JP7008924B2 - マニピュレータおよび手術支援ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明はマニピュレータに関し、例えば、外科手術、特に内視鏡下外科手術を行う際に用いられる、シャフトの先端に姿勢変更可能なエンドエフェクタを備えた医療用のマニピュレータ、および手術支援ロボットシステムに関する。

内視鏡下外科手術（または腹腔鏡下手術とも呼ばれる。）においては、患者の腹部等に複数の孔を開け、これらの孔にトラカール（筒状の器具）を挿入した後、各トラカールを通して、腹腔鏡（カメラ）と複数の鉗子を体腔内に挿入する。鉗子の先端部には、エンドエフェクタとして、生体組織を把持するためのグリッパや、鋏、電気メスのブレード等が取り付けられている。腹腔鏡と鉗子を体腔内に挿入したら、腹腔鏡に接続されたモニタに映る腹腔内の様子を見ながら鉗子を操作して手術を行う。このような手術方法は、開腹を必要としないため、患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は、適用分野の拡大が期待されている。

トラカールから挿入される鉗子として、先端部に関節を持たない一般的な鉗子に加えて、先端部に複数の関節を有して先端部の姿勢を変更できる鉗子、いわゆる医療用マニピュレータの開発が行われている。特許文献１に記載された医療用マニピュレータは、エンドエフェクタとしてグリッパを有し、グリッパ全体のピッチ軸回りの回転、ヨー軸回りの回転、グリッパ軸（＝ヨー軸）回りのグリッパの開閉が可能である。このような医療用マニピュレータによれば、体腔内で自由度の高い動作が可能であり、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなる。

特開２０１１－２００５９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構成では、ピッチ軸とヨー軸（グリッパ軸）の間に、機構干渉が生じる。例えば、ピッチ軸回りにグリッパ全体を回転させると、これに伴ってグリッパにヨー軸回りの回転が発生する。そのため、ピッチ軸を単独で動作させる場合、ヨー軸・グリッパ軸に対して機構干渉に応じた動作（アクチュエータの駆動）を行わなければならない。すなわち、ピッチ軸回りの回転を行う場合には、機構干渉を打ち消すためのヨー軸（グリッパ軸）回りの回転が必要となり、制御系の複雑さが生じる。また、把持力の調整は、生体組織を扱ううえで非常に重要であるが、機構干渉がある場合、ユーザ（医師、術者）の操作力を機械的に伝達してエンドエフェクタ（グリッパ）の把持力を調整することが困難となる。

本発明は、ワイヤの往復動作により駆動される被駆動部への機構干渉の発生を低減もしくは解消することを目的とする。

本発明の一態様によるマニピュレータは、
第１部材と、
前記第１部材を、第１回転軸を中心に回転可能に支持する第２部材と、
前記第１部材と接続し、前記第１部材の回転動作に応じて前記第１回転軸を中心とした円周上を移動する被駆動部と、
前記被駆動部を駆動する力を往復動作により提供する可撓性部材と、
前記第１部材の回転動作に応じて、前記可撓性部材の経路を変更させる弧状のガイド面を有する変更手段と、を備え、
前記弧状のガイド面は、前記第１部材が回転動作する間、前記可撓性部材の前記往復動作における往路と復路のそれぞれの経路長を実質的に維持するように配置されており、
前記第２部材は、前記第１部材を支持する側とその反対側とを連通し、前記可撓性部材の経路の一部を提供する連通部を有し、
前記変更手段は、前記連通部の一部を形成し、
前記連通部は、前記可撓性部材の前記往路と前記復路に対応して前記第２部材に別々に設けられた貫通穴を含み、
前記貫通穴は、前記可撓性部材を通した状態で５ｍｍＨｇ～２０ｍｍＨｇの気腹圧を維持できる気密性を有する。

