JP6033456B2 - マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータに関するものである。

従来、体内に挿入可能な細長い挿入部を備え、該挿入部に搭載された処置具を体外から遠隔操作して体内を処置する医療用のマニピュレータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このようなマニピュレータの挿入部には、カメラや処置具などが搭載された先端面の方向を変更するための湾曲部が設けられている。

また、湾曲部の湾曲角度を精度よく制御するために、湾曲部を湾曲させるための湾曲機構に減速機構が利用されている。すなわち、挿入部の基端側で発生させたシャフトの大きな回転運動を、シャフトと共に回転するねじ軸と該ねじ軸に締結されるナットとによって小さな直線運動に変換し、この直線運動を利用して挿入部の先端に接続されたワイヤを押し引きすることにより、湾曲部を湾曲させる構成が採用されている。

特開２００６−６１１７６号公報

上記のような減速機構を用いた挿入部において、ワイヤの直線運動からシャフトの回転運動を発生させるためには、ワイヤが十分に大きな外力によって直線運動される必要がある。すなわち、ワイヤの押し引きによって湾曲した湾曲部の形状は外力に対して十分に安定したものとなる。それゆえ、湾曲部が湾曲した状態で牽引機構に故障が発生した場合、湾曲部は体内の組織形状に逆らって一定の湾曲形状を維持し続けるため、挿入部を体内から抜去することが困難になるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、湾曲部を湾曲させる機構に故障が発生したとしても体内から滑らかに抜去することができるマニピュレータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、細長い本体部、該本体部の先端側に配置された先端部、および前記本体部と前記先端部との間に設けられた湾曲可能な湾曲部と、前記先端部に接続され前記湾曲部を通って前記本体部まで延びる複数の線材と、動力を発生する動力発生部と、前記本体部に設けられ、前記動力発生部によって発生された前記動力を前記線材の基端に前記本体部の長手方向の直線運動として伝達する複数の動力伝達部と、該動力伝達部から伝達された直線運動によって前記長手方向に押し引きされることにより前記先端部と前記動力伝達部との間で張力を発生した前記複数の線材を、前記先端部および前記複数の動力伝達部を互いに接近する方向に前記長手方向に相対移動させることにより弛緩させる線材弛緩部とを備え、前記線材弛緩部が、前記複数の動力伝達部を共通して保持するとともにこれら複数の動力伝達部と一体的に前記本体部に対して前記長手方向に移動可能に設けられた保持部材と、該保持部材を先端側に移動させる移動機構とを備えるマニピュレータである。
本発明の他の第１の態様は、細長い本体部、該本体部の先端側に配置された先端部、および前記本体部と前記先端部との間に設けられた湾曲可能な湾曲部と、前記先端部に接続され前記湾曲部を通って前記本体部まで延びる複数の線材と、動力を発生する動力発生部と、前記本体部に設けられ、前記動力発生部によって発生された前記動力を前記線材の基端に前記本体部の長手方向の直線運動として伝達する複数の動力伝達部と、該動力伝達部から伝達された直線運動によって前記長手方向に押し引きされることにより前記先端部と前記動力伝達部との間で張力を発生した前記複数の線材を、前記先端部および前記複数の動力伝達部を互いに接近する方向に前記長手方向に相対移動させることにより弛緩させる線材弛緩部とを備え、前記線材弛緩部が、前記湾曲部の基端を保持する保持部材と、該保持部材を基端側に移動させる移動機構とを備えるマニピュレータである。

本発明の第１の態様によれば、動力発生部が発生した動力が動力伝達部によって直線運動として線材の基端部に伝達され、線材が先端側に押し出され、または、基端側に牽引される。これにより、先端部と連結部との間に配置されている湾曲部が湾曲する。

この場合に、動力伝達部が故障した場合に、線材弛緩部の作動によって、先端部と動力伝達部との間で張力を発生させて湾曲部の湾曲形状を維持している線材が弛緩させることにより、湾曲部が外力に応じて変形可能な状態に移行する。これにより、動力発生部や動力伝達部に故障が発生したとしても、体内に挿入される先端部から本体部までを体内から滑らかに抜去することができる。

上記第１の態様においては、前記線材弛緩部が、前記先端部および前記複数の動力伝達部を互いに接近する方向に前記長手方向に相対移動させる。
このようにすることで、線材弛緩部の作動によって先端部と動力伝達部とを接近させることにより、先端部と動力伝達部とを接続する線材の長さ寸法よりも先端部と動力伝達部との間隔が短くなる。これにより、複数の線材を同時に弛緩させることができる。

上記の、前記線材弛緩部が、前記複数の動力伝達部を共通して保持するとともにこれら複数の動力伝達部と一体的に前記本体部に対して前記長手方向に移動可能に設けられた保持部材と、該保持部材を先端側に移動させる移動機構とを備える第１の態様においては、移動機構の作動によって保持部材が先端側に移動することにより、複数の動力伝達部が先端側に移動する。これにより、複数の動力伝達部を湾曲部に接近させることができる。

上記の、前記線材弛緩部が、前記湾曲部の基端を保持する保持部材と、該保持部材を基端側に移動させる移動機構とを備える第１の態様においては、移動機構の作動によって保持部材が基端側に移動することにより、湾曲部と共に先端部が基端側に移動する。これにより、先端部を動力伝達部に接近させることができる。

上記第１の態様においては、前記移動機構が、回転力を発生する回転力発生部と、該回転力発生部によって発生された回転力を前記長手方向の直線運動に変換して前記保持部材に伝達する動力変換部とを備えていてもよい。
このようにすることで、簡易な構成で保持部材を本体部の長手方向に移動させることができる。

