(57)【要約】【課題】観察画面中に表示されるマニピュレータ先端側の湾曲方向を、マニピュレータの把持姿勢に拘わらず直感的に把握可能とする。【解決手段】マニピュレータ１の把持部６を、回転対称図形の断面形状を有する筒状部材で形成すると共に、把持部６の手元側端面に湾曲部３の湾曲操作を行うための操作子７を設ける。これにより、マニピュレータ１の捻り操作に伴って把持部６を握り替えた場合であっても、操作子７の操作方向と観察画像中に表示される湾曲部３の湾曲方向との関係を直感的に把握することが可能となり、操作性を向上することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
手元側の把持部を把持して先端側に設けた湾曲部を湾曲操作するマニピュレータであって、
前記把持部は、横方向断面を回転対称図形で形成した筒状部材で形成され、この筒状部材の手元側端面に前記湾曲部の湾曲操作入力を行う操作子が配設されていることを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
前記回転対称図形は、円形又は正多角形であることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
【請求項３】
前記筒状部材は、縦方向断面形状が矩形又は等脚台形であることを特徴とする請求項１又は２記載のマニピュレータ。
【請求項４】
前記回転対称図形の直径を、３０ｍｍ〜４５ｍｍの範囲とすることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
【請求項５】
前記操作子は、ジョイスティックであることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
【請求項６】
前記操作子は、トラックボールであることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
【請求項７】
前記マニピュレータは、前記湾曲部の先端側に医療用器具を備え、体腔内に挿入される内視鏡の挿入部内を挿通される医療用マニピュレータであることを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手元側の操作によって先端側を湾曲制御可能なマニピュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の作業を人間の腕、手に代わって行うマニピュレータは各種産業分野で利用されている。例えば、医療用の分野においては、鉗子やバルーン・カテーテル等の医療用器具を先端に備えたマニピュレータが知られており、また、工業用の分野においては、クラック・傷の研削を行うための研削具や溶接を行うための溶接具等を先端に備えたマニピュレータが知られている。
【０００３】
このようなマニピュレータには、操作者の手元操作によって先端部を所望の方向に向けることができるよう、先端側に湾曲部を備えるものがあり、体腔内等を観察する医療用の内視鏡や、ボイラー・ガスタービンエンジン・化学プラント等の配管・自動車エンジンの内部の傷や腐蝕等を観察する工業用の内視鏡等で手元側で湾曲操作を行う内視鏡も、マニピュレータとして捉えることができる。このマニピュレータの先端側の湾曲操作は、操作者が操作部を把持して行うため、従来から操作性を向上するための各種提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、先端側に先端部と作動部とを配置した挿入部と、この挿入部の手元側に設けられた操作部とを有する管状操作装置（内視鏡）に関して、挿入部の先端側に一端が固定される操作ワイヤーと、この操作ワイヤーの一部が巻回されるプーリーと、プーリーを回転させる駆動手段とを備え、プーリーが回転している際に、操作指示に応じて操作ワイヤーとプーリーとが弛緩状態で配置される状態よりも、操作ワイヤーがプーリーに密着して巻きつく状態の操作指示の操作力量を小さくすることで、操作ワイヤーを牽引する操作力量を低減させる技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、内視鏡の湾曲部を湾曲操作する電動湾曲機構の駆動モータを収納するモータ収納部を有する操作部本体を逆円錐形状に形成し、この逆円錐形状の底面に位置する端面に電動湾曲機構を操作するジョイスティックを配置することで、操作部を把持しやすくして操作性の向上を図る技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、内視鏡の手元操作部を、挿入部と略直交する円筒状に形成すると共に、この円筒状の左右両側を一対の把持部として形成し、中央に設けた湾曲操作ボタンを左右のどちらの手でも操作できるようにする技術が開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献４には、内視鏡等の光学装置を受容する主要チャネルと関節運動型手術ツールを受容する作業チャネルとを備えるガイドチューブを用いて、ユーザが片手で操作することができる制御器を介して少なくとも２自由度を制御することを可能とするシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３２５９５８号公報