本発明によれば、ワイヤの往復動作により駆動される被駆動部への機構干渉の発生が低減もしくは解消される。

図１は、実施形態によるマニピュレータの端部機構を示す斜視図である。 図２は、端部機構を構成する接続部材の構造を説明する図である。 図３は、実施形態によるマニピュレータにおけるワイヤのまき掛け状態を説明する図である。 図４は、弧状ガイド部の配置を説明する図である。 図５は、弧状ガイド部の配置を説明する図である。 図６は、ワイヤ長誤差ｅに関する計算結果の例を示す図である。 図７は、ワイヤ長誤差ｅに関する計算結果の例を示す図である。 図８は、ワイヤ長誤差ｅに関する計算結果の例を示す図である。 図９は、実施形態による医療用マニピュレータの外観を示す模式図（９ａ）と、操作部の構造を示す模式図（９ｂ）である。 図１０は、図９に示した医療用マニピュレータのＡ－Ａからみた模式図である。 図１１は、図９に示した医療用マニピュレータのラチェット機構を説明する模式図である。 図１２は、全軸の駆動をモータ駆動により行う医療用マニピュレータの外観を示す模式図（１２ａ）と、駆動部の構成例を示す模式図（１２ｂ）である。 図１３は、全軸の駆動をモータ駆動により行う医療用マニピュレータの他の構成の外観を示す模式図（１３ａ）と、駆動部の構成例を示す模式図（１３ｂ～１３ｃ）である。 図１４は、ワイヤの経路長の変化と機構干渉を説明する図である。 図１５は、手術支援ロボットシステムの構成例を示す図である。 図１６は、過負荷防止機構の構成例を示す図である。 図１７は、過負荷防止機構の他の構成例を示す図である。 図１８Ａは、医療用マニピュレータの他の例の外観および構造を示す図である。 図１８Ｂは、図１８Ａに示した医療用マニピュレータにおけるワイヤの経路を説明する図である。 図１９Ａは、医療用マニピュレータのさらに他の例の外観を示す図である。 図１９Ｂは、図１９Ａに示した医療用マニピュレータにおけるワイヤの経路を説明する図である。 図２０は、図１９Ａ，１９Ｂに示した医療用マニピュレータにおける、ワイヤの動作を説明する図である。 図２１は、ロール軸回りの回転が可能な医療用マニピュレータの構成例を示す図である。 図２２は、ワイヤのオフセット角度を説明する図である。 図２３は、ワイヤガイドプーリに代わるガイド部の例を示す図である。 図２４は、ワイヤガイド部材の他の例を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、以下では医療用マニピュレータについて説明するが、本発明は医療用に限定されるものではない。また、エンドエフェクタとしてグリッパを適用した例を説明するが、これに限定されるものでもない。また、以下の実施形態では、医療用マニピュレータの先端部に設けられた端部機構を説明するが、本発明は端部機構に限られるものではない。本発明は、ワイヤの往復動作によって駆動される被駆動部を接続する第１部材が、第１回転軸を中心に回転可能に第２部材に支持された構成を有する関節機構に適用され得るものである。

図９の９ａは、本実施形態による医療用マニピュレータ１の外観を示す図である。医療用マニピュレータ１は、端部機構１０、中空シャフト２０、操作部３０を有する。端部機構１０は中空シャフト２０の端部側に接続されており、操作部３０は中空シャフト２０の基部側に接続されている。

図１は、端部機構１０を示す斜視図である。端部機構１０は、被駆動部としてのエンドエフェクタ１００と、第１部材としての手首部材１２０と、第２部材としての接続部材１４０を有する関節機構を備える。エンドエフェクタ１００は端部機構１０の先端部に設けられる。手首部材１２０は、エンドエフェクタ１００を、第２回転軸としてのヨー軸１３１を中心に回転可能に支持する。接続部材１４０は、第１回転軸としてのピッチ軸１３２を中心に回転可能に手首部材１２０を支持するとともに中空シャフト２０と接続する。なお、ピッチ軸１３２は、中空シャフト２０の長手方向の軸である中心軸１３３とヨー軸１３１とを含む面に垂直な方向の軸である。エンドエフェクタ１００は、手首部材１２０とヨー軸１３１において接続し、手首部材１２０のピッチ軸１３２を中心とした回転動作に応じて、ピッチ軸１３２を中心とした円周上を移動することになる。