上記第１の態様においては、前記動力伝達部が、前記本体部に前記長手方向に沿って配置され前記動力発生部によって発生された動力によって前記長手方向の軸回りに回転させられるシャフト部材と、前記線材の基端部と前記シャフト部材とを連結するとともに前記シャフト部材と一体に回転させられるねじ軸部材と、該ねじ軸部材と締結され、回転する該ねじ軸部材を前記長手方向に送るナット部材とを備えていてもよい。
このようにすることで、動力発生部の動力が、シャフト部材の回転運動からねじ軸部材およびナット部材によって直線運動に変換されて線材に伝達される。これにより、簡易な構成で線材を押し引きすることができる。

本発明の第２の態様は、細長い本体部、該本体部の先端側に配置された先端部、および前記本体部と前記先端部との間に設けられた湾曲可能な湾曲部と、前記先端部に接続され前記湾曲部を通って前記本体部まで延びる複数の線材と、前記本体部に設けられ、前記線材の基端部に連結される連結部、回転運動を発生する駆動部および該駆動部によって発生された回転運動を長手方向の直線運動に変換して前記連結部に伝達する動力変換部を有する複数の牽引機構と、前記線材と該線材に連結される前記牽引機構との組み合わせを変更する組合せ変更機構とを備えるマニピュレータである。

本発明の第２の態様によれば、駆動部が発生した回転運動が動力変換部によって直線運動に変換されて連結部に伝達される。連結部に連結されている線材が先端部に対して押し引きされることによって先端部と連結部との間に配置されている湾曲部が湾曲する。

この場合に、複数の牽引機構のうちいずれかが故障した場合に、組合せ変更機構の作動によって線材と牽引機構との組合せが変更される。これにより、湾曲部が湾曲している状態で牽引機構が故障したとしても、故障した牽引機構を正常な牽引機構に入れ替えて湾曲部を略真っすぐな状態に復帰することができ、挿入部を体内から滑らかに抜去することができる。

上記第２の態様においては、前記動力変換部が、前記本体部の長手方向に沿って配置されてその中心軸回りに前記駆動部によって回転させられるシャフト部材と、該シャフト部材と同軸に設けられ該シャフト部材と一体に回転させられるねじ軸部材と、該ねじ軸部材が締結されるねじ溝を有するとともに前記線材の基端部に前記長手方向に移動可能に設けられた可動部材とを備え、前記連結部が、前記ねじ軸部材と前記可動部材とからなっていてもよい。
このようにすることで、線材と牽引機構とが、ねじ軸部材と可動体のねじ溝との締結によって連結されるので、線材と牽引機構との組合せを変更する際のこれらの着脱を容易に行うことができる。

上記第２の態様においては、前記組合せ変更機構が、前記線材に対して前記牽引機構を移動させることにより、前記線材と前記牽引機構との組み合わせを変更してもよい。
このようにすることで、線材および牽引機構のうち牽引機構を移動させるための機構のみで済み、構成を簡易にすることができる。

上記第２の態様においては、前記本体部が、前記湾曲部に固定される第１の部分と、該第１の部分の基端側に該第１の部分に対して周方向に回転可能に設けられ前記牽引機構を収容する第２の部分とを有する筒状の外套管を備え、前記組合せ変更機構は、前記牽引機構を前記第２の部分と一体に回転させることにより、前記線材に対して前記牽引機構を移動させてもよい。
このようにすることで、より簡易な動作で牽引機構を移動させることができる。

上記第２の態様においては、前記牽引機構の故障を検出する故障検出部を備え、前記組合せ変更機構が、前記故障検出部によって前記牽引機構の故障が検出されたときに前記線材と前記牽引機構との組み合わせを変更してもよい。
このようにすることで、牽引機構の故障の検出と組合せ変更機構による線材と牽引機構との組合せの変更を自動で実行することができる。

本発明によれば、湾曲部を湾曲させる機構に故障が発生したとしても体内から滑らかに抜去することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る手術マニピュレータシステムの全体構成図である。 図１の手術マニピュレータシステムが備えるマニピュレータの先端側の一部の構成を示す斜視図である。 真っすぐな湾曲部を概略的に示す図である。 湾曲した湾曲部を概略的に示す図である。 マニピュレータが備える湾曲機構の構成図である。 図４Ａの湾曲機構の作用を説明する図である。 マニピュレータが備える線材弛緩部の作用を説明する図である。 マニピュレータが備える線材弛緩部の作用を説明する図である。 線材弛緩部の変形例を示す図である。 線材弛緩部のもう１つの変形例を示す図である。 図７Ａの線材弛緩部の作用を説明する図である。 線材弛緩部のもう１つの変形例を示す図である。 故障検出部の構成を示すブロック図である。 図９の故障検出部を備える手術マニピュレータシステムの、牽引機構の故障時における動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータが備える湾曲機構の構成を示す縦断面図（右図）およびＸＩ−ＸＩ線における横断面図（左図）である。 牽引機構の故障時における手術マニピュレータシステムの動作を説明するフローチャートである。 組合せ変更機構による牽引機構の移動を説明する図である。 組合せ変更機構による牽引機構の移動を説明する図である。 組合せ変更機構による牽引機構の移動を説明する図である。 牽引機構の変形例を示す縦断面図（右図）およびＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における横断面図（左図）である。 組合せ変更機構の変形例の構成と、この組合せ変更機構による牽引機構の移動を説明する縦断面図（右図）およびＩＸａ−ＩＸａ線における横断面図（左図）である。 組合せ変更機構の変形例の構成と、この組合せ変更機構による牽引機構の移動を説明する縦断面図（右図）およびＩＸｂ−ＩＸｂ線における横断面図（左図）である。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係るマニピュレータ１およびこれを備えた手術マニピュレータシステム１００について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１００の概略を示す図である。手術マニピュレータシステム１００は、図１に示されるように、患者Ｘを寝かせるベッド４０の周囲に配置されるマニピュレータ１と、該マニピュレータ１に接続される制御装置６０と、制御装置６０に対しマニピュレータ１の操作信号を入力する操作装置８０とを備えている。

