(57)【要約】【課題】  マスタ操作で作動するスレーブマニピュレータに複数自由度のパラレルリンク機構を用いて、遠隔操作でマイクロサージャリー等に対応する精細動作を適切に行わせて、術者の負担を軽減可能な微細作業支援システムを提供する。【解決手段】  マスタスレーブマニピュレータのスレーブ部２０における、固定側のベース２１に対しエンドエフェクタ２２を可動とするリンク機構として、複数自由度のパラレルリンク機構を用い、且つ、ベース２１に支持される複数のリニアアクチュエータ２４で各リンク２３一端部を移動させてエンドエフェクタ２２を動かすようにして、使用者のマスタ部の操作に応じてスレーブ部２０を作動させることから、エンドエフェクタ２２の精密な動きを実現可能とし、使用者の遠隔操作でも、エンドエフェクタ２２に微細作業に係る諸動作を行わせることができ、作業性を向上させて使用者の負担を軽減できる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスタスレーブ方式のマニピュレータを有し、当該マニピュレータのマスタ部に対する使用者の操作入力に対応して、スレーブ部が作業対象に対し微細作業に係る所定動作を実行する、微細作業支援システムにおいて、
前記作業対象を撮像する撮像部と、
当該撮像部で取得された作業対象の画像を拡大して使用者に視認可能に表示する表示部とを備え、
前記スレーブ部が、作業対象の存在する空間における所定箇所に支持されるベースと、作業対象又は作業用器具を取り扱うエンドエフェクタと、前記ベースとエンドエフェクタ間に並列に配置される複数のリンクとを有して、エンドエフェクタの位置及び向きをベースに対し所定範囲内で可変とする、３以上の複数自由度のパラレルリンク機構を備えてなり、
当該パラレルリンク機構が、ベースに支持された複数のリニアアクチュエータで各リンクごとにリンク一端部を直線移動させて、各リンク他端部と連結したエンドエフェクタを動かすものとされ、
前記エンドエフェクタが、パラレルリンク機構によるエンドエフェクタ全体の動きとは別の、１又は複数自由度の動きで作業対象又は作業用器具の取り扱いを実行する先端作動部と、当該先端作動部の前記作業対象又は作業用器具を取り扱う動きを発生させる液圧駆動機構とを有し、
前記マスタ部が、使用者の操作を受ける操作入力部と、前記パラレルリンク機構と同じ自由度で操作入力部を移動可能に支持しつつ、操作入力部の位置及び向きの情報を複数のセンサで取得可能とする支持機構部とを有し、
前記操作入力部が、操作入力部全体を動かす操作とは独立した使用者の所定の操作に対応して作動液の液圧変化を生じさせる入力機構を有すると共に、当該入力機構とスレーブ部のエンドエフェクタにおける液圧駆動機構とを、管を通じて作動液を流通可能として接続され、
前記液圧駆動機構が、操作入力部における使用者の前記入力機構の操作に伴う作動液の液圧変化を受けて、前記先端作動部を作動させることを
特徴とする微細作業支援システム。
【請求項２】
前記請求項１に記載の微細作業支援システムにおいて、
前記スレーブ部のリニアアクチュエータが、コイルを可動子の一部とすると共に、永久磁石を固定子の一部とする、コイル可動型のリニアモータとされ、
前記可動子が、前記ベースに対して直線移動可能として配設される直動スライダと、当該直動スライダに一体に取り付けられる円筒状配置のコイルとを有し、当該コイルが、コイル軸方向をスライダ移動方向と平行とする向きで配置され、
前記固定子が、前記コイルより短い円筒状の永久磁石を有し、当該永久磁石が、コイルと筒軸方向を一致させ、且つコイルが永久磁石の筒内空間部分を移動可能に貫通する配置状態として、前記ベースに固定されることを
特徴とする微細作業支援システム。
【請求項３】
前記請求項２に記載の微細作業支援システムにおいて、
前記リニアアクチュエータとしての各リニアモータが、それぞれ可動子移動方向を互いに平行としつつ、当該可動子移動方向と平行となる所定の仮想中心線の周りに、可動子のうちコイルが最も前記仮想中心線に近い側となる配置で並べられて、ベースに配設されてなり、
各リニアモータが、コイルの周囲で且つコイル可動範囲にわたって配置される所定断面形状の磁気シールド部材をそれぞれ有して、少なくとも各コイルを他のコイルに対し磁気シールド部材で遮蔽することを
特徴とする微細作業支援システム。
【請求項４】
前記請求項１ないし３のいずれかに記載の微細作業支援システムにおいて、
前記スレーブ部のパラレルリンク機構が、リニアアクチュエータ及びリンクを６つ以上並列配置した、６自由度以上の機構とされることを
特徴とする微細作業支援システム。
【請求項５】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載の微細作業支援システムにおいて、
前記スレーブ部のエンドエフェクタが、パラレルリンク機構における複数のリンク他端部と連結している連結部分に対して、少なくとも前記先端作動部を含む所定範囲部分を分離交換可能とされることを
特徴とする微細作業支援システム。
【請求項６】
前記請求項５に記載の微細作業支援システムにおいて、
前記エンドエフェクタの連結部分に対し分離交換可能な前記所定範囲部分を除くスレーブ部全体を覆うシート状のカバーを設け、
エンドエフェクタの前記所定範囲部分を、カバー配設状態でも前記継手部分に着脱可能とすることを
特徴とする微細作業支援システム。
【請求項７】
前記請求項１ないし６のいずれかに記載の微細作業支援システムにおいて、
前記操作入力部の入力機構が、使用者の操作に伴って往復動する内蔵ピストンの動きに対応してシリンダ内部の作動液室の容積が変化する液圧シリンダ機構を備え、
当該液圧シリンダ機構が、内蔵ピストンの動きに合わせて変形しつつ、シリンダ内部を内蔵ピストンのある領域と作動液室とに区画し、内蔵ピストンと作動液室間の液密状態を維持するローリングダイアフラムを有することを
特徴とする微細作業支援システム。
【請求項８】
前記請求項１ないし７のいずれかに記載の微細作業支援システムにおいて、
前記マスタ部の支持機構部が、使用者の操作入力部を移動させようとする操作力に対し反力としての制動力を発生可能とする制動部を有し、
当該制動部が、使用者の操作入力部への操作に対応して動かされるスレーブ部のエンドエフェクタが可動限界位置に達した場合に、マスタ部の操作入力部をスレーブ部側の可動限界の外に対応する領域に動かそうとするさらなる操作に対し、所定の制動力を付与するように作動することを
特徴とする微細作業支援システム。
【請求項９】
人に代わって作業対象に対し微細作業に係る所定動作を実行する微細作業用のマニピュレータにおいて、
作業対象の存在する空間における所定箇所に支持されるベースと、作業対象又は作業用器具を取り扱うエンドエフェクタと、前記ベースとエンドエフェクタ間に並列に配置される複数のリンクとを有して、エンドエフェクタの位置及び向きをベースに対し所定範囲内で可変とする、３以上の複数自由度のパラレルリンク機構を備え、
当該パラレルリンク機構が、ベースに支持された複数のリニアアクチュエータで各リンクごとにリンク一端部を直線移動させて、各リンク他端部と連結したエンドエフェクタを動かすものとされ、
前記エンドエフェクタが、パラレルリンク機構による全体の動きとは別の、１又は複数自由度の動きで作業対象又は作業用器具の取り扱いを実行する先端作動部と、当該先端作動部の前記作業対象又は作業用器具を取り扱う動きを発生させる液圧駆動機構とを有し、
前記液圧駆動機構に対し外部から作動液の液圧変化を与えて、前記先端作動部の前記作業対象又は作業用器具を取り扱う動きを生じさせることを
特徴とする微細作業用マニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠隔操作により微細な対象を取り扱う動作を実行して作業を支援する微細作業支援システムに関し、特に、マイクロサージャリーや、小動物等の生体の精密な取り扱い、細胞等微細物の取り扱いなどに対応した精密動作が可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