本実施形態では、エンドエフェクタ１００として、一対のグリッパ部材１０１ａ、１０１ｂにより構成されたグリッパを用いた例を説明する。グリッパ部材１０１ａとグリッパ部材１０１ｂは同様の構造を有しているので、以下、これらを区別しない場合には添え字を省略する。グリッパ部材１０１は、グリップ部１０２、ワイヤガイド部１０３、ワイヤ通路１０４を有する。グリッパ部材１０１は、回転軸１２２によってヨー軸１３１を中心に回転可能に手首部材１２０と接続されており、この回転によりグリッパ部材１０１のヨー方向への回転動作およびグリッパ部材１０１の開閉動作が実現される。すなわち、グリッパ部材１０１ａとグリッパ部材１０１ｂを同時に同じ方向へ回転させることで、エンドエフェクタ１００のヨー軸１３１を中心とした回転動作が実現される。また、グリッパ部材１０１ａとグリッパ部材１０１ｂのヨー軸１３１を中心とした反対方向への回転によりグリッパの開閉動作が実現される。したがって、本実施形態の端部機構１０では、ヨー軸１３１はグリッパ軸を兼ねている。なお、グリッパ部材１０１の回転動作の力は、ワイヤ通路１０４を通してワイヤガイド部１０３に沿って敷設されたワイヤ（図３の参照により後述する第１ワイヤ１６１と第２ワイヤ１６２）の往復動作により提供される。なお、ワイヤには、ステンレスやタングステンのような金属ワイヤに限らず、繊維系のロープ（例えばケブラーロープ）などの可撓性部材を用いることができるが、以下ではワイヤと記載する。

手首部材１２０は、取付部１２１と回転支持部１２３を有する。取付部１２１は、エンドエフェクタ１００（グリッパ部材１０１ａ、１０１ｂ）を、ヨー軸１３１を中心に回転可能に支持する。より具体的には、取付部１２１は、エンドエフェクタ１００のワイヤガイド部１０３ａ、１０３ｂをヨー軸１３１の方向に挟み、回転軸１２２によりワイヤガイド部１０３を回転可能に保持する。回転支持部１２３は、接続部材１４０に対してピッチ軸１３２を中心とした回転が可能に手首部材１２０を取り付けるための構成を有する。より具体的には、回転支持部１２３は、ピッチ軸１３２の方向へ突出した突起部１２４と、ピッチ軸１３２を中心として手首部材１２０を回転させる力を提供するためのワイヤ（図３により後述する第３ワイヤ１６３）が敷設されるワイヤガイド部１２５とを有する。手首部材１２０を回転する力は第３ワイヤ１６３の往復動作により提供される。突起部１２４は接続部材１４０により回転可能に支持される。なお、回転支持部１２３の突起部１２４の代わりに、回転支持部１２３に穴部を設け、突起部１２４を軸部材とし、軸と穴の関係の構成にしてもよい。

接続部材１４０は、中空シャフト２０の先端側と接続するための接続部１４１と、手首部材１２０を、ピッチ軸を中心として回転可能に支持する支持部１４２とを含む。図２に接続部材１４０の構造を示す。接続部１４１において外径が小さくなっている部分は、中空シャフト２０の内径と勘合する。支持部１４２において、軸受部１４３は手首部材１２０の突起部１２４を回転可能に支持する。手首部材１２０には、ワイヤガイド部１２５に沿って敷設されたワイヤによって中空シャフト２０の基部側へ向かう力が加わり、これにより手首部材１２０が接続部材１４０に回転可能に装着された状態となる。なお、上述のように突起部１２４を軸部材とする場合には、軸部材を軸受部１４３に固着してもよい。固着させることでワイヤの張力に関係なく、手首部材１２０が接続部材１４０に回転可能に装着された状態とすることができる。