図２は、本実施形態に係るマニピュレータ１の先端側の一部を示している。マニピュレータ１は、図２に示されるように、先端面２ａに設けられた、照明光を出射するライト２４および体内を撮影するカメラ２５と、先端面２ａから出没可能に設けられた処置具２６とを備えている。先端面２ａから突出した処置具２６は、カメラ２５の視野内に配置されるようになっている。また、マニピュレータ１は、後で詳述するように、湾曲部５が湾曲することによって先端面２ａの方向を変更することができ、患者Ｘの術部の撮影範囲を任意に変更することができるようになっている。

操作装置８０は、術者Ｙが操作するジョイスティック等の入力部８１と、カメラ２５によって取得された映像を表示する表示部８２とを備えている。
制御装置６０は、入力部８１からの入力に応じて、マニピュレータ１の各部に対して指令信号を出力する。この指令信号に従って、処置具２６の出没動作や各関節２６ａの回転動作が制御され、また、湾曲部５の湾曲動作が制御されるようになっている。

術者Ｙは、カメラ２５によって撮影された体内および処置具２６の映像を表示部８２において観察しながら、操作装置８０の入力部８１を介してマニピュレータ１の湾曲部５および処置具２６を遠隔操作し、患者Ｘの体内を処置することができる。

次に、本実施形態に係るマニピュレータ１について詳しく説明する。
マニピュレータ１は、例えば、患者Ｘの口腔から体内に挿入される細長い挿入部２を備えている。この挿入部２は、細長い本体部３と、該本体部３の先端側に配置された先端部４と、本体部３と先端部４との間に配置されてこれらを接続する湾曲部５とを備えている。

本体部３は、患者Ｘの体内の組織形状に沿って湾曲可能な可撓性を有する部分である。 先端部４は、上述したライト２４、カメラ２５および処置具２６などが搭載される硬質で十分に小型な部分である。

湾曲部５は、本体部３の長手方向に対して交差する方向に湾曲することにより、上述したように、先端面２ａを任意の方向に指向させる部分である。湾曲部５は、図３Ａに示されるように、挿入部２の中心軸（以下、単に軸ともいう。）Ａに沿って配列された円筒状の複数の節輪５ａを備えている。各節輪５ａは、隣接する節輪５ａと、軸Ａに直交する２つの軸回りに揺動可能に連結されている。これにより、湾曲部５は、図３Ｂに示されるように、任意の方向に湾曲可能となっている。なお、湾曲部５の構成は、節輪５ａ（湾曲コマ）を用いた構造に限定されるものではなく、例えば、多関節構造の屈曲機構であってもよい。

マニピュレータ１は、この湾曲部５の湾曲動作を制御する湾曲機構として、図４に示されるように、先端部４に先端が接続され本体部３まで軸Ａ方向に延びるワイヤ（線材）６と、本体部３に設けられワイヤ６を牽引する牽引機構７とを備えている。牽引機構７は、軸Ａ方向に配置された可撓性を有するシャフト８と、該シャフト８の基端に設けられたモータ（動力発生部）９と、シャフト８と同軸に設けられ該シャフト８とワイヤ６の基端部とを連結するねじ軸（ねじ軸部材）１０と、該ねじ軸１０が締結されるナット（ナット部材）１１とを備えている。なお、シャフト８は、ねじ軸１０が軸Ａ方向に進退できるように、伸縮可能であるか、または、十分な長さを有している。

ワイヤ６の材質は、基端の運動を先端まで伝達可能な剛性を有するものであればよく、例えば、金属または樹脂が好ましい。また、本実施形態においては、線材としてワイヤ６を採用しているが、線材の形態はこれに限定されるものではなく、例えば、ロッド、チューブまたは金属コイルなどであってもよい。

モータ９は、シャフト８をこれの長手方向の中心軸回りに回転させる回転力を発生する。シャフト８が正転または反転すると、シャフト８と一体でねじ軸１０が正転または反転する。ナット１１は、４つのねじ軸１０が締結される４つの雌ねじ１１ａを有し、４つのねじ軸１０を共通に保持している。また、ナット１１は、本体部３内部に嵌合されており、後述する移動機構１３の動作によって本体部３に対する軸Ａ方向の位置が位置決めされる。ナット１１は、回転するねじ軸１０を本体部３に対して軸Ａ方向に沿って先端側または基端側に送る。ねじ軸１０が先端側に前進すると、先端側に押し出されたワイヤ６が先端部４を先端側に押圧し、ねじ軸１０が基端側に後退すると、基端側に牽引されたワイヤ６が先端部４を基端側に引っ張るようになっている。なお、この際にシャフト８は伸縮または弛みを伴うが、シャフト８の端部に結合されているモータ９およびナット１１は本体部３に対して固定または位置決めされているため、湾曲部５への影響は無視してよい。

ここで、ワイヤ６および牽引機構７は、図４Ａの左図に示されるように、軸Ａを中心とする円周上に間隔を空けて４組備えられている。参照する他の図面において、図を簡略にするために、ワイヤ６および牽引機構７が１組または２組のみ示されている。４つのワイヤ６のうち一部が押し出され、他の一部が牽引されることにより、図４Ｂに示されるように、湾曲部５が湾曲する。このときのワイヤ６の押し出し量および牽引量を調整することによって、湾曲部５の湾曲角度が制御されるようになっている。

また、マニピュレータ１は、牽引機構７の作動によって先端部４とねじ軸１０との間で張力を発生しているワイヤ６を弛緩させるワイヤ弛緩部１２を備えている。ワイヤ弛緩部１２は、上述したように４つのねじ軸１０を共通して保持する単一のナット（保持部材）１１と、該ナット１１を軸Ａ方向に沿って先端側に移動させる移動機構１３とからなる。