整形外科や形成外科に係る手術や欠損部再建手術等における、直径０．５ないし２ｍｍ程度の細い血管や神経、リンパ管の吻合など、微細な手術対象に対して顕微鏡下で手術を行う、いわゆるマイクロサージャリーは、手術対象が小さいため、極めて精密で正確な作業が要求され、手術は熟練を要するものとなっている。また、手術はその困難性から長時間に及ぶものとなりやすく、そうした長時間にわたる手術の場合、術者の負担も大きくなる。こういった点から、マイクロサージャリーは、その必要性に比較して手術可能な術者が限られ、頻繁に手術を実施することはできなかった。
【０００３】
ここで、近年技術的に大幅に進歩したマニピュレータ（ロボット）の活用を検討すると、マスタスレーブマニピュレータは人の動きをそのまま再現するだけに留まらず、人の動きを縮小した動作が可能であり、精密に動作するマニピュレータで手術に係る動作を肩代わりすれば、手ぶれ等の影響を排除して精度を確保した上で、術者の負担を減らし、手術の能率向上が期待できる。
【０００４】
マイクロサージャリー以外の手術、例えば、内視鏡手術では、既にマニピュレータを介した遠隔手術が実用化されており、人より可動域が大きいことによる作業性向上の点や、術者は常に作業しやすい姿勢で且つ視野が確保された状態で操作が行えるなどのメリットにより、術者の負担を減らすことに成功している。
【０００５】
一例として、マスタスレーブ方式のマニピュレータを用いて遠隔で手術に係る動作を行えるようにする従来の内視鏡手術用システムが、特表２０１５−５２５０９５号公報に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１５−５２５０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の手術用システムは前記特許文献に示される構成となっており、手術に係る動作を実行するスレーブ側のマニピュレータでは、多自由度を実現する可動機構として、内視鏡手術の特質上、可動範囲（作業領域）を大きくできるシリアルリンク機構が採用されている。
【０００８】
こうした従来の内視鏡手術用のマニピュレータを、マイクロサージャリーに応用することは容易に考えられる。しかしながら、精密な作業を要求されるマイクロサージャリーでは、リンクの移動誤差が累積する分大きくなるなどの、シリアルリンク機構特有の欠点が手術の実行に大きく影響するため、従来のマニピュレータのマイクロサージャリーへの応用は極めて難しかった。
【０００９】
このような事情もあり、マイクロサージャリーに適用できるような精密な動きを実現したマニピュレータはこれまで実用化されておらず、マイクロサージャリーの分野では、マニピュレータを含む手術用システムは、術者に代わって手術を実行する用途では採用できず、術者の負担軽減を図ることができない、という課題を有していた。
【００１０】
本発明は前記課題を解消するためになされたもので、マスタの操作で作動するスレーブマニピュレータに複数自由度のパラレルリンク機構を採用して、マイクロサージャリー等の微細作業に対応した精細な動作を可能とし、遠隔操作で作業に係る動作を適切に行わせて効率よく作業支援が行え、作業者の負担を軽減可能な微細作業支援システム、及びこれに用いる微細作業用マニピュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る微細作業システムは、マスタスレーブ方式のマニピュレータを有し、当該マニピュレータのマスタ部に対する使用者の操作入力に対応して、スレーブ部が作業対象に対し微細作業に係る所定動作を実行する、微細作業支援システムにおいて、前記作業対象を撮像する撮像部と、当該撮像部で取得された作業対象の画像を拡大して使用者に視認可能に表示する表示部とを備え、前記スレーブ部が、作業対象の存在する空間における所定箇所に支持されるベースと、作業対象又は作業用器具を取り扱うエンドエフェクタと、前記ベースとエンドエフェクタ間に並列に配置される複数のリンクとを有して、エンドエフェクタの位置及び向きをベースに対し所定範囲内で可変とする、３以上の複数自由度のパラレルリンク機構を備えてなり、当該パラレルリンク機構が、ベースに支持された複数のリニアアクチュエータで各リンクごとにリンク一端部を直線移動させて、各リンク他端部と連結したエンドエフェクタを動かすものとされ、前記エンドエフェクタが、パラレルリンク機構によるエンドエフェクタ全体の動きとは別の、１又は複数自由度の動きで作業対象又は作業用器具の取り扱いを実行する先端作動部と、当該先端作動部の前記作業対象又は作業用器具を取り扱う動きを発生させる液圧駆動機構とを有し、前記マスタ部が、使用者の操作を受ける操作入力部と、前記パラレルリンク機構と同じ自由度で操作入力部を移動可能に支持しつつ、操作入力部の位置及び向きの情報を複数のセンサで取得可能とする支持機構部とを有し、前記操作入力部が、操作入力部全体を動かす操作とは独立した使用者の所定の操作に対応して作動液の液圧変化を生じさせる入力機構を有すると共に、当該入力機構とスレーブ部のエンドエフェクタにおける液圧駆動機構とを、管を通じて作動液を流通可能として接続され、前記液圧駆動機構が、操作入力部における使用者の前記入力機構の操作に伴う作動液の液圧変化を受けて、前記先端作動部を作動させるものである。
【００１２】
このように本発明によれば、マスタスレーブマニピュレータのスレーブ部における、固定側のベースに対しエンドエフェクタを可動とするリンク機構として、複数自由度のパラレルリンク機構を用い、且つ、ベースに支持される複数のリニアアクチュエータで各リンク一端部を移動させてエンドエフェクタを動かすようにし、マスタ部の操作入力部の位置や向きを変化させる使用者の操作に応じて、スレーブ部のリニアアクチュエータを作動させ、エンドエフェクタの位置及び向きを変えることにより、誤差が累積しにくい簡略で剛性の高いリンク機構でエンドエフェクタの精密な動きを実現可能とし、表示された撮像画像を見ながらの使用者の遠隔操作でも、エンドエフェクタに例えばマイクロサージャリー等の微細作業に係る諸動作を行わせることができ、熟練した作業者の手技と同等の動作を再現可能としつつ、作業性を向上させて使用者の負担を軽減できる。
【００１３】
また、エンドエフェクタのうち、実際に微細な作業対象又は作業用器具の取り扱いを実行する先端作動部を、液圧駆動で作動するものとし、操作入力部における入力機構への使用者の操作を、液圧変化としてエンドエフェクタ側に伝えて、先端作動部を動かすことにより、操作入力部とエンドエフェクタ間に流通する作動液を介して、使用者の操作力にほぼ比例した駆動力で先端作動部を動かすことができると共に、先端作動部に加わる反力を液圧伝達系統を介して入力機構側にフィードバックでき、先端作動部が任意の物体に接している状態を使用者が入力機構の操作感から適度に感じ取りながら、先端作動部で微細な作業対象や作業用器具に対し過大な力を加えることなくこれらを取り扱うことができ、操作性に優れ、微細作業を安全に進められる。さらに、先端作動部を液圧駆動とすることで、先端作動部にはモータ駆動の場合のような力検出用のセンサを設けずに済むこととなり、センサの較正等の煩わしい作業を不要にする他、エンドエフェクタの小型化が可能となり、例えば手術使用時のエンドエフェクタに対する滅菌作業も容易となる。
【００１４】
また、本発明に係る微細作業システムは必要に応じて、前記スレーブ部のリニアアクチュエータが、コイルを可動子の一部とすると共に、永久磁石を固定子の一部とする、コイル可動型のリニアモータとされ、前記可動子が、前記ベースに対して直線移動可能として配設される直動スライダと、当該直動スライダに一体に取り付けられる円筒状配置のコイルとを有し、当該コイルが、コイル軸方向をスライダ移動方向と平行とする向きで配置され、前記固定子が、前記コイルより短い円筒状の永久磁石を有し、当該永久磁石が、コイルと筒軸方向を一致させ、且つコイルが永久磁石の筒内空間部分を移動可能に貫通する配置状態として、前記ベースに固定されるものである。
【００１５】
