニールで被覆している。マスタワイヤの外径とマスタチューブの内径の差としての空隙は０．２ｍｍである。空隙の間隔は、駆動力伝達時のワイヤ座屈に伴う伝達動力と伝達時間のロスに影響するので、できるだけ小さいことが望ましい。
【００２９】
手元操作駆動部２１の上面には、門型のマスタ支柱２１９を介してマスタジンバル部２２が設けられている。手元操作駆動部２１からマスタジンバル部２２までの高さは、２８０ｍｍである。マスタジンバル部２２には、マスタピッチ軸２２０とマスタヨー軸２２１のマスタ回転モータ２２２及びマスタ回転エンコーダ２２３と、マスタヨー軸バランスウエイト２２４が設けられている。
【００３０】
マスタ回転モータ２２２はギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、定格トルクは１．４Ｎｍである。マスタ回転エンコーダ２２３の分解能は４逓倍後に３２４０００ｐｐｒである。マスタピッチ軸２２０の回転範囲は±６０°、マスタヨー軸２２１の回転範囲は±４５°である。マスタピッチ軸２２０とマスタヨー軸２２１は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。マスタヨー軸バランスウエイト２２４は、対向するマスタヨー軸２２１のマスタ回転モータ２２２及びマスタ回転エンコーダ２２３の質量を補償し、その質量は５ｋｇである。
【００３１】
マスタジンバル部２２のマスタヨー軸２２１の先には、マスタ並進軸２３が設けられている。マスタ並進軸２３には、カバー内にマスタリニアモータ及びマスタリニアエンコーダが設けられ、カバー下にマスタ定荷重バネ２３２が設けられている。マスタリニアモータの定格推力は１０Ｎで、可動範囲は±１００ｍｍである。マスタリニアエンコーダの分解能は４逓倍後に０．１μｍである。マスタ並進軸１３は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。マスタ定荷重バネ２３２は、マスタリニアモータの可動部に負荷としてかかる質量を補償し、そのバネ力は４０Ｎである。
【００３２】
マスタ並進軸２３の上部には、マスタロール軸２５が設けられている。マスタジンバル部２２からマスタロール軸２５までの高さは、４４０ｍｍである。マスタロール軸２５には、マスタ回転モータ２５０及びマスタ回転エンコーダ２５１が設けられている。マスタ回転モータ２５０は、ギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、定格トルクは０．２Ｎｍである。マスタ回転エンコーダ２５１の分解能は４逓倍後に３２４０００ｐｐｒである。マスタロール軸２５の回転範囲は±１８０°である。マスタロール軸２５は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。
【００３３】
マスタロール軸２５の先には、手元操作部２７が設けられている。手元操作部２７には、３本のコントロールケーブル２１２の他端が配置されている。コントロールケーブル２１２のインナーとしてのマスタワイヤは、それぞれ図示しないスライド部に取付けられている。手元操作駆動部２１に配置したリニアモータ２１０の動力は、コントロールケーブル２１２を介して、手元操作部２７のスライド部に伝わる。スライド部の動作範囲は、±５ｍｍである。手元操作部２７の伝達機構は、スライド部の直線運動の動力を伝達する機構であれば、ラック＆ピニオン機構やロッド機構など、自由に設計できる。ここでは、腹腔外操作型の形状としているが、腹腔内操作型の形状も可能である。
【００３４】
図３において、マスタマニピュレータ２の初期位置決め、すなわち術者に応じたイニシャルポジション決めは、スレーブキャスタ２００での床面すなわちｘｙ平面のみで行う。ｚ軸は、術者が座る図示しないイスの昇降機能で行う。マスタピッチ軸２２０を４５°回転した時、マスタロール軸２５までの高さは７００ｍｍであり、一般的な事務机の高さと同じである。術者は机上でペンを動かす感覚の延長で操作できる。イスが肘置きを備えると、長時間の操作にも対応できる。ピボット点２７０はジンバル部２２のみで機構的に構成する。
【００３５】