移動機構１３は、軸Ａ方向に配置された可撓性を有するシャフト（動力変換部）１４と、該シャフト１４の基端に設けられたモータ（回転力発生部）１５と、シャフト１４と同軸に設けられ該シャフト１４とナット１１とを連結するねじ軸（動力変換部）１６と、本体部３に対して固定されねじ軸１６が締結されるナット（動力変換部）１７とを備えている。移動機構１３は、牽引機構７と同様に、モータ１５が発生した回転力によってシャフト１４を回転させ、この回転運動をねじ軸１６およびナット１７によって軸Ａ方向の直線運動に変換してナット１１に伝達する。これにより、ナット１１が軸Ａ方向に移動されるようになっている。

ここで、移動機構１３のシャフト１４、モータ１５、ねじ軸１６およびナット１７はいずれも、牽引機構７のシャフト８、モータ９、ねじ軸１０およびナット１１とは別体として設けられており、移動機構１３は牽引機構７とは独立して作動するようになっている。

次に、このように構成されたマニピュレータ１を備える手術マニピュレータシステム１００の作用について説明する。
本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１００を用いて患者Ｘの術部を処置するには、まず、術者Ｙは、入力部８１を操作してマニピュレータ１を作動させ、湾曲部５の湾曲方向および湾曲角度を変更することによってカメラ２５の視野に術部が入るように先端面２ａの位置および姿勢を調節する。

次いで、術者Ｙは、入力部８１を操作し、処置具２６を先端面２ａから突出させてカメラ２５の視野まで移動させる。術者Ｙは、表示部８２に表示されている映像において、術部と処置具２６との位置関係を観察しながら、入力部８１を介して処置具２６を遠隔操作して術部を処置することができる。

ここで、図５Ａに示されるように、マニピュレータ１を操作している最中にいずれかの牽引機構７のシャフト８が破断するなどしてモータ９からの動力がワイヤ６の基端部に伝達されなくなると、術者Ｙが入力部８１に入力した通りに湾曲部５の湾曲角度が変化しなくなり、表示部８２に表示されているカメラ２５の視野が正常に移動しなくなる。したがって、術者Ｙは牽引機構７の故障を容易に認識することができる。

ここで、モータ９による比較的大きな回転運動をねじ軸１０およびナット１１を介して比較的小さな直線運動に変換してワイヤ６を駆動する構成において、ワイヤ６の直線運動によってねじ軸１０およびシャフト８を回転運動させるためには、ワイヤ６が十分に大きな力で直線運動される必要がある。すなわち、先端部４および湾曲部５に体内の組織から押圧力が作用したとしても、この押圧力はワイヤ６を軸Ａ方向に移動させて湾曲部５を変形させるには足らず、湾曲部５は体内の組織形状に逆らって一定の形状を維持し続ける。

そこで、術者Ｙは、牽引機構７の故障の発生を判断した後、ワイヤ弛緩部１２を作動させる。すなわち、図５Ｂに示されるように、モータ１５を作動させることによりねじ軸１６を先端側に移動させ、これによりナット１１を先端側に移動させる。ナット１１が先端側に移動することにより、先端部４とねじ軸１０との間隔がワイヤ６の長さ寸法よりも短くなり、全てのワイヤ６が同時に十分に弛緩させられる。この状態において、湾曲部５は、体内の組織からの押圧力に応じて柔軟に変形することができる。したがって、術者Ｙは、挿入部２を体内の組織形状に沿って滑らかに移動させて抜去することができる。

このように、本実施形態によれば、牽引機構７が故障した場合に、牽引機構７とは独立して作動するワイヤ弛緩部１２によって４つのワイヤ６を同時に弛緩させて湾曲部５を柔軟な状態へ移行させることができる。したがって、術者Ｙは、マニピュレータ１を体内から滑らかに抜去することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、ワイヤ弛緩部１２が、ナット１１の先端側への移動によって先端部４とねじ軸１０との間隔を縮めることとしたが、これに代えて、またはこれに加えて、先端部４を基端側へ移動させてもよい。
この変形例において、図６に示されるように、ねじ軸１６の先端が湾曲部５の最も基端側に配置された節輪５ａに連結される。ねじ軸１６と最も基端側の節輪５ａは、ねじ軸１６の回転が当該節輪５ａに伝わらないように、不図示のボール状のジョイントを介して連結されている。また当該節輪５ａの外周は、本体部３のガイド３ａの内周に沿ってスライド可能に設けられて、当該節輪５ａは、ねじ軸１６によって軸Ａ方向の位置が位置決めされている。

このようにすることで、ワイヤ弛緩部１２のモータ１５の作動によってシャフト１４およびねじ軸１６を回転運動させ、ねじ軸１６を基端側に移動させると、湾曲部５が基端側に牽引され、該湾曲部５と接続されている先端部４も基端側に牽引される。このようにしても、先端部４とねじ軸１０との間隔を縮めることができる。

また、本実施形態においては、ワイヤ弛緩部１２が、ナット１１を軸Ａ方向に駆動することに代えて、ナット１１を軸Ａ方向の位置を位置決めした状態から軸Ａ方向に移動可能な状態へ移行させることにより、先端部４とねじ軸１０との間隔を変更可能としてもよい。
この変形例において、ワイヤ弛緩部１２は、図７Ａに示されるように、ナット１１を軸Ａ方向の所定の位置に位置決めする位置決め部材１８と、該位置決め部材１８によるナット１１の位置決めを解除する位置決め解除機構１９とを備える。