このように本発明によれば、スレーブ部のリニアアクチュエータをリニアモータとし、これらリニアモータのコイルを可動子の一部として直動スライダと一体に直線移動可能に配設すると共に、永久磁石を固定子の一部としてその内部をコイルが貫通するようにして固定配置することにより、アクチュエータとして部品点数及び機械的な可動部分が少ないリニアモータを採用し、摺動や転動を伴う接触部分を減らして摩擦抵抗が抑えられる分、このリニアモータからなるアクチュエータを作動させて各リンク一端部を移動させ、エンドエフェクタを動かす際の応答性に優れる上、駆動に要する電力消費を抑えられることとなる。また、周囲に及ぼす磁場の影響がコイルより大きい永久磁石を固定子として、必要最小限の配置とする一方、磁場の周囲への影響が比較的少ないコイルを可動子として動かすことで、リニアモータを作動させてリンクを動かす際に、複数のリニアモータ同士の磁気的干渉によるリニアモータの作動異常を抑制でき、より精度よくリニアモータを作動させて、エンドエフェクタを所望の位置及び向きとした状態が得られる。
【００１６】
また、本発明に係る微細作業システムは必要に応じて、前記リニアアクチュエータとしての各リニアモータが、それぞれ可動子移動方向を互いに平行としつつ、当該可動子移動方向と平行となる所定の仮想中心線の周りに、可動子のうちコイルが最も前記仮想中心線に近い側となる配置で並べられて、ベースに配設されてなり、各リニアモータが、コイルの周囲で且つコイル可動範囲にわたって配置される所定断面形状の磁気シールド部材をそれぞれ有して、少なくとも各コイルを他のコイルに対し磁気シールド部材で遮蔽するものである。
【００１７】
このように本発明によれば、スレーブ部のリニアアクチュエータをなす各リニアモータを、各可動子の移動方向が平行となるようにして所定の仮想中心線の周りに並べて配置し、且つ可動子のコイルをリニアモータ群の中央寄りに集めた状態とすることにより、複数のリニアモータにおける可動子のコイルを仮想中心線寄りにまとめる一方、コイルと一体の直動スライダをその外側に配置して、全体としてコンパクトな構造とすることができ、作業対象近傍にスレーブ部を複数配置可能として、複数のスレーブ部の連係作業による微細作業の効率化が図れるほか、コンパクト化に伴ってスレーブ部の周囲に作業者の作業可能な空間を設けることができ、スレーブ部と作業者との共同作業による微細作業の安全性、信頼性の向上も期待できる。さらに、各リニアモータのコイル周囲に磁気シールド部材を配設することで、複数のリニアモータのコイル同士を近接配置しても、リニアモータ作動時にコイルに生じる磁場による他のリニアモータへの影響を確実に防止でき、スレーブ部のコンパクト化と、リニアモータの高精度の作動によるエンドエフェクタの正確な動作を両立できる。
【００１８】
また、本発明に係る微細作業システムは必要に応じて、前記スレーブ部のパラレルリンク機構が、リニアアクチュエータ及びリンクを６つ以上並列配置した、６自由度以上の機構とされるものである。
【００１９】
このように本発明によれば、スレーブ部のパラレルリンク機構を６自由度以上のリンク機構とすることにより、手の動作とほぼ同じ動作をエンドエフェクタで再現でき、エンドエフェクタに微細作業に係る動作を適切に行わせることができ、効率よく微細作業を進められる。
【００２０】
また、本発明に係る微細作業システムは必要に応じて、前記スレーブ部のエンドエフェクタが、パラレルリンク機構における複数のリンク他端部と連結している連結部分に対して、少なくとも前記先端作動部を含む所定範囲部分を分離交換可能とされるものである。
【００２１】
このように本発明によれば、スレーブ部のエンドエフェクタにおけるリンクとの連結部分を除く前記所定範囲部分を分離交換可能として、必要に応じて前記部分を交換してエンドエフェクタに別の機能を付与できることにより、作業中に作業過程や用途に応じてエンドエフェクタの前記所定範囲部分を一又は複数回交換して、状況に応じた動作を行わせることができ、微細作業として一連に行う各種作業の能率を高められる。
【００２２】
また、本発明に係る微細作業システムは必要に応じて、前記エンドエフェクタの連結部分に対し分離交換可能な前記所定範囲部分を除くスレーブ部全体を覆うシート状のカバーを設け、エンドエフェクタの前記所定範囲部分を、カバー配設状態でも前記継手部分に着脱可能とするものである。
【００２３】
このように本発明によれば、スレーブ部における、実際に作業対象に近接するエンドエフェクタの前記所定範囲部分以外の部位を覆うカバーを設けて、このカバーで、エンドエフェクタの前記所定範囲部分及び作業対象のある領域から、スレーブ部他部のある領域を隔離することにより、例えば手術等への適用の際に、可動機構の存在により滅菌作業ができず清浄性を確保しにくいスレーブ部他部を菌等を通過させないカバーで覆って、これらの部位からの菌等の侵入を確実に防ぐ一方、比較的簡略な構造とされて滅菌処理が可能であるエンドエフェクタの前記所定範囲部分に対しては、スレーブ部他部の可動機構に影響を与えることなく、手術対象や手術用器具を実際に取り扱う部分として確実に滅菌等処理を施すことができ、手術対象のある領域の清浄性を確保できる。
【００２４】
また、本発明に係る微細作業システムは必要に応じて、前記操作入力部の入力機構が、使用者の操作に伴って往復動する内蔵ピストンの動きに対応してシリンダ内部の作動液室の容積が変化する液圧シリンダ機構を備え、当該液圧シリンダ機構が、内蔵ピストンの動きに合わせて変形しつつ、シリンダ内部を内蔵ピストンのある領域と作動液室とに区画し、内蔵ピストンと作動液室間の液密状態を維持するローリングダイアフラムを有するものである。
【００２５】
このように本発明によれば、操作入力部の入力機構としてローリングダイアフラムを内蔵する液圧シリンダ機構を配設し、使用者の操作に伴って液圧シリンダ機構の内蔵ピストンが動くのに対応してローリングダイアフラムが変形しながら、シリンダ内部における内蔵ピストンと作動液室との間の液密状態を保持して、内蔵ピストンと作動液との間で圧力を損失なく伝達させることにより、シリンダ内部の液密状態を確保しつつ内蔵ピストンを動かす際の摩擦抵抗を抑えて、入力機構の操作で内蔵ピストンをスムーズに動かして液圧を変化させられ、使用者は入力機構を軽い力で容易に操作でき、操作性向上が図れる。
【００２６】
また、本発明に係る微細作業システムは必要に応じて、前記マスタ部の支持機構部が、使用者の操作入力部を移動させようとする操作力に対し反力としての制動力を発生可能とする制動部を有し、当該制動部が、使用者の操作入力部への操作に対応して動かされるスレーブ部のエンドエフェクタが可動限界位置に達した場合に、マスタ部の操作入力部をスレーブ部側の可動限界の外に対応する領域に動かそうとするさらなる操作に対し、所定の制動力を付与するように作動するものである。
【００２７】
このように本発明によれば、マスタ部の支持機構部に、操作入力部を移動させようとする操作力に対し制動力を発生させる制動部を設け、スレーブ部のエンドエフェクタが可動限界位置に至ると、マスタ部の操作入力部をエンドエフェクタの可動限界の外に対応する領域にさらに動かそうと操作した場合に、制動部を作動させて、操作入力部の動かそうとする操作力に対し抵抗となる制動力を付加し、操作入力部を操作する使用者に対し抵抗力を感じ取らせて注意を喚起することにより、マスタ部を操作中の使用者に、エンドエフェクタが可動限界まで移動してそれ以上先に動かせないことを確実に認識させられ、操作入力部を過剰に移動させずに済むこととなり、使用者は操作入力部を効率よく操作でき、操作入力部を介して行う微細作業の能率を高められる。
【００２８】
また、本発明に係る微細作業用マニピュレータは、人に代わって作業対象に対し微細作業に係る所定動作を実行する微細作業用のマニピュレータにおいて、作業対象の存在する空間における所定箇所に支持されるベースと、作業対象又は作業用器具を取り扱うエンドエフェクタと、前記ベースとエンドエフェクタ間に並列に配置される複数のリンクとを有して、エンドエフェクタの位置及び向きをベースに対し所定範囲内で可変とする、３以上の複数自由度のパラレルリンク機構を備え、当該パラレルリンク機構が、ベースに支持された複数のリニアアクチュエータで各リンクごとにリンク一端部を直線移動させて、各リンク他端部と連結したエンドエフェクタを動かすものとされ、前記エンドエフェクタが、パラレルリンク機構による全体の動きとは別の、１又は複数自由度の動きで作業対象又は作業用器具の取り扱いを実行する先端作動部と、当該先端作動部の前記作業対象又は作業用器具を取り扱う動きを発生させる液圧駆動機構とを有し、前記液圧駆動機構に対し外部から作動液の液圧変化を与えて、前記先端作動部の前記作業対象又は作業用器具を取り扱う動きを生じさせるものである。