【特許文献２】特開２００６−１４９８７８号公報
【特許文献３】特開平６−２１７９２７号公報
【特許文献４】特表２０１０−５１１４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１〜４に開示されているような従来のマニピュレータは、何れも操作者が把持する把持部に方向性がある。このため、マニピュレータ先端部の湾曲方向を観察画像中で確認しながら手元操作を行う際に捻り操作を行うと、操作方向と観察画像中に表示される先端側の湾曲方向との関係が直感的に把握し難くなり、操作性が低下する虞がある。
【００１０】
このような従来のマニピュレータは、例えば図５に示すように、マニピュレータ１００の先端側に湾曲可能な湾曲部１０１を備え、この湾曲部１０１が連設される軸部１０２の基端側に、操作者が把持する把持部１０３と湾曲部１０１の湾曲操作を行うためのジョイスティック１０４とを有する操作部１０５が連設されて構成されている。ジョイスティック１０４は、軸部１０２と同軸上に中立位置を有するように配置され、把持部１０３は操作者の把持し易さ等を優先した形状に形成されている。
【００１１】
このため、把持部１０３は操作者に方向感覚を与えることになり、図６（ｂ）に示すように、マニピュレータ先端の観察画面１１０を見ながら湾曲部１０１の湾曲操作を行う場合、図６（ａ）に矢印で示す方向にジョイスティック１０４を傾倒操作して湾曲部１０１を湾曲させた状態で、マニピュレータの捻り操作を行うと、図７（ａ）に示すように、把持部１０３が斜め方向を指向するようになり、無理な姿勢での操作を強いられる。従って、操作者は把持部１０３を握り替えてジョイスティック１０４を操作することになる。
【００１２】
このとき、図７（ｂ）に破線で示すように、湾曲部１０１を観察画面１１０の画面上部方向に湾曲させようとすると、把持部１０３が斜め方向を向いているため、把持部１０３から伝わる方向感覚と観察画面１１０中に表示される湾曲部１０１の湾曲方向との間のずれによって違和感が生じ、所望の方向に湾曲させる上で支障となる。
【００１３】
すなわち、把持部１０３が方向性を有しているため、図６の状態では、観察画面１１０に表示される湾曲部１０１の湾曲方向とジョイスティック１０４の傾倒操作方向とが一致するが、捻り操作を行った後の図７の状態では、観察画面１１０に表示される湾曲部１０１の湾曲方向と把持部１０３からの方向感覚によるジョイスティック１０４の傾倒操作方向とが一致しない。
【００１４】
従って、図７（ｂ）の画面上部方向に湾曲部１０１を湾曲させたいにも拘わらず、把持部１０３の方向感覚の影響でジョイスティック１０４を斜め方向に操作する可能性がある。このような従来のマニピュレータでは、把持部が方向性を有しているため、把持姿勢に起因する方向感覚に影響されることなく所望の方向に正しく湾曲操作するためには、煩雑な判断を要し、作業性が低下する虞がある。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、観察画面中に表示されるマニピュレータ先端側の湾曲方向を、マニピュレータの把持姿勢に拘わらず直感的に把握可能な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】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明によるマニピュレータは、手元側の把持部を把持して先端側に設けた湾曲部を湾曲操作するマニピュレータであって、前記把持部は、横方向断面を回転対称図形で形成した筒状部材で形成され、この筒状部材の手元側端面に前記湾曲部の湾曲操作入力を行う操作子が配設されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、観察画面中に表示されるマニピュレータ先端側の湾曲方向を、マニピュレータの把持姿勢に拘わらず直感的に把握することができ、作業性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】マニピュレータの概略図
【図２】マニピュレータの内視鏡装置への適用例を示す説明図
【図３】マニピュレータの操作部と画面表示される先端部を示す説明図
【図４】マニピュレータの捻り操作後の操作部と画面表示した先端部を示す説明図
【図５】従来のマニピュレータの概略図
【図６】従来のマニピュレータの操作部と画面表示した先端部を示す説明図
【図７】従来のマニピュレータの捻り操作後の操作部と画面表示した先端部を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。  
図１に示すように、本実施の形態におけるマニピュレータ１は、手元側の操作によって先端側を湾曲制御可能なマニピュレータであり、先端に装着されたた鉗子やメス等の処置具、或いは各種構造物のクラック・傷の研削を行うための研削具や溶接を行うための溶接具等の器具２と、器具２の方向を可変する湾曲部３と、この湾曲部３が連設される軸部４と、軸部４の基端側に設けられた操作部５とを有している。