位置決め部材１８は、ナット１１を軸Ａ方向に挟んで配置された２つの板部材（以下、板部材１８ともいう）からなる。２つの板部材１８は、図７Ｂに示されるように、ナット１１の径寸法よりも小さい径寸法を有しねじ軸１０が嵌合する切欠１８ａと、該切欠１８ａと軸Ａを中心とする周方向に連通しナット１１の径寸法よりも大きな径寸法を有する大径穴１８ｂとを有している。また、２つの板部材１８は、例えば、本体部３を外装する筒の内周面に周方向に形成された溝内に周縁が挿入されることにより、軸Ａ方向の位置が固定されつつ、軸Ａを中心に回転可能に設けられている。位置決め部材１８は、図７Ｂの左図に示されるように、切欠１８ａにねじ軸１０が嵌合した状態においてナット１１の軸Ａ方向の移動を２つの板部材１８によって係止することにより、ナット１１の軸Ａ方向の位置を位置決めする。

位置決め解除機構１９は、本体部３の基端側において術者Ｙによって回転される操作部１９ａと、軸Ａ上に沿って配置されて２つの板部材１８と操作部１９ａとを連結し、操作部１９ａによる軸Ａ回りの回転運動を２つの板部材１８に伝達するシャフト１９ｂとを備える。シャフト１９ｂは、本体部３が可撓性を有することから、これに対応して超弾性を有する。術者Ｙが操作部１９ａを回転させることによって、２つの板部材１８が軸Ａを中心に回転し、図７Ｂの右図に示されるように、切欠１８ａに嵌合していたねじ軸１０が大径穴１８ｂに移動する。大径穴１８ｂにおいて、ねじ軸１０およびナット１１は、軸Ａ方向に移動可能となる。

したがって、術者Ｙは、操作部１９ａを回転させた後に、本体部３の基端側において牽引機構７のシャフト８を先端側に押すことによって、先端部４とねじ軸１０との間隔を縮め、４つのワイヤ６を同時に弛緩させることができる。

また、本実施形態においては、ワイヤ弛緩部１２が、モータ１５が発生する回転運動を直線運動に変換してナット１１に伝達することとしたが、これに代えて、本体部３の基端側で軸Ａ方向の直線運動を発生させ、該直線運動をそのままナット１１に伝達してもよい。

この変形例において、ワイヤ弛緩部１２は、図８に示されるように、本体部３の基端側において術者Ｙによって軸Ａ方向に移動される操作部２０と、該操作部２０とナット１１とを連結し操作部２０の直線運動をナット１１に伝達する、可撓性を有するシャフト２１とを備える。符号２２は、ナット１１の基端側への移動を係止するストッパである。
このようにすることで、術者Ｙが操作部２０を先端側に押し出すだけの簡単な操作によって、先端部４とねじ軸１０との間隔を縮め、４つのワイヤ６を同時に弛緩させることができる。

また、本実施形態においては、術者Ｙが牽引機構７の故障の発生を判断して手動でワイヤ弛緩部１２を作動させることとしたが、これに代えて、図９に示されるように、マニピュレータ１が、牽引機構７の故障を検出する故障検出部２３を備えていてもよい。
故障検出部２３は、例えば、湾曲部５の湾曲角度を検出する曲率センサ２３１と、曲率センサ２３１によって検出された湾曲角度を、制御装置６０からモータ９に送信される指令信号が規定する湾曲角度と比較する故障判定回路２３２とを備えている。

曲率センサ２３１は、検出された湾曲部５の湾曲角度を故障判定回路２３２に送信する。故障判定回路２３２は、制御装置６０からモータ９に出力される指令信号を受信し、曲率センサ２３１からの湾曲角度と指令信号が規定している湾曲角度との差が所定の閾値よりも大きい場合に、当該モータ９が属する牽引機構７が故障していると判定し、判定結果を制御装置６０に送信する。

曲率センサ２３１としては、例えば、湾曲部５に軸Ａ方向に配置されて湾曲部５と一体的に湾曲させられる光ファイバが利用される。光ファイバは、長手方向の複数の位置において外周面に切り込みが形成され、湾曲した状態において切り込みから光が漏れるようになっている。この光の漏れ量は、光ファイバの湾曲角度と相関している。したがって、光ファイバからの光の漏れ量から湾曲部５の湾曲角度を検出することができる。

また、光ファイバに代えて、ワイヤセンサまたは画像センサが利用されてもよい。
ワイヤセンサは、湾曲機構のワイヤ６と略平行に配置された検出用ワイヤを備え、湾曲部５の湾曲によって発生する検出用ワイヤの軸Ａ方向の移動量から、湾曲部５の湾曲角度を検出する。
画像センサは、処置具２６に付された所定のマーカをカメラ２５によって撮影し、取得された映像を解析することによって、マーカの撮影角度から湾曲部５の湾曲角度を検出する。

また、故障検出部２３は、曲率センサ２３１に代えて、電流センサまたは歪みセンサを利用して牽引機構７の故障を検出してもよい。
電流センサは、モータ９に流れる電流を検出し、故障判定回路２３２は、正常時にモータ９に流れ得る電流に対して過大または過小な電流が電流センサによって検出された場合に、牽引機構７の故障を判定する。
歪みセンサは、シャフト８に発生する応力を測定し、故障判定回路２３２は、正常時にシャフト８に発生する応力に対して過大または過小な応力が歪みセンサによって検出された場合に、牽引機構７の故障を判定する。

このように、牽引機構７の故障を故障検出部２３によって自動で検出する場合には、制御装置６０が、図１０に示されるように、予め設定されたプログラムに従ってワイヤ６を弛緩させるための作業を実行させてもよい。

すなわち、故障検出部２３によって牽引機構７の故障が検出されると（ステップＳ１のＹＥＳ）、制御装置６０は、復帰モードを起動する（ステップＳ２）。復帰モードにおいて、制御装置６０は、まず、故障の発生を術者Ｙに報知する（ステップＳ３）。