【００２９】
このように本発明によれば、マニピュレータにおける固定側のベースに対しエンドエフェクタを可動とするリンク機構として、複数自由度のパラレルリンク機構を用い、且つ、ベースに支持される複数のリニアアクチュエータで各リンク一端部を移動させてエンドエフェクタを動かすようにし、エンドエフェクタの位置や向きに係る所定の指示設定に対応して、リニアアクチュエータを作動させ、エンドエフェクタの位置及び向きを変えることにより、誤差が累積しにくい簡略で剛性の高いリンク機構でエンドエフェクタの精密な動きを実現可能とし、エンドエフェクタに微細作業で要求されるような微細で正確な諸動作を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムにおけるマスタ部の概略斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのマスタ部における操作入力部のレバー部解放状態説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのマスタ部における操作入力部のレバー部挟持状態説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムにおけるスレーブ部の概略斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるリニアアクチュエータ部分の概略斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるリニアアクチュエータ部分の一部切欠正面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるベースの斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるリニアアクチュエータのうちリニアモータ固定子及び磁気シールド部材の概略構成図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるリニアアクチュエータのうちリニアモータ可動子の概略構成図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるリニアアクチュエータの可動子最大進出状態説明図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるリニアアクチュエータの可動子後退状態説明図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるエンドエフェクタ及びリンクの概略構成図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるリンクの斜視図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるエンドエフェクタの先端作動部取付け状態説明図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるエンドエフェクタの先端作動部取外し状態説明図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるエンドエフェクタ先端作動部の鉗子部分開状態説明図である。
【図１８】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるエンドエフェクタ先端作動部の鉗子部分閉状態説明図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるエンドエフェクタの第一の向き調整動作状態説明図である。
【図２０】本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムのスレーブ部におけるエンドエフェクタの第二の向き調整動作状態説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態に係る微細作業支援システムを前記図１ないし図２０に基づいて説明する。本実施形態では、微細作業としてのマイクロサージャリーに対応した手術支援用のシステム例について説明する。
【００３２】
前記各図において本実施形態に係る微細作業支援システム１は、マスタスレーブ方式のマニピュレータであるマスタ部１０及びスレーブ部２０と、手術対象を撮像する撮像部３０と、この撮像部３０で取得された手術対象の画像を拡大して使用者に視認可能に表示する表示部４０と、使用者により動かされるマスタ部１０に対応させてスレーブ部２０を動かす制御を行う制御部５０とを備える構成である。
【００３３】
前記マスタ部１０は、使用者の操作を受ける操作入力部１１と、この操作入力部１１を移動可能に支持しつつ、操作入力部１１の位置及び向きの情報を取得可能とする支持機構部１２とを備える構成である。
【００３４】
前記操作入力部１１は、手指で持てる大きさの略棒状体で形成され、支持機構部１２の端部に連結されて位置及び向きを可変として支持される構成である（図２参照）。この操作入力部１１は、操作入力部１１全体を動かす操作とは独立した、使用者の操作入力部１１の一部を動かす所定の操作に対応して作動液の液圧変化を生じさせる入力機構１３を備える構成である。
【００３５】
この操作入力部１１には、入力機構１３以外の他の入力手段（例えば、スイッチなど）を設けるようにしてもよく、操作入力部１１全体を動かす操作中に、例えば、撮像部や表示部の操作、マスタ部移動量に対するスレーブ部移動量の比率の切替え、手術対象に対する視点の切替え、操作対象とするスレーブ部の切替え、先端作動部としてのエネルギーデバイスの使用開始と終了、エンドエフェクタから洗浄水を吐出する、などの操作指示も可能となる。
【００３６】
入力機構１３は、操作入力部１１外周部の対向する二箇所にそれぞれ一部露出する配置として取り付けられ、使用者の二つの指で挟むようにして操作入力部内方へ押す操作により各々揺動可能とされる一対のレバー部１３ａと、操作入力部１１に内蔵され、レバー部１３ａの動きに連動するロッド１３ｃ及びピストン１３ｄの移動に伴って作動液（例えば、水や油など）の液圧変化を生じさせる液圧シリンダ部１３ｂと、使用者のレバー部１３ａを押さえる操作によるロッド１３ｃ移動に伴って押し縮められる一方、使用者がレバー部１３ａを解放した場合には、弾性復元力によりロッド１３ｃを動かしてレバー部１３ａを当初位置に復帰させるように付勢可能として、操作入力部１１に内蔵されるばね１３ｅとを有する構成である。
【００３７】
液圧シリンダ部１３ｂは、使用者のレバー部１３ａ操作に伴って往復動するピストン１３ｄの動きに対応して、シリンダ内部の作動液室１３ｆの容積が変化することで（図３、図４参照）、作動液の液圧変化を与えるものである。この液圧シリンダ部１３ｂのピストン１３ｄと作動液室１３ｆ間には、ピストン１３ｄの動きに合わせて変形しつつ、シリンダ内部をピストン１３ｄのある領域と作動液室１３ｆとに区画し、ピストン１３ｄと作動液室１３ｆ間の液密状態を維持するローリングダイアフラム１３ｇが設けられる。
【００３８】
そして、この入力機構１３の液圧シリンダ部１３ｂと、スレーブ部２０側に設けられる所定の液圧駆動機構２８とが、管６０を通じて作動液を流通可能として接続されることとなる。
【００３９】
液圧シリンダ部１３ｂにローリングダイアフラム１３ｇが内蔵され、作動液室１３ｆの液密状態を確保しつつ、ピストン１３ｄをシリンダ内で抵抗なくスムーズに動かせることで、使用者は入力機構１３のレバー部１３ａを軽い力で容易に操作でき、操作性に優れる。
【００４０】