【００２０】
湾曲部３及び軸部４は、人体の体腔内や構造物の管路内等に挿入可能な細長の形状に形成され、湾曲部３の内部には、多自由度の湾曲機構を構成する複数の関節が設けられている。これらの複数の関節によって構成される湾曲機構は、例えば、複数の湾曲駒をワイヤで連結し、このワイヤを機械的に牽引・弛緩する機構、或いはモータ等によって回転駆動されるプーリによってワイヤを巻回・弛緩する機構等の周知の湾曲機構で構成され、各湾曲駒の関節角度を変化させることで湾曲部３を所望の方向に湾曲させ、器具２を所望の方向に向ける。
【００２１】
操作部５は、操作者が把持する把持部６と、この把持部６の手元側端面に設けられ、湾曲部３の湾曲操作を行うための操作子７とを備えている。把持部６は、回転対称図形の断面形状を有する筒状部材で形成され、軸部４を中心として回転させたとき、操作者が正面や背面等の方向性を感じない回転対称性を有している。本実施の形態においては、把持部６は、軸部４と略直交する横方向の断面が円形で軸部４の長手方向となる縦方向の断面が矩形の円筒形に形成されている。
【００２２】
この把持部６の形状は、後述するように、マニピュレータ１の捻り操作に伴って把持部６を握り替えた場合であっても、操作子７の操作方向と観察画像中に表示される湾曲部３の湾曲方向との関係を直感的に把握可能としている。
【００２３】
操作子７は、湾曲部３を所望の方向に湾曲させるための操作入力を行うデバイスであり、ジョイスティック、トラックボール、タッチパッド等のポインティングデバイスや複数のスイッチ群等から構成することができる。本実施の形態においては、操作子７としてジョイスティックを用いており、把持部６基端面の中心軸を中立位置として、ジョイスティックの操作レバー７ａが中立位置を中心として所定の方向（中立位置を中心として十字方向或いは球面内の任意の方向）に傾倒可能に配設されており、操作レバー７ａの傾倒方向と傾倒量とに応じて湾曲部３を所望の方向及び変位量で湾曲させることができる。
【００２４】
尚、操作子（ジョイススティック）７は、操作レバー７ａが中立位置にあるとき、湾曲部３が直線状態にあり、操作レバー７ａを傾倒させた状態では、操作レバー７ａの傾倒状態を維持しつつ所定の方向に回動させ得るものとするが、操作レバー７ａを中立位置に戻した後に所望の方向に傾倒させ得るようにしても良い。
【００２５】
以下では、マニピュレータ１を、内視鏡と併用する医療用のマニピュレータとして適用する例について説明する。  
図２に示すように、本マニピュレータ１が適用される内視鏡装置１０は、体腔内等の所定部位を撮像する撮像素子（図示せず）を備えた内視鏡１１と、内視鏡１１に照明光を供給すると共に内視鏡１１から出力される撮像信号を信号処理するプロセッサ２０と、プロセッサ２０からの画像信号を受けて内視鏡１１による観察画像（内視鏡画像）を表示するモニタ２１とを主要構成としている。
【００２６】
内視鏡１１には、内視鏡画像の観察下において対象部位の処置を行うため、マニピュレータ１を着脱自在に装着することができる。また、マニピュレータ１がモータ等による電動湾曲機構を備える場合には、マニピュレータ１には、図示を省略するが、マニピュレータ１の操作子７（ジョイスティック）からの操作入力に応じて湾曲機構の駆動方向及び駆動力を制御するコントローラが接続される。
【００２７】
内視鏡１１は、体腔内等に挿入される細長の可撓性を有する挿入部１２を有し、この挿入部１２の基端側に操作部１３を備えている。操作部１３の側部からは、ユニバーサルコード１４が延出され、このユニバーサルコード１４を介してプロセッサ２０に着脱自在に接続される。本実施の形態においては、挿入部１２は、比較的硬質な部材により形成される先端部１２ａと、この先端部１２ａが連設される湾曲自在な湾曲部１２ｂとを有している。また、挿入部１２内には、管路としての処置具チャンネルが設けられ、操作部１３の基部側に設けられたチャンネル口金１５に連通されている。
【００２８】
また、図２においては図示を省略しているが、先端部１２ａの先端面には、被写体の像を結像する対物光学系、処置具チャンネルの先端側に連通する処置具突出口、図示しない光源から供給される照明光を出射するための照明光学系等が設けられ、対物光学系の結像位置に、被写体の像を撮像信号として出力するＣＣＤ（電荷結合素子）等の撮像素子が配設されている。
【００２９】
マニピュレータ１を用いて必要な処置を行う場合、マニピュレータ１の先端側の器具２及び湾曲部３を内視鏡１１のチャンネル口金１５から挿入し、内視鏡１１の挿入部１２の先端部１２ａから突出させる。そして、内視鏡１１による観察視野を治療対象部位に固定した状態で、マニピュレータ１の先端側をモニタしながら把持部６を把持して操作子７を操作し、マニピュレータ１の湾曲部３を湾曲させて先端の器具２を所望の方向に向け、必要な処置を行う。
【００３０】