術者Ｙへの報知は、例えば、表示部８２への警告表示、ランプの点灯、警告音の鳴動などによって行われる。制御装置６０は、これらの報知に代えて、またはこれに加えて、入力部８１を介した術者Ｙによるマニピュレータ１の制御を禁止したり、術者Ｙによる入力部８１の操作に対して負荷を発生させてマニピュレータ１の動作を遅くしたりするなど、術者Ｙによるマニピュレータ１の操作に対して制限を加えてもよい。

次に、制御装置６０は、ワイヤ弛緩部１２を作動させることにより、４つのワイヤ６を弛緩させる（ステップＳ４）。このときに、制御装置６０は、ワイヤ弛緩部１２の作動に従って湾曲部５の湾曲角度が正常に変化したか否かを、故障検出部２３の曲率センサ２３１によって検出される湾曲角度から確認する（ステップＳ５）。その後、マニピュレータ１が体内から抜去される（ステップＳ６）。
このようにすることで、牽引機構７の故障をより確実に検出することができるとともに、術者Ｙの負担を軽減することができる。なお、術者Ｙが牽引機構７の故障を検出して手動で復帰モードを起動し、ステップＳ３からステップＳ５を制御装置６０によって自動で実行してもよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るマニピュレータ１およびこれを備えた手術マニピュレータシステム１００について、図面を参照して説明する。本実施形態においては、第１の実施形態と共通の構成については説明を省略する。
本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１００おいて、制御装置６０は、後で詳述するように、マニピュレータ１に故障が発生したときに、予め設定されたプログラムに従って手術マニピュレータシステム１００全体を制御するようになっている。

本実施形態において、ワイヤ６および牽引機構７は、図１１の左図に示されるように、軸Ａを中心とする円周上に略等間隔を空けて４組備えられている。すなわち、ワイヤ６および牽引機構７は、軸Ａを中心にして４５°回転対称に配置されている。

本実施形態において、牽引機構７は、軸Ａ方向に配置されたシャフト８と、該シャフト８の基端に設けられたモータ（駆動部）９と、シャフト８の先端に該シャフト８と同軸に設けられたねじ軸（ねじ軸部材、連結部）１０と、該ねじ軸１０が締結されるねじ溝３１ａを有しワイヤ６の基端に固定された可動部材（連結部）３１とを備えている。牽引機構７は、本体部３を外装する外套管内に収容されており、４つのモータ９を保持する保持部３２によって外套管の第２の部分３２０（後述）に保持されている。

モータ９は、シャフト８をこれの長手方向の中心軸回りに回転させる回転力を発生する。シャフト８が正転または反転すると、シャフト８と一体でねじ軸１０が正転または反転する。可動部材３１は、扇状の横断面を有する柱状であり、ねじ溝３１ａは、軸Ａに対して半径方向外方に向けられた湾曲した外周面に形成されている。可動部材３１は、ねじ軸１０の正転または反転によって本体部３に対して軸Ａ方向に前進または後退させられる。

ここで、可動部材３１は、初期状態において、図３Ａに示されるように、湾曲部５が軸Ａに沿って略真っすぐな状態になる初期位置に配置されている。そして、可動部材３１が初期位置から軸Ａ方向に前進または後退し、４つのワイヤ６のうち一部が押し出され、他の一部が牽引されることにより、図３Ｂに示されるように、湾曲部５が湾曲する。このときのワイヤ６の押し出し量および牽引量を調整することによって、湾曲部５の湾曲角度が制御されるようになっている。

また、マニピュレータ装置１は、ワイヤ６および可動部材３１に対して牽引機構７を軸Ａ回りに略４５°単位で回転移動させることによって、ワイヤ６および可動部材３１と牽引機構７との組み合わせを変更する組合せ変更機構３３を備えている。

具体的には、本体部３の外套管は、湾曲部５の基端に固定されワイヤ６の基端側の一部を収容する第１の部分３１０と、牽引機構７を収容する第２の部分３２０とを有している。組合せ変更機構３３は、第１の部分３１０に対して軸Ａを中心に回転可能に設けられた第２の部分３２０と、該第２の部分３２０を回転駆動するモータ（図示略）とからなる。

第２の部分３２０が回転すると、該第２の部分３２０に保持部３２によって保持されている牽引機構７が第２の部分３２０と一体に回転する。このときに、ねじ軸１０は、軸Ａを中心とする円筒面を構成する４つの可動部材３１の外周面に沿って移動し、それまで締結していた可動部材３１とは異なる可動部材３１のねじ溝３１ａと新たに締結する。これにより、ワイヤ６と該ワイヤ６に連結される牽引機構７との組み合わせが変更されるようになっている。

また、マニピュレータ１は、図９に示されるように、第１の実施形態において説明した、牽引機構７の故障を検出する故障検出部２３を備えている。

次に、このように構成されたマニピュレータ１を備える手術マニピュレータシステム１００の作用について説明する。
本実施形態に係る手術マニピュレータシステム１００によれば、マニピュレータ１を操作している最中にいずれかの牽引機構７が故障し、術者Ｙが入力部８１に入力した操作に従ってマニピュレータ１の湾曲部５が動作しなくなったときに、故障検出部２３によって牽引機構７の故障が検出される。制御装置６０は、図１２に示されるように、故障が検出されると（ステップＳ１１のＹＥＳ）、復帰モードを起動し（ステップＳ１２）、以下に示すように、正常な牽引機構７を利用して湾曲部５を体内から抜去可能な状態へと移行させる作業を実行する。