前記支持機構部１２は、複数のリンク１２ａを、各々隣接する他リンクに対する回転を許容する１自由度の継手で相互に連結して、６自由度を有するシリアルリンク機構とされ、操作入力部１１を、少なくともスレーブ部２０のエンドエフェクタ可動範囲より広い所定範囲での自由な位置及び向きの変化を許容しつつ支持するものである。支持機構部１２におけるリンク間の各継手ごとに、前記センサとしてリンクごとの相対回転量を検出するエンコーダ部１２ｂ、及び、使用者の操作力に対し必要に応じて反力としての制動力を発生させる制動部１２ｃが設けられる。
【００４１】
こうして、支持機構部１２は、後述するスレーブ部２０のパラレルリンク機構と同じ６自由度で操作入力部１１を移動可能に支持しつつ、その自由度に対応した操作入力部１１の位置及び向きの情報を各エンコーダ部１２ｂの出力信号として取得可能としている。これにより、使用者が操作入力部１１を操作すると、制御部５０が、各エンコーダ部１２ｂの出力信号に基づき、スレーブ部２０のエンドエフェクタ２２が目標の位置及び向きとなるようにする各アクチュエータの作動制御を実行する。そして、各アクチュエータの作動により、エンドエフェクタ２２を操作入力部１１の位置及び向きの変化に対応した所望の位置及び向きとなるように動かせる仕組みである。
【００４２】
また、支持機構部１２は、各リンク１２ａを連結する継手ごとに、エンコーダ部１２ｂと共に、使用者の操作入力部１１を移動させようとする操作力に対し制動力を発生可能とする制動部１２ｃを有する（図２参照）。各制動部１２ｃは、詳細には、操作による操作入力部１１の移動を生じさせるような各継手におけるリンク１２ａの相対回転、を抑制する向きの相対的な力をそれぞれ発生させることとなる。この制動部１２ｃは、例えば公知の電磁クラッチとダンパの組合せからなり、通常は継手から切り離されているダンパを、クラッチへの通電により継手と接続して、ダンパによる制動をリンク間の相対回転に作用させるものである。
【００４３】
使用者の操作入力部１１を動かす操作に対応してエンドエフェクタ２２が動作を行っている中で、使用者の操作に応じて動いたスレーブ部２０のエンドエフェクタ２２が、リンク２３又はリニアアクチュエータ２４の機構的な制約に基づく可動限界位置に達すると、それを検出、判定した制御部５０が、操作入力部１１をスレーブ部側の可動限界の外に対応する領域にさらに動かそうとする使用者の継続的な操作に対し、制動部１２ｃを作動させ、ダンパによる制動が負荷抵抗として加わるようにする仕組みである。制動により操作入力部１１を操作中の使用者に注意を喚起して、あらためてエンドエフェクタ２２をそれ以上先に動かせない点を認識させ、操作入力部１１をさらに先へ移動させようとするなどの使用者の無駄な操作を行わせないようにすることができ、操作の効率化を図れる。
【００４４】
前記スレーブ部２０は、手術対象の存在する空間における所定箇所にスタンド等を介して支持されるベース２１と、手術対象又は手術用器具を取り扱うエンドエフェクタ２２と、前記ベース２１とエンドエフェクタ２２間に並列に配置される六つのリンク２３と、ベース２１に支持されて各リンク２３を動かす六つのリニアアクチュエータ２４とを備える構成である（図５参照）。
【００４５】
これらスレーブ部２０をなすベース２１、エンドエフェクタ２２、リンク２３、及びリニアアクチュエータ２４が、各リンク２３ごとにリニアアクチュエータ２４でリンク一端部を直線移動させて、各リンク他端部と連結したエンドエフェクタ２２を動かす仕組みの、６自由度のパラレルリンク機構を構成している。
【００４６】
このパラレルリンク機構は、手術対象又は手術用器具を取り扱うエンドエフェクタ２２の位置及び向きをベース２１に対し所定範囲内で可変とするものであるが、６自由度を有することで、先端のエンドエフェクタ２２に手で支持する場合と同等の動きを与えられる。
【００４７】
前記ベース２１は、リニアアクチュエータ２４の二つを一組として取り付ける取付部分を外周に対称に三箇所有する正面視略三角形状の枠体であり（図７参照）、リニアアクチュエータ等を可動状態で、且つそれらの作動の反動による変形等の影響を受けることなく支持可能な、剛性の高い材質で形成される構成である。このベース２１自体は手術対象の存在する空間の所定箇所に固定支持される。
【００４８】
前記リニアアクチュエータ２４は、コイル２５ｂを可動子２５の一部とすると共に、永久磁石２６ｂを固定子２６の一部とする、コイル可動型のリニアモータとされる構成である。
【００４９】
前記可動子２５は、ベース２１に対し直線移動可能に配設される略レール状の直動スライダ２５ａと、この直動スライダ２５ａに対しスライダ移動方向と平行となる向きで一体に取り付けられる細い円筒状配置のコイル２５ｂと、このコイル２５ｂの取り付けられる側と反対側となる直動スライダ２５ａの所定部位にスライダ移動方向と平行となる向きで一体に取り付けられるリニアスケール２５ｃとを備える構成である（図１０参照）。この可動子２５における直動スライダ２５ａの先端に、リンク２３の一端部が連結固定され、このリンク２３の一端部が直動スライダ２５ａをはじめとする可動子２５と共に直線移動することとなる。
【００５０】
前記固定子２６は、可動子２５の直動スライダ２５ａを案内用ローラ等を介して直線移動可能に挟持しつつ、ベース２１の外周に取り付けられるガイド部２６ａと、前記コイル２５ｂより太く且つ短い円筒状に形成され、ベース２１内に取り付けられる永久磁石２６ｂと、前記リニアスケール２５ｃに対向するようにガイド部２６ａに取り付けられ、リニアスケール変位として可動子の移動量を検出するセンサ部２６ｃとを備える構成である。
【００５１】
この固定子２６では、ベース２１内に取り付けられる円筒状の永久磁石２６ｂ（図８参照）が、可動子２５のコイル２５ｂと筒軸方向を一致させ、且つコイル２５ｂが永久磁石２６ｂの筒内空間部分を移動可能に貫通する配置状態とされる。
【００５２】
このようにリニアアクチュエータ２４をリニアモータとしていることで、ボールねじなどの他の直動機構と比べて、機械的な可動部分を削減できる上、摺動や転動を伴う接触部分を減らすことができ、バックラッシも生じさせず、機構としての信頼性を高めると共に、摩擦抵抗を減らして駆動に要する電力消費を抑えられることとなる。
【００５３】
可動子２５及び固定子２６からなるリニアモータである各アクチュエータ２４は、ベース２１に対し、それぞれ可動子移動方向を互いに平行としつつ、この可動子移動方向と平行となり、且つベース２１の中心を通る所定の仮想中心線の周りに、固定子２６の永久磁石２６ｂ及び可動子２５のコイル２５ｂが最も前記仮想中心線に近い側となり、且つ仮想中心線の周りで各永久磁石２６ｂ同士及び各コイル２５ｂ同士が等間隔となる配置で、並べて配設された状態となっている。
【００５４】
この他、各リニアアクチュエータ２４においては、固定子をなす永久磁石２６ｂの軸方向両側の、コイル２５ｂの移動経路の周囲で且つコイル移動範囲にわたる所定部位に、それぞれ磁気シールド部材２６ｄが固定配設される。これら磁気シールド部材２６ｄで、可動子２５のコイル２５ｂを、近くに位置する他のコイルに対し磁気遮蔽する仕組みである。
【００５５】
各磁気シールド部材２６ｄは、鋼等の磁性のある金属材で形成され、円筒体の一部をスリット状に切欠くと共に、この切欠き部分の周縁のうち円筒軸方向に平行な縁部に、細長い板材を円筒外方へ起立状態として連結一体化した構造を有するものである。磁気シールド部材２６ｄは、直線移動するコイル２５ｂの移動経路に沿ってコイルより長くして配設され、コイル２５ｂと直動スライダ２５ａ間に挟まれる箇所に開放したスリット部分を位置させており、こうしてシールド部材の一部をスリット状に開放していることで、コイル相互間の磁気的影響を抑えるシールド性能を確保しつつ、コイル２５ｂ端部の直動スライダ２５ａとの連結用ブラケット２５ｄを無理なく通して、コイル２５ｂを直動スライダ２５ａと一体に移動可能とする構成である。
【００５６】
なお、固定子２６をなす永久磁石２６ｂは、その筒内空間部分を貫通して一組のリニアモータをなすコイル２５ｂ以外の他コイルにも近付いた配置となっているが、固定される永久磁石２６ｂは、コイル２５ｂとは異なり磁場の変動がないことから、前記他の各コイル２５ｂの移動に対し磁気的影響を与えるものとはならない。