接続部材１４０には、ワイヤを通すための貫通穴１４５ａ～１４５ｆが設けられている。グリッパ部材１０１ａを、ヨー軸１３１を中心として回転させるための第１ワイヤ１６１（図３）の往復動作の往路と復路には、貫通穴１４５ａ、１４５ｃが設けられている。また、グリッパ部材１０１ｂを、ヨー軸１３１を中心として回転させるための第２ワイヤ１６２（図３）の往復動作の往路と復路には貫通穴１４５ｂ、１４５ｄが設けられている。さらに、手首部材１２０を、ピッチ軸１３２を中心として回転させるための第３ワイヤ１６３（図３）の往復動作の往路と復路には貫通穴１４５ｅと１４５ｆが設けられている。これらの貫通穴１４５ａ～１４５ｆは、手首部材１２０を支持する側とその反対側である中空シャフト２０の内部とを連通させ、ワイヤが通るための連通部を形成している。なお、貫通穴１４５ａ～１４５ｄは、ワイヤの経路ごとに別々に設けられているがこれに限られるものではない。手首部材１２０が回転した際のワイヤの経路を弧状ガイド部１４４と連携して形成する構成であればよい。したがって、例えば、貫通穴１４５ａと１４５ｂを連結した長円形状、矩形形状など、中空シャフト２０との間にワイヤを通す連通部があればよい。

弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄは、エンドエフェクタ１００を、手首部材１２０に対してヨー軸１３１回りに回転させるためのワイヤ（第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２）の経路を変更するための弧状のガイド面を有する。弧状のガイド面の形状は、円弧、楕円弧などとすることができるが、本実施形態では円弧を適用する。弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄは、貫通穴１４５ａ～１４５ｄを有する連通部において、中心軸１３３とピッチ軸１３２を含む平面を上下から挟むように、弧状のガイド面を対向させて配置されている。こうして、弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄと貫通穴１４５ａ～１４５ｄは、手首部材１２０の回転に応じてワイヤの経路を変更する変更手段として機能する。なお、本実施形態では、弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄは同じ形状のガイド面を有しており、弧状ガイド部１４４ａと１４４ｃ、弧状ガイド部１４４ｂと１４４ｄは、ピッチ軸１３２と中心軸１３３を含む平面に対して対称に配置されている。貫通穴１４５ａ～１４５ｄは、ピッチ軸１３２と中心軸１３３を含む平面上において、それぞれピッチ軸と平行に並んでいる。

なお本実施形態では、ピッチ軸１３２と中心軸１３３を含む平面を挟んで手首部材１２０のピッチ軸回りの回転動作範囲が等しく、弧状ガイド部１４４ａと１４４ｂ、弧状ガイド部１４４ｃと１４４ｄのガイド面を対称に配置している。しかしながら、図１４により後述するように、弧状ガイド部１４４ａと１４４ｃ、弧状ガイド部１４４ｂと１４４ｄは、手首部材１２０の回転動作の間、ワイヤの往路と復路のそれぞれの経路長を維持するように配置されればよい。したがって弧状ガイド部１４４は必ずしも上記のように対称に配置される必要はなく、また、それらのガイド面の形状が互いに異なってよい。例えば、ピッチ軸１３２と中心軸１３３を含む平面を挟んで手首部材１２０のピッチ軸回りの回転動作範囲が異なる場合は、それぞれの回転動作範囲に応じて、弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄを配置すればよく、そのガイド面の形状も異なってよい。また、手首部材１２０が、ピッチ軸１３２と中心軸１３３を含む平面の片側のみで回転する場合、その平面の反対側に弧状ガイド部を配置する必要はない。ワイヤの経路、貫通穴１４５ａ～１４５ｄ、弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄの配置位置については、図４、図５により後述する。