復帰モードにおいて、制御装置６０は、まず、第１の実施形態のステップＳ３と同様にして、故障の発生を術者Ｙに報知する（ステップＳ１３）。
次に、制御装置６０は、故障が検出されていない正常な牽引機構７を駆動することにより、可動部材３１を初期位置まで移動させ、ワイヤ６を初期状態に復帰する（ステップＳ１４）。このときに、制御装置６０は、牽引機構７の駆動に従って湾曲部５の湾曲角度が正常に変化したか否かを、故障検出部２３の曲率センサ２３１によって検出される湾曲角度から確認する（ステップＳ１５）。

次に、制御装置６０は、組合せ変更機構３３を作動させ、図１３Ａから図１３Ｃに示されるように、故障した牽引機構７の位置に正常な牽引機構７が配されるように、外套管の第２の部分３２０を回転させる（ステップＳ１６）。図１３Ａから図１３Ｃにおいて、図面を簡略にするために、ワイヤ６および牽引機構７は２組のみ図示している。次に、ステップＳ１４，Ｓ１５と同様にして、故障した牽引機構７と接続されていたワイヤ６を正常な牽引機構７によって初期状態に復帰する（ステップＳ１７，Ｓ１８）。複数の牽引機構７の故障が検出された場合には、ステップＳ１６からステップＳ１８を複数回繰り返す。これにより、全てのワイヤ６が初期状態に復帰し、湾曲部５が軸Ａに沿って略真っすぐな状態となる。この状態でマニピュレータ１が体内から抜去される（ステップＳ１９）。

湾曲部５が湾曲しているときに牽引機構７が故障すると、当該牽引機構７を用いてワイヤ６を駆動することができず、湾曲部５が湾曲したまま硬直した状態となる。そこで、本実施形態によれば、組合せ変更機構３３によって故障した牽引機構７と正常な牽引機構７とを入れ替え、正常な牽引機構７を用いてワイヤ６を初期状態に戻すことによって、湾曲部５を真っすぐな状態に復帰することができる。これにより、マニピュレータ１を体内から滑らかに抜去することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、牽引機構７が故障しているときは、術者Ｙが入力部８１に入力した通りに湾曲部５の湾曲角度が変化しなくなり、表示部８２に表示されているカメラ２５の視野が正常に移動しなくなる。したがって、術者Ｙは牽引機構７の故障を容易に認識することができる。そこで、術者Ｙが牽引機構７の故障を検出し、例えば、図示しないスイッチを押下するなどして手動で復帰モードを起動してもよい。

また、本実施形態においては、ねじ軸１０が可動部材３１に対して半径方向外方に配置された構成を例示したが、これに代えて、図１４に示されるように、ねじ軸１０が可動部材３１に対して半径方向内方に配置されていてもよい。

ワイヤ６の押し引きによる湾曲部５の湾曲角度の大きさは、ワイヤ６の半径方向の位置に依存する。すなわち、ワイヤ６と先端部４との接続位置がより半径方向外側であるほど、同一の角度だけ湾曲部５を湾曲させるために必要なワイヤ６の押し出し量または牽引量が小さくて済む。したがって、牽引機構７を半径方向内側に、可動部材３１およびワイヤ６を半径方向外側に配置することにより、より効率良く湾曲部５を湾曲させることができる。

この場合、可動部材３１は、図１４に示されるように、軸Ａを中心とする円弧状の横断面形状を有し、内周面にねじ溝３１ａが形成される。このようにすることで、組合せ変更機構３３の作動によって牽引機構７を軸Ａを中心に回転させたときに、ねじ軸１０をねじ溝３１ａが形成されている内周面に沿って容易に移動させることができる。

また、本実施形態においては、組合せ変更機構３３として、ワイヤ６および可動部材３１に対して牽引機構７を回転移動させる構成について説明したが、組合せを変更する際の牽引機構７の移動はこれに限定されるものではない。例えば、牽引機構７を、直線移動させることにより、ワイヤ６および可動部材３１と牽引機構７との組み合わせを変更してもよい。

図１５Ａおよび図１５Ｂは、牽引機構７を直線移動させる組合せ変更機構３３の一例である。この構成において、ワイヤ６、可動部材３１および牽引機構７は、軸Ａを挟んで対向する位置に２組備えられている。牽引機構７は、軸Ａ方向に押し引きされるレバー３５と、該レバー３５の押し引き運動を軸Ａに直交する方向の直線運動に変換して牽引機構７を移動させるリンク機構３６とを備えている。この構成において、可動部材３１は、２つのねじ軸１０が締結し得る２つの面にねじ溝３１ａが形成される。

また、本実施形態においては、駆動部９が湾曲部の基端側に設けられた構成を例示したが、駆動部９の配置はこれに限定されるものではなく、例えば、マニピュレータ１の基端側に駆動部９を設けても良い。
また、第１および第２の実施形態においては、カメラ２５および処置具２６を備えるマニピュレータ１について説明したが、必要に応じてカメラ２５を省略してもよい。

１ マニピュレータ
２ 挿入部
３ 本体部
３１０ 外套管、第１の部分
３２０ 外套管、第２の部分
４ 先端部
５ 湾曲部
５ａ 節輪
６ ワイヤ（線材）
７ 牽引機構
８ シャフト（シャフト部材、動力伝達部、動力変換部）
９ モータ（動力発生部）
１０ ねじ軸（ねじ軸部材、動力伝達部、連結部、動力変換部）
１１ ナット（ナット部材、動力伝達部、保持部材）
１２ ワイヤ弛緩部（線材弛緩部）
１３ 移動機構
１４ シャフト（動力変換部）
１５ モータ（回転力発生部）
１６ ねじ軸（動力変換部）
１７ ナット（動力変換部）
１８ 位置決め部材
１９ 位置決め解除機構
２０ 操作部
２１ シャフト
２２ ストッパ
２３ 故障検出部
２３１ 曲率センサ
２３２ 故障判定回路
２４ ライト
２５ カメラ
２６ 処置具
２６ａ 関節
３１ 可動部材（連結部）
３１ａ ねじ溝
３２ 保持部
３３ 組合せ変更機構
３５ レバー
３６ リンク機構
４０ ベッド
６０ 制御装置
８０ 操作装置
８１ 入力部
８２ 表示部
１００ 手術マニピュレータシステム
Ｘ 患者
Ｙ 術者