【００５７】
この他、ベース２１周囲に複数配設した各リニアアクチュエータ２４の外側には、板状の磁気シールド部材２６ｅ、２６ｆが、ほぼコイル移動範囲にわたる配置として固定配設される。これら磁気シールド部材２６ｅ、２６ｆは、永久磁石２６ｂにより発生している固定磁場を主に外部に対し遮蔽するものであり、例えば注射針などの磁性体製器具が各リニアアクチュエータ２４に吸着されないようにすることができる。
【００５８】
リニアアクチュエータ２４をなすリニアモータについては、可動子２５のコイル２５ｂを、前記仮想中心線に近い、配置の中心寄りとすると共に、可動子２５の直動スライダ２５ａをその外側に位置させ、さらに外側にリニアスケール２５ｃが位置するようにして、可動子２５の移動量を検出するセンサ部２６ｃをアクチュエータ２４群の最外周部分に位置させ、各コイル２５ｂから離隔させることに加え、板状のシールド部材２６ｅより外側に配置することで、コイル２５ｂ及び永久磁石２６ｂからセンサ部２６ｃへの磁気的影響も抑えられる。
【００５９】
また、リニアアクチュエータ２４をなす各リニアモータの可動子２５及び固定子２６を前記仮想中心線周りに並べた配置とすると共に、各コイル２５ｂ周囲に磁気シールド部材２６ｄを配設し、さらに外側に磁気シールド部材２６ｅ、２６ｆを配設していることで、スレーブ部２０のリニアアクチュエータ部分をコンパクトな構造にまとめつつ、このリニアアクチュエータ部分全体で漏洩磁束低減を実現できる。
【００６０】
前記リンク２３は、剛性が高く変形しない略棒状の二つの部材を長手方向に連結して組み合わせた棒状体の両端に、リニアアクチュエータ２４やエンドエフェクタ２２と連結するための複数自由度の継手２３ａ、２３ｂをそれぞれ配設した構成である。このリンク２３では、前記棒状体をなす略棒状部材同士は互いに回転可能に連結しており、リンク２３の一端寄り部分と他端寄り部分との間には、互いに長手方向と平行な軸回りの回転の自由度を付与した構造である。
【００６１】
リンク２３の一端部の継手２３ａは、互いに直交する二つの軸回りの各回転の自由度を有する構造を有して、リニアアクチュエータ２４の直動スライダ２５ａ端部に連結される。また、リンク２３の他端部の継手２３ｂは、前記同様の互いに直交する二つの軸回りの各回転の自由度を有する構造を有して、エンドエフェクタ２２と連結される（図１３参照）。
【００６２】
リンク２３の一端寄り部分と他端寄り部分との間に回転の自由度を付与していることと、リンク２３両端部における二つの回転の自由度を有する各継手２３ａ、２３ｂによる連結とにより、各リンク２３は、連結されるリニアアクチュエータ２４やエンドエフェクタ２２に対し、球継手を用いて連結した場合と同様に自由に向きを変化させることができる。そして、こうしたリンク２３をリニアアクチュエータ２４とエンドエフェクタ２２間に配置するリンク機構を、六つのリンク２３を並列させたパラレルリンク機構としていることで、ベース２１に対し、エンドエフェクタ２２の位置及び向きの変化に係る様々な動きを、人の手でエンドエフェクタ２２を支持した場合と同様の、互いに直交する三つの軸方向への移動の３自由度と、前記三つの軸回りの各回転の３自由度とを合わせた６自由度で許容できる仕組みである。
【００６３】
前記エンドエフェクタ２２は、六つのリンク２３における他端部の継手２３ｂと連結されて可動状態で支持され、手術対象又は手術用器具の取り扱いを実行可能とされるものである。詳細には、このエンドエフェクタ２２は、パラレルリンク機構による全体の動きとは別の、１自由度の開閉する動きで手術対象又は手術用器具の取り扱いを実行する先端作動部２７と、この先端作動部２７の前記手術対象又は手術用器具を取り扱う動きを発生させる液圧駆動機構２８と、パラレルリンク機構をなす六つのリンク２３他端部と連結している継手連結部２９とを有する構成である（図１３参照）。
【００６４】
このうち、先端作動部２７は、液圧駆動機構２８に対し着脱可能に取り付けられており（図１５、図１６参照）、リンク２３他端部と連結する継手連結部２９及びこれと一体の液圧駆動機構２８に対して分離交換可能とされる。
【００６５】
こうして、エンドエフェクタ２２において、実際に手術対象又は手術用器具の取り扱いを実行する先端作動部２７のみを、手術対象や状況に対応したものに容易に交換可能とすることで、手術に係る作業を効率よく進められる仕組みである。
【００６６】
前記先端作動部２７は、具体的には、開閉して手術対象又は手術用器具を挟持可能な鉗子部分をなす二つの末端部分を有する略円錐形状とされ、液圧駆動機構２８に着脱可能として取り付けられるものである。この先端作動部２７は、開閉する鉗子部分と連動して直線移動可能とされるロッド部２７ａを有しており、このロッド部２７ａを液圧駆動機構２８で動かすことで鉗子部分を開閉可能とされる。
【００６７】
エンドエフェクタ２２の交換可能な先端作動部２７としては、鉗子の他、剪刀（はさみ）、ピンセット、持針器、バイポーラ（高周波通電凝固器具）、ディスポーザブル（使い捨て）鉗子等が挙げられる。この他、先端作動部としては、手術に係る作業の実行にあたり、リニアアクチュエータによるエンドエフェクタ全体としての動きで足り、液圧駆動機構による独自の作動を要しないもの、例えば、電気メス（いわゆるモノポーラ）なども交換使用できる。
【００６８】
前記液圧駆動機構２８は、直線移動可能に支持されるロッド２８ｂ及びピストン２８ｃを作動液の液圧変化に対応させて往復動させる液圧シリンダ部２８ａと、この液圧シリンダ部２８ａへの作動液供給による液圧増加に伴って押し縮められる一方、液圧が解放された場合には、弾性復元力によりロッド２８ｂ及びピストン２８ｃを当初位置に復帰させるよう付勢可能として、液圧駆動機構２８に内蔵されるばね２８ｄとを有する構成である（図１７、図１８参照）。この液圧駆動機構２８に先端作動部２７を取り付けると、先端作動部２７のロッド部２７ａに液圧駆動機構２８のロッド２８ｂが連結し、連動して先端作動部２７の鉗子部分に液圧シリンダ部２８ａの液圧変化に応じた動きを伝えられる仕組みである。
【００６９】
液圧シリンダ部２８ａは、外部から与えられる作動液の液圧変化によりシリンダ内部の作動液室２８ｅの容積を変化させてピストン２８ｃを動かし、このピストン２８ｃの動きをロッド２８ｂを介して先端作動部２７のロッド部２７ａに伝えて、鉗子部分の開閉動作を生じさせるものである（図１７、図１８参照）。この液圧シリンダ部２８ａのピストン２８ｃと作動液室２８ｅ間には、ピストン２８ｃの動きに合わせて変形しつつ、シリンダ内部をピストン２８ｃのある領域と作動液室２８ｅとに区画し、ピストン２８ｃと作動液室２８ｅ間の液密状態を維持するローリングダイアフラム２８ｆが設けられる。
【００７０】
このエンドエフェクタ２２の液圧駆動機構２８が、その液圧シリンダ部２８ａとマスタ部側の入力機構１３における液圧シリンダ部１３ｂとを管６０で接続され、作動液を流通可能とされており、操作入力部１１における使用者の前記入力機構１３の操作に対応した作動液の液圧変化が管を通じてエンドエフェクタ２２側に伝えられることによって、先端作動部２７の手術対象又は手術用器具を取り扱う動きを生じさせる仕組みである。
【００７１】
この他、エンドエフェクタ２２の他部分に対し分離交換可能な先端作動部２７を除く、スレーブ部全体を覆うシート状の抗菌性のカバーを設けると共に、エンドエフェクタの先端作動部２７を、例えば磁石等を用いて、カバー配設状態でも液圧駆動機構２８に着脱可能とするようにしてもよい。
【００７２】
このようなカバーを設ける場合、滅菌が可能で清浄性を確保できる先端作動部２７、及び手術対象のある領域から、先端作動部２７以外のスレーブ部のある領域、すなわち、各種可動機構や通電部分の存在により滅菌作業ができず清浄性を確保しにくい領域、をカバーで空間として確実に分離することで、手術対象のある領域の清浄性を確保できる。
【００７３】