図３は、本実施形態の医療用マニピュレータ１におけるワイヤの捲き付け状態を示す図である。グリッパ部材１０１ａ（１０１ｂ）を、回転軸１２２（ヨー軸１３１）を中心として回転させるための力を伝える第１ワイヤ１６１（第２ワイヤ１６２）は、中空シャフト２０から貫通穴１４５ａ（貫通穴１４５ｄ）を通って外部（手首部材１２０を支持する側）へ出る。第１ワイヤ１６１（第２ワイヤ１６２）は、ワイヤ通路１０４ａ（１０４ｂ）を通ってワイヤガイド部１０３ａ（１０３ｂ）に捲き付けられる。図示では、第１ワイヤ１６１（第２ワイヤ１６２）がワイヤガイド部１０３ａ（１０３ｂ）におよそ半周だけ捲き付けられているが、１回半程度捲き付けるのが好ましい。また、第１ワイヤ１６１（第２ワイヤ１６２）の少なくとも一部を、ワイヤガイド部１０３ａ（１０３ｂ）に固定することで、ワイヤの滑りのない動力伝達が可能となる。第１ワイヤ１６１（第２ワイヤ１６２）は、貫通穴１４５ｃ（１４５ｂ）を通って再び中空シャフト２０の内部へ入る。第１ワイヤ１６１（第２ワイヤ１６２）の往復動作によりグリッパ部材１０１ａ（１０１ｂ）がヨー軸１３１を中心に回転する。以上のように、第１ワイヤ１６１と第２ワイヤ１６２は、１対のグリッパ部材１０１ａ、１０１ｂを、ヨー軸１３１を中心に個別に回転させる。

第３ワイヤ１６３は、貫通穴１４５ｅを経て中空シャフト２０の内部から外部（手首部材１２０を支持する側）へ出て、ワイヤガイド部１２５に捲き付けられ、貫通穴１４５ｆから中空シャフト２０の内部へ戻る。第３ワイヤ１６３の往復動作により、手首部材１２０が接続部材１４０に対して、ピッチ軸１３２を中心として回転する。第１ワイヤ１６１および第２ワイヤ１６２と同様に、図示では、第３ワイヤ１６３がワイヤガイド部１２５におよそ半周だけ捲き付けられているが、１回半程度捲き付けるのが好ましい。また、第３ワイヤ１６３の少なくとも一部を、ワイヤガイド部１２５に固定することで、ワイヤの滑りのない動力伝達が可能となる。上述したように、第３ワイヤ１６３により手首部材１２０は中空シャフト２０の基部側へ引っ張られ、これにより突起部１２４が軸受部１４３に押し当てられて接続部材１４０に支持される。

以上のような構造によれば、手首部材１２０がピッチ軸１３２を中心として回転した場合に、弧状ガイド部１４４によって第１ワイヤ１６１および第２ワイヤ１６２の方向が変更されることになる。しかしながら、後述の通り、弧状ガイド部１４４による経路の変更は、第１ワイヤ１６１および第２ワイヤ１６２の経路長の変化を無視できる程度に微小にすることが可能である。そのため、手首部材１２０が回転しても、グリッパ部材１０１を回転させるような力（機構干渉）が発生しない関節機構が得られる。