Claims (11)

1. 細長い本体部、該本体部の先端側に配置された先端部、および前記本体部と前記先端部との間に設けられた湾曲可能な湾曲部と、
   前記先端部に接続され前記湾曲部を通って前記本体部まで延びる複数の線材と、
   動力を発生する動力発生部と、
   前記本体部に設けられ、前記動力発生部によって発生された前記動力を前記線材の基端に前記本体部の長手方向の直線運動として伝達する複数の動力伝達部と、
   該動力伝達部から伝達された直線運動によって前記長手方向に押し引きされることにより前記先端部と前記動力伝達部との間で張力を発生した前記複数の線材を、前記先端部および前記複数の動力伝達部を互いに接近する方向に前記長手方向に相対移動させることにより弛緩させる線材弛緩部とを備え、
   前記線材弛緩部が、前記複数の動力伝達部を共通して保持するとともにこれら複数の動力伝達部と一体的に前記本体部に対して前記長手方向に移動可能に設けられた保持部材と、該保持部材を先端側に移動させる移動機構とを備えるマニピュレータ。
2. 前記移動機構が、
   回転力を発生する回転力発生部と、
   該回転力発生部によって発生された回転力を前記長手方向の直線運動に変換して前記保持部材に伝達する動力変換部とを備える請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記動力伝達部が、
   前記本体部に前記長手方向に沿って配置され前記動力発生部によって発生された動力によって前記長手方向の軸回りに回転させられるシャフト部材と、
   前記線材の基端部と前記シャフト部材とを連結するとともに前記シャフト部材と一体に回転させられるねじ軸部材と、
   該ねじ軸部材と締結され、回転する該ねじ軸部材を前記長手方向に送るナット部材とを備える請求項１に記載のマニピュレータ。
4. 細長い本体部、該本体部の先端側に配置された先端部、および前記本体部と前記先端部との間に設けられた湾曲可能な湾曲部と、
   前記先端部に接続され前記湾曲部を通って前記本体部まで延びる複数の線材と、
   動力を発生する動力発生部と、
   前記本体部に設けられ、前記動力発生部によって発生された前記動力を前記線材の基端に前記本体部の長手方向の直線運動として伝達する複数の動力伝達部と、
   該動力伝達部から伝達された直線運動によって前記長手方向に押し引きされることにより前記先端部と前記動力伝達部との間で張力を発生した前記複数の線材を、前記先端部および前記複数の動力伝達部を互いに接近する方向に前記長手方向に相対移動させることにより弛緩させる線材弛緩部とを備え、
   前記線材弛緩部が、前記湾曲部の基端を保持する保持部材と、該保持部材を基端側に移動させる移動機構とを備えるマニピュレータ。
5. 前記移動機構が、
   回転力を発生する回転力発生部と、
   該回転力発生部によって発生された回転力を前記長手方向の直線運動に変換して前記保持部材に伝達する動力変換部とを備える請求項４に記載のマニピュレータ。
6. 前記動力伝達部が、
   前記本体部に前記長手方向に沿って配置され前記動力発生部によって発生された動力によって前記長手方向の軸回りに回転させられるシャフト部材と、
   前記線材の基端部と前記シャフト部材とを連結するとともに前記シャフト部材と一体に回転させられるねじ軸部材と、
   該ねじ軸部材と締結され、回転する該ねじ軸部材を前記長手方向に送るナット部材とを備える請求項４に記載のマニピュレータ。
7. 細長い本体部、該本体部の先端側に配置された先端部、および前記本体部と前記先端部との間に設けられた湾曲可能な湾曲部と、
   前記先端部に接続され前記湾曲部を通って前記本体部まで延びる複数の線材と、
   前記本体部に設けられ、前記線材の基端部に連結される連結部、回転運動を発生する駆動部および該駆動部によって発生された回転運動を長手方向の直線運動に変換して前記連結部に伝達する動力変換部を有する複数の牽引機構と、
   前記線材と該線材に連結される前記牽引機構との組み合わせを変更する組合せ変更機構とを備えるマニピュレータ。
8. 前記動力変換部が、前記本体部の長手方向に沿って配置されてその中心軸回りに前記駆動部によって回転させられるシャフト部材と、該シャフト部材と同軸に設けられ該シャフト部材と一体に回転させられるねじ軸部材と、該ねじ軸部材が締結されるねじ溝を有するとともに前記線材の基端部に前記長手方向に移動可能に設けられた可動部材とを備え、
   前記連結部が、前記ねじ軸部材と前記可動部材とからなる請求項７に記載のマニピュレータ。
9. 前記組合せ変更機構が、前記線材に対して前記牽引機構を移動させることにより、前記線材と前記牽引機構との組み合わせを変更する請求項７に記載のマニピュレータ。
10. 前記本体部が、前記湾曲部に固定される第１の部分と、該第１の部分の基端側に該第１の部分に対して周方向に回転可能に設けられ前記牽引機構を収容する第２の部分とを有する筒状の外套管を備え、
    前記組合せ変更機構は、前記牽引機構を前記第２の部分と一体に回転させることにより、前記線材に対して前記牽引機構を移動させる請求項９に記載のマニピュレータ。
11. 前記牽引機構の故障を検出する故障検出部を備え、
    前記組合せ変更機構が、前記故障検出部によって前記牽引機構の故障が検出されたときに前記線材と前記牽引機構との組み合わせを変更する請求項７に記載のマニピュレータ。

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