なお、エンドエフェクタ２２は、先端作動部２７を液圧駆動機構２８に対し着脱可能とする構成としているが、この他、先端作動部２７と液圧駆動機構２８を一体に取り扱い、これらを継手連結部２９に対して着脱可能として、パラレルリンク機構をなす六つのリンク２３他端部と連結している継手連結部に対して、前記先端作動部及び液圧駆動機構を含む先端側部分を分離交換できるようにする構成とすることもでき、前記同様に先端作動部を液圧駆動機構ごと、手術対象や状況に対応したものに交換することで、手術に係る作業を効率よく進められる。
【００７４】
また、こうした先端作動部を着脱可能とする構成に限られるものではなく、エンドエフェクタを継手連結部から先端作動部に至るまで分離できない一体構造として形成する構成としてもかまわない。
【００７５】
前記撮像部３０は、スレーブ部２０のエンドエフェクタの先端作動部２７及び手術対象を撮像するものであり、例えばスレーブ部２０の上方等でスレーブ部及び手術対象を俯瞰可能として配設される構成である。この撮像部３０は、従来のマイクロサージャリー用顕微鏡で見るのと同様の倍率まで拡大しても再現性を確保できる、高解像度の撮像画像を取得可能な公知のビデオカメラであり、詳細な説明を省略する。
【００７６】
前記表示部４０は、撮像部３０で取得された手術対象の画像を必要に応じ拡大して使用者に視認可能に表示するものである。この表示部４０は撮像により得られた画像を高解像度で表示可能な液晶ディスプレイなどの公知の表示装置であり、詳細な説明を省略する。
【００７７】
マスタ部１０の操作入力部１１の操作に応じて動くスレーブ部２０のエンドエフェクタ２２について、使用者は、表示部４０に映る手術対象及びエンドエフェクタを見ながら、表示されるエンドエフェクタ２２が所望の動作を行うように、手で操作入力部１１を操作することとなる。
【００７８】
前記制御部５０は、使用者がマスタ部１０の操作入力部１１を操作した際の、支持機構部１２の複数のエンコーダ部１２ｂからの出力信号を入力されて、これらの信号に基づいて操作入力部１１の位置及び向きの情報を取得し、スレーブ部２０において、前記操作入力部１１の位置及び向きに対応した所定の目標位置及び向きとなるまでスレーブ部２０のエンドエフェクタ２２を動かすように各リニアアクチュエータ２４の作動制御を実行するものである。
【００７９】
こうした制御部５０による各リニアアクチュエータ２４の作動制御に伴って、エンドエフェクタ２２を、使用者の操作による操作入力部１１の位置及び向きの変化に追随させて、操作入力部１１と同様の動きを実行するように遠隔で作動させられることとなる。
【００８０】
制御部５０は、この他、撮像部３０による撮像に係る制御や、表示部４０での表示に係る制御も行っており、例えば、撮像部３０で手術対象を含む所定範囲を適切な倍率で撮像し、得られた画像情報を処理して、手術対象を含む画像を使用者の見やすい形で表示部４０に表示する制御を行う構成とすることもできる。
【００８１】
ただし、こうした撮像部による撮像に係る制御や、表示部での表示に係る制御については、制御部５０以外で行うようにして、制御部５０では、使用者のマスタ部１０操作に基づいたスレーブ部２０の作動に係る制御のみを実行するようにしてもかまわない。
【００８２】
そして、制御部５０は、唯一の制御部としてマスタ部やスレーブ部とは独立させて配設される他、マスタ部とスレーブ部のいずれかに並設するようにしてもよく、また、マスタ部とスレーブ部のそれぞれに分散配置されていてもかまわない。
【００８３】
なお、マスタ部１０の操作入力部に入力機構以外の電気的なスイッチ等操作手段がある場合、制御部はその操作に応じて、スレーブ部又は他の機構を、操作に対応した所定の作動状態とする制御を行うようにしてもかまわない。
【００８４】
また、前記制御部５０は、シリアルリンク機構をなす支持機構部１２の各エンコーダ部１２ｂからの出力信号の形で操作入力部１１の位置及び向きの情報を取得し、こうした各エンコーダ部１２ｂの出力信号に基づいて、スレーブ部２０のエンドエフェクタ２２が操作入力部１１に対応した位置及び向きとなるように各リニアアクチュエータ２４の作動を制御する構成としているが、これに限らず、マスタ部１０とスレーブ部２０のリンク機構が、同じパラレルリンク機構であるなど、エンコーダ等のセンサの検出対象となるマスタ部側各リンクの相対移動と、スレーブ部側でのアクチュエータの作動による各リンクの移動とが一対一に対応する場合には、制御部で一旦操作入力部の位置及び向きの情報を取得することなく、センサ出力にそのまま対応して各アクチュエータの作動制御を実行して、アクチュエータを作動させ、リンクを動かしてエンドエフェクタを所望の位置や向きに変化させるようにすることもできる。
【００８５】
次に、本実施形態に係る微細作業支援システムの作動状態について説明する。
前提として、あらかじめ、スレーブ部２０が、そのエンドエフェクタ２２がリニアアクチュエータ２４を作動させない初期状態で手術対象に向き合うと共に手術対象との間隔が適切なものとなるようにして、そのベース２１を支持用のスタンドやアーム等に支持固定されると共に、撮像部３０が手術対象を撮像可能として設置され、また、表示部４０及びマスタ部１０が、使用者が表示部４０を見ながらマスタ部１０を操作できる状態でそれぞれ机上等の作業スペースに配置されているものとする。
【００８６】
スレーブ部２０の手術対象に対する位置等の粗調整は、スレーブ部２０のベース２１を支持用のスタンドやアーム等に取り付けて支持した状態で、エンドエフェクタ２２が手術対象に向くと共に手術対象と適切な間隔をなすように人の手でスタンドやアーム等を動かして調整を行い、最後にアーム等を固定状態とすることで最終的に位置決めして調整を完了する構成として、スレーブ部２０全体を動かせる所定の機構をマスタ部で操作するような複雑な構成は採用せず、マスタ部１０による操作をエンドエフェクタ２２のベース２１に対する動きのみを対象とした、簡略で精度を確保しやすい、マイクロサージャリーに適したものとするようにしている。
【００８７】
使用者は、まず、システムを起動させて、マスタ部１０における操作入力部１１の向きや位置の変化に応じてスレーブ部２０が作動する状態とする。
この後、使用者は、表示部４０を見ながら、手術対象近傍で操作入力部１１に対応するスレーブ部２０のエンドエフェクタ２２に所望の動きを行わせるように、操作入力部１１を操作する。
【００８８】
使用者が操作入力部１１を動かすと、支持機構部１２の複数のエンコーダ部１２ｂからの出力信号が制御部５０に入力され、制御部５０で操作入力部１１の位置及び向きが取得される。そして、制御部５０で、この操作入力部１１の位置及び向きの変化に対応するような動きをスレーブ部２０のエンドエフェクタ２２に行わせるための、スレーブ部２０の各リニアアクチュエータ２４の作動制御に係る制御信号を出力する。
【００８９】
スレーブ部２０では、制御部５０から出力された制御信号に基づいてリニアアクチュエータ２４が作動し、リンク２３一端部を動かす。各リンク一端部が直線移動した結果としての、六つのリンク２３のそれぞれの動きに応じて、エンドエフェクタ２２の位置や向きが変化することとなる（図１９、図２０参照）。
【００９０】
制御部５０が、リンク２３一端部を動かす各リニアアクチュエータ２４の作動を制御する結果、エンドエフェクタ２２の位置及び向きは、操作入力部１１の操作による位置や向きの変化に追随したものとなる。
【００９１】
使用者が操作入力部１１を操作してエンドエフェクタ２２を手術対象に対し所望の位置及び向きとする他に、先端作動部２７で手術対象の所定箇所を挟持したり、吻合や縫合用の針などの手術用器具を把持する必要がある場合には、使用者が操作入力部１１における入力機構１３の一対のレバー部１３ａを指で挟むようにして操作すると、管６０を通じて入力機構１３側から液圧駆動機構２８に伝えられる液圧変化により、液圧駆動機構２８が先端作動部２７を作動させる。
【００９２】
これにより、操作入力部１１全体を移動させる操作に応じたエンドエフェクタ２２の位置や向きを変える作動とは別に、先端作動部２７の鉗子部分が動いて、手術対象の所定箇所を挟持したり、手術用器具を把持する動作が実行される。この先端作動部２７の作動に係る操作に関しては、作動量に応じた所定の反力の変化が、操作入力部１１側へ液圧変化としてフィードバックされ、レバー部１３ａを介して使用者の手指に力覚の変化を与えることで、先端作動部２７の鉗子部分が手術対象の所定箇所を挟持したり、手術用器具を把持する具合を、使用者は入力機構１３への操作を行う手指で大まかに感じ取ることができる。