マスタ・スレーブ制御での動作は、マスタ並進軸２３、ピッチ軸２２０、マスタヨー軸２２１、マスタロール軸２５、及び手元操作部２７の屈曲２軸、開閉１軸の合計７軸の多軸である。可動範囲は、マスタ並進軸２３が±１００ｍｍ、ピッチ軸２２０が±６０°、マスタヨー軸２２１が±４５°、マスタロール軸２５が±１８０°、手元操作部２７の屈曲２軸と開閉１軸が全て±２２．５°である。手元操作部２７における各軸の定格作用力は、マスタ並進軸２３が１０Ｎ、ピッチ軸２２０とマスタヨー軸２２１が２．５Ｎ、マスタロール軸２５が４Ｎ、屈曲１軸が５Ｎ、のこりの屈曲１軸と開閉１軸が７Ｎである。なお、マスタ定荷重バネ２３２により、マスタ並進軸２３には重力と逆向きに与圧をかける。全高は９００〜１１００ｍｍで、総質量は４５ｋｇである。また、制御上で行う手先の震え防止のフィルタリング機能、スレーブマニピュレータ１との動作範囲の関係を変化できるスケーリング機能、に対応できる機構である。
【００３６】
制御装置は、スレーブマニピュレータ１のスレーブエンコーダと前記マスタマニピュレータ２のマスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、スレーブマニピュレータの術具である鉗子１７からマスタマニピュレータ２の手元操作部２７にフィードバックするように構成されている。
【００３７】
本実施形態によれば、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することができる。すなわち、術具を信頼性の高い機械部品のみで構築し、アクチュエータにマスタマニピュレータの内界センサを用いた制御系で数百Ｈｚ帯域の力覚感度を得られる、マスタ・スレーブ制御の多自由度マニピュレータ装置を提供することができる。また、術具と操作部は種種の交換が可能であり、使い勝手が向上すると共に、力フィードバック制御に機構のガタが影響しないので、系の安定性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるスレーブマニピュレータの斜視図である。
【図２】図１のスレーブマニピュレータの鉗子着脱部の斜視図である。
【図３】本実施形態のマニピュレータ装置におけるマスタマニピュレータの斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…スレーブマニピュレータ、２…マスタマニピュレータ、１０…スレーブベース、１１…術具駆動部、１２…スレーブジンバル部、１３…スレーブ並進軸、１４…平行リンク、１５…スレーブロール軸、１６…鉗子着脱部、１７…鉗子、２０…マスタベース、２１…手元操作駆動部、２２…マスタジンバル部、２３…マスタ並進軸、２５…マスタロール軸、２７…手元操作部、１０１…スレーブアジャスタパッド、１０２…電動ピラー、１０３…コントローラ、１１０…スレーブリニアモータ、１１１…スレーブリニアエンコーダ、１１２…スレーブコントロールケーブル、１１３…スレーブワイヤ、１１４…スレーブチューブ、１１９…スレーブジンバル支柱、１２０…スレーブピッチ軸、１２１…スレーブヨー軸、１２２…スレーブ回転モータ、１２３…スレーブ回転エンコーダ、１２４…スレーブヨー軸バランスウエイト、１３２…スレーブ定荷重バネ、１４０…長リンク部、１４１…短リンク部、１４２…平行リンクバランスウエイト、１４３…ロッド、１４４…フリージョイント、１５０…スレーブ回転モータ、１５１…スレーブ回転エンコーダ、１６０〜１６２…鉗子駆動のスライド部、１６３…ピン嵌め部、１６４…磁石、１７０…仮想ピボット点、１７１…鉗子先端、２００…マスタキャスタ、２０１…マスタアジャスタパッド、２１０…マスタリニアモータ、２１１…マスタリニアエンコーダ、２１２…マスタコントロールケーブル、２１９…マスタジンバル支柱、２２０…マスタピッチ軸、２２１…マスタヨー軸、２２４…マスタヨー軸バランスウエイト、２３２…マスタ定荷重バネ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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