このとき、図３（ａ）に示すように、操作子７の操作レバー７ａを図中の矢印方向に傾倒操作し、図３（ｂ）に示すように、モニタ２１の観察画面２１ａに映し出されるマニピュレータ１先端部の姿勢を基本姿勢として処置を行っているときに、マニピュレータ１を捻り操作する必要が生じた場合、把持部６が回転対称性を有しているため、従来のマニピュレータのように操作者が正面や背面等の方向性を感じることなく、直感的で違和感の無い操作を行うことができる。
【００３１】
すなわち、従来のマニピュレータは、把持部の形状に方向性があるため、マニピュレータを捻り操作した後、再度、マニピュレータ先端部を湾曲させる場合には、操作者は、把持部形状から生じる方向感覚に影響されることなく湾曲操作の操作方向を正しく決定しなければならない。特に、マニピュレータの捻り操作によって無理な姿勢を強いられ、把持部を握り替えた場合においては、把持部形状から生じる方向感覚と観察画面中に表示される湾曲部の湾曲方向とのずれが大きくなり、違和感が強くなるばかりでなく煩雑な判断を要することになり、作業性が低下する虞がある。
【００３２】
これに対して、本実施の形態におけるマニピュレータ１は、図３に示す基本姿勢の状態から捻り操作しても、把持部６が回転対称性を有しているため、湾曲操作方向が同じなら観察画面２１ａに表示されるマニピュレータ１の湾曲部３の動きも同じとなる。その結果、マニピュレータ１の把持姿勢に拘わらず操作子７の操作方向（本実施の形態においては、ジョイスティックからなる操作子７の操作レバー７ａの傾倒方向）と観察画面中の湾曲部３の湾曲方向とが一致し、直感的で円滑な操作を行うことが可能となる。
【００３３】
例えば、図３（ｂ）に示す観察画面中の湾曲部３の表示状態が捻り操作によって図４（ｂ）の姿勢に変化した状態で、同図中に破線で示すように画面上部方向に湾曲させようとする場合、操作者は天地を意識することなく、ジョイスティックからなる操作子７の操作レバー７ａを、図４（ａ）に矢印で示すように画面上の方向と同方向の上方向に傾倒操作するのみで良く、把持部６を握り替えた場合においても、把持姿勢の変化に対して操作レバー７ａの傾倒方向を改めて想到することなく直感的な操作を行うことができる。
【００３４】
特に、操作子７をジョイスティックに代えてトラックボールで構成する場合には、トラックボール自体は操作上の指向性を有しないことから、観察画面で見た通りの方向に湾曲操作を行えることは、操作者の負担を軽減する上で大きな利点となる。更には、マニピュレータ１の捻り角度によっては、把持部６を握り替えることなく、マニピュレータ１先端側を所望の方向に向けるように操作することも可能となる。
【００３５】
この場合、把持部６は、把持し易さを考慮して、横方向断面となる回転対称図形の直径（把持部６の横方向断面が正多角形である場合には、外接円の直径）が３０ｍｍ〜４５ｍｍの値の範囲に設定されている。前述したように、本実施の形態においては把持部６は円筒形状であり、横方向断面の直径ｄが３０ｍｍ≦ｄ≦４５ｍｍ程度に設定されている。また、把持部６は操作者が正面や背面等の方向性を感じない程度の回転対称性を有すれば良く、円形、正多角形、或いはこれらに準ずる形状の横方向断面と、矩形、樽形、等脚台形、太鼓形、鼓形、或いはこれらに準ずる形状の縦方向断面とを有する立体形状であれば良い。
【００３６】
尚、把持部６の横方向断面を正多角形とする場合には、辺の数ｎが偶数であることが好ましく、理想的にはｎ≧８であることが望ましい。また、把持部６の縦方向断面を等脚台形とする場合には、先端側に向かって細くなるテーパ形状とすることが好ましい。
【００３７】
また、本実施の形態におけるマニピュレータ１は、軸部４と把持部６とジョイスティックからなる操作子７の中立位置とが同一軸上に配置される例を示しているが、これらの配置には、操作者が方向性を感じない程度の若干のオフセットが許容される。
【００３８】
このように本実施の形態においては、マニピュレータの把持部が回転対称図形の断面形状で形成されているため、観察画面に表示されるマニピュレータ先端側の湾曲方向を、把持姿勢に拘わらず直感的に把握することができる。これにより、直感的で違和感の無いマニピュレータの湾曲操作が可能となり、作業性の向上を図ることができる。
【００３９】
更に、以上の実施の形態においては、マニピュレータとして、医療用のマニピュレータを例に取って説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、研削具や溶接具等を備えた工業用等のマニピュレータ、更には、他の内視鏡による観察下において使用する内視鏡自体として適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  マニピュレータ
２  器具
３  湾曲部
４  軸部
５  操作部
６  把持部
７  操作子
１１  内視鏡
１２  挿入部
１５  チャンネル口金
【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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