【００９３】
使用者は、こうして入力機構１３を操作し、エンドエフェクタ２２の先端作動部２７を動かして、手術対象の血管等を挟持又は解放したり、針等の手術用器具を把持又は解放することができ、表示部４０を見ながら操作入力部１１全体を動かす操作と合わせて、例えば、先端作動部２７で把持した吻合用針を血管接合部分に通すなどの精密な作業を、エンドエフェクタ２２と先端作動部２７をそれぞれ適切に動かして実行させることができる。
【００９４】
入力機構１３における、手指で直接操作する入力部分としては、操作入力部１１の外周の対向する二箇所に、使用者が操作入力部１１全体を手で操作する状態で、この操作とは別の、二つ以上の指で挟むと共にその挟む力を変化させる入力操作を受けるような、一対のレバー部１３ａを配設している。この一対のレバー部１３ａに対する、二本の指で挟むようにして行う入力操作は、先端作動部２７の実際に手術対象又は手術用器具を挟むように開閉動作する鉗子部分を、直接手指で動かそうとする場合に相当する操作でもあることから、使用者はレバー部１３ａの操作と先端作動部２７の鉗子部分の動きとの対応を理解しやすく、使用者に実際に手で先端作動部２７の鉗子部分をなす二つの末端部を操作し動かすような意識を持たせて操作を行わせることができ、適切な操作を促して先端作動部２７に所望の動きを確実に実行させられる。
【００９５】
このように、本実施形態に係る微細作業支援システムは、マスタスレーブマニピュレータのスレーブ部２０における、固定側のベース２１に対しエンドエフェクタ２２を可動とするリンク機構として、複数自由度のパラレルリンク機構を用い、且つ、ベース２１に支持される複数のリニアアクチュエータ２４で各リンク一端部を移動させてエンドエフェクタ２２を動かすようにし、マスタ部１０の操作入力部１１の位置や向きを変化させる使用者の操作に応じて、スレーブ部２０のリニアアクチュエータ２４を作動させ、エンドエフェクタ２２の位置及び向きを変えることから、誤差が累積しにくい簡略で剛性の高いリンク機構でエンドエフェクタ２２の精密な動きを実現可能とし、表示された撮像画像を見ながらの使用者の遠隔操作でも、エンドエフェクタ２２にマイクロサージャリーに係る諸動作を行わせることができ、熟練した医師の手技と同等の動作を再現可能としつつ、作業性を向上させて使用者の負担を軽減できる。
【００９６】
また、スレーブ部２０をなすマニピュレータのエンドエフェクタ２２のうち、実際に手術対象や手術用器具の取り扱いを実行する先端作動部２７を、液圧駆動で作動するものとし、マスタ側の操作入力部１１における入力機構１３への使用者の操作を、液圧変化としてエンドエフェクタ２２側に伝えて、先端作動部２７を動かすことから、操作入力部とエンドエフェクタ間に流通する作動液を介して、使用者の操作力にほぼ比例した駆動力で先端作動部２７を動かすことができると共に、先端作動部２７に加わる反力を液圧伝達系を介して入力機構側にフィードバックでき、先端作動部２７が任意の物体に接している状態を使用者が入力機構１３の操作感から適度に感じ取りながら、先端作動部２７で手術対象や手術用器具に対し過大な力を加えることなくこれらを取り扱うことができ、操作性に優れ、手術に係る作業を安全に進められる。さらに、先端作動部２７を液圧駆動とすることで、先端作動部２７にはモータ駆動の場合のような力検出用のセンサを設けずに済むこととなり、センサの較正等の煩わしい作業を不要にする他、エンドエフェクタ２２の小型化が可能となり、手術使用時のエンドエフェクタ２２に対する滅菌作業も容易となる。
【００９７】
なお、前記実施形態に係る微細作業支援システムにおいては、マスタ部１０の操作入力部１１における入力部分として、エンドエフェクタ２２の先端作動部２７が、手術対象又は手術用器具を挟むように作動する二つの末端部を有する鉗子状のものであるのにちょうど対応して、操作入力部１１の外周の対向する二箇所に、使用者が操作入力部１１全体を手で操作する状態で、この操作とは別の、二つ以上の指で挟むと共に挟む力を変化させる入力操作を受ける、一対のレバー部１３ａを設ける構成としているが、この他、エンドエフェクタの先端作動部の動きに対応して、手指で挟むような操作になるものであれば、操作入力部の入力部分を一箇所とし、この入力部分に当てた一方の指に対し、対向する操作入力部の外周所定箇所に他方の指を当接させ、指で操作入力部を挟む状態ながら、実際は固定状態となる他方の指に対し、一方の指で入力部分を動かす操作のみ要求する構成とするようにしてもかまわない。
【００９８】
また、前記実施形態に係る微細作業支援システムにおいて、スレーブ部２０の手術対象に対する位置等の粗調整は、スレーブ部２０のベース２１を支持用のスタンドやアーム等にいったん取り付けて支持した状態で、エンドエフェクタ２２が手術対象に向くと共に手術対象と適切な間隔をなすように、人の手でスタンドやアーム等を動かして調整を行う構成としているが、これに限られるものではなく、位置粗調整のための移動用機構を備えて、粗調整を人手ではなくマスタ部の操作で自動的に実行するようにしてもよい。例えば、マスタ部に対する操作において、操作入力部がリニアアクチュエータ作動によるエンドエフェクタの可動範囲外に相当する領域に達すると、マスタ部の制動部作動による制動に代えて、又は制動と共に、スレーブ部全体の移動用機構を作動させて、エンドエフェクタを動かそうとする使用者の操作方向に対応する向きに、エンドエフェクタをスレーブ部ごと動かす構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００９９】
１              微細作業支援システム
１０            マスタ部
１１            操作入力部
１２            支持機構部
１２ａ          リンク
１２ｂ          エンコーダ部
１２ｃ          制動部
１３            入力機構
１３ａ          レバー部
１３ｂ          液圧シリンダ部
１３ｃ          ロッド
１３ｄ          ピストン
１３ｅ          ばね
１３ｆ          作動液室
１３ｇ          ローリングダイアフラム
２０            スレーブ部
２１            ベース
２２            エンドエフェクタ
２３            リンク
２３ａ、２３ｂ  継手
２４            リニアアクチュエータ
２５            可動子
２５ａ          直動スライダ
２５ｂ          コイル
２５ｃ          リニアスケール
２５ｄ          連結ブラケット
２６            固定子
２６ａ          ガイド部
２６ｂ          永久磁石
２６ｃ          センサ部
２６ｄ          磁気シールド部材
２６ｅ、２６ｆ  磁気シールド部材
２７            先端作動部
２７ａ          ロッド部
２８            液圧駆動機構
２８ａ          液圧シリンダ部
２８ｂ          ロッド
２８ｃ          ピストン
２８ｄ          ばね
２８ｅ          作動液室
２８ｆ          ローリングダイアフラム
２９            継手連結部
３０            撮像部
４０            表示部
５０            制御部
６０            管
【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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【図２０】
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