図１４は、経路長の変化と機構干渉を説明する図である。なお、図１４では、ピッチ軸が回転軸１４０２に対応し、ヨー軸が回転軸１４０１に対応するが、説明をわかりやすくするために回転軸１４０１と回転軸１４０２が互いに平行な軸の場合について示している。図１４の１４ａは、特許文献１の構成のように、回転軸１４０１を中心に回転する第１プーリ１４１１と回転軸１４０２を中心に回転する第２プーリ１４１２によりワイヤ１４２１の経路が形成される場合である。第１プーリ１４１１の先端位置１４４１を境として、ワイヤ１４２１の往路と復路が規定されるとする。矢印１４３１のように回転軸１４０２を中心として回転すると、第１プーリ１４１１の先端位置１４４１から第２プーリ１４１２の位置１４４２までのワイヤ１４２１の経路長は、経路長ａ１から経路長ａ２に変化する。結果、回転後の経路長ａ１に対応する位置は、先端位置１４４１からずれることになり、第１プーリ１４１１に回転軸１４０１回りの回転が生じることになる。このように、回転軸１４０１回りの回転を行う第１プーリ１４１１とその前段の第２プーリ１４１２との間で、ワイヤの往路と復路の経路長の比が変動すると、機構干渉が生じる。

一方、図１４の１４ｂでは、回転軸１４０２の位置でワイヤ１４２１を屈曲させている。この場合、回転前のワイヤ１４２１の往路の経路長ｂ１と回転後のワイヤ１４２１の往路の経路長ｂ２は等しい。このように、往路と復路の経路長およびその比に変化は生じない（往路と復路のそれぞれの経路長が維持される）ので、第１プーリ１４１１の回転軸１４０１回りの回転は発生しない。但し、ワイヤ１４２１を図１４ｂのように屈曲させることはできないので、本実施形態では、弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄを配置して経路を変更させている。図１、図２に示されるように、本実施形態では、貫通穴１４５ａ～１４５ｄがピッチ軸１３２と中心軸１３３を含む平面上においてピッチ軸１３２と平行に並ぶように設けられている。弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄの弧状のガイド面は、ワイヤの往路と復路の経路長およびその比に変化が発生しないように設けられる。すなわち、ワイヤの往復動作における往路と復路のそれぞれの経路長を維持するように（経路長の変化が無視できる程度となるように）配置されている。なお、経路長を維持するとは、例えば、ワイヤの伸縮などにより経路長の変化が吸収され、エンドエフェクタ１００に影響を与えない、あるいはその影響が無視できる程度に、経路長の変化を抑えることである。

上述のような貫通穴１４５ａ～１４５ｄと弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄの適切な配置により、ピッチ軸とヨー軸（グリッパ軸）の間に、機構干渉がほぼ存在しない端部機構１０（関節機構）が得られる。そのため端部機構１０におけるピッチ軸およびヨー軸を中心とした回転の制御が容易になり、高い制御性が得られる。また、全手動もしくはモータ駆動と手動のハイブリッド駆動のロボット鉗子を提供することが可能になる。そのようなロボット鉗子については、図９の参照により後述する。また、本実施形態の端部機構１０によれば、プーリの数が減少し、当然にプーリを支持するための軸の数も減少するなど、特許文献１の構成と比べても明らかなように、部品点数が大幅に減少する。そのため、端部機構１０の部品コスト、製造コストが低減される。また、安価にマニピュレータを提供できるため、ディスポーザブルなマニピュレータの提供も可能である。

また、本実施形態の端部機構１０は、ピッチ軸１３２を中心としたプーリが存在せず、且つ、ヨー軸１３１とピッチ軸１３２の間にプーリが介在しない構成であるため、ヨー軸１３１とピッチ軸１３２の距離（オフセット）を小さくすることができる。その結果、小回りの利く、使いやすいマニピュレータを実現することができる。

また、貫通穴１４５ａ～１４５ｆの各々は、ワイヤを通した状態で５～２０ｍｍＨｇの気腹圧を維持できる気密性を有している。したがって、図９に示されるような医療用マニピュレータ１の全体において、気腹圧を維持するための気密性を確保する必要がなくなり、容易にかつ低コストに医療用マニピュレータ１を提供できる。なお、接続部材１４０およびワイヤの部材がステンレスのような金属同士で気密性を有するのが困難な場合は、貫通穴１４５の基部側にワイヤが通過可能な貫通穴１４５より細径の貫通穴を有するゴム部材を設ける、または、樹脂コーティングされたワイヤを用いるなどしても良い。

また、手首部材１２０がピッチ軸回りに回転した場合、第１ワイヤ１６１と第２ワイヤ１６２の通路は、弧状ガイド部１４４の弧状のガイド面に沿ったものとなる。これにより、手首部材１２０がピッチ軸回りに回転してワイヤの方向が変更されても、ワイヤを屈曲させるようなことはなくワイヤの曲げ半径を確保した状態でグリッパ部材１０１をスムーズに動かすことができ、ワイヤの寿命を大幅に伸ばすことができる。また、弧状ガイド部としてプーリを用いた場合、接続部材１４０の外径に納まるようにプーリを配置するためには、プーリ径を小径化しなければならないため、ワイヤの曲げ半径を十分に確保するのが困難となる。なお、ワイヤガイド部１０３の径、ワイヤガイド部１２５の径、弧状ガイド部１４４ａ～１４４ｄの弧状のガイド面の径は、端部機構１０に要求される大きさ、巻かれるワイヤの径と必要な耐性（ワイヤの寿命）の関係から適宜決定されればよい。

一方、ガイド面の円弧形状の中心位置や半径が適切でない場合、手首部材１２０の角度によって第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２の経路長が変化する。第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２の経路長の変動量は、弧状ガイド部１４４のガイド面の円弧形状の中心、半径をパラメータとして変化する。弧状のガイド面の中心、半径を、ワイヤの経路長の変動が極力少なくなるように選択することが好ましい。そこで、以下、弧状のガイド面として円弧形状のガイド面を有する弧状ガイド部１４４を用いた場合の、ワイヤの経路長の変動を抑えるという上記観点から、弧状ガイド部１４４の配置に関する適切なパラメータについて説明する。

図４はピッチ軸を中心とした手首部材１２０（エンドエフェクタ１００）の回転動作と、ワイヤの経路長の変動（以下、ワイヤ長誤差という）を説明する図である。

図４の４ａは、ピッチ軸を紙面に対して垂直方向とした場合の、第１ワイヤ１６１の経路の変化を示す図である。図４ａでは、エンドエフェクタ１００を支持する手首部材１２０がピッチ軸を中心として９０度回転する場合の経路の変化が示されている。また、弧状ガイド部１４４の円弧形状のガイド面を形成する円６０１を重ねて表記するとともに、ピッチ軸１３２の中心からワイヤガイド部１０３までの距離を半径とした円６０２を表記している。円６０２は、手首部材１２０がピッチ軸１３２を中心として回転した場合に、エンドエフェクタ１００（ワイヤガイド部１０３）がその上を移動する円周を示している。また、座標系としては、ピッチ軸１３２に垂直な面上において、ピッチ軸１３２の位置を原点とし、原点を通り互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸とした座標系が用いられる。また、ｘ軸とｙ軸を含む面をｘｙ面と称する。特に、図４ａでは、中空シャフト２０の長手方向の軸である中心軸１３３とｘ軸を一致させた座標系が設定されている。すなわち、中心軸１３３を含みピッチ軸に垂直な面において、ピッチ軸回転中心を原点（０，０）とし、中心軸１３３をｘ軸、ｘ軸に原点位置で直交する軸をｙ軸とする。円６０１ａと円６０１ｂの中心はｙ軸方向に平行に並び、それらの中心を結ぶ線とｘ軸の交点を通り、ｘｙ面に垂直方向の線上に貫通穴１４５ａ～１４５ｄが配置される。

図４ｂは、図４ａにおける円６０１ａと円６０２を抜き出して示した図であり、第１ワイヤ１６１の経路と貫通穴１４５ａ（１４５ｃ）の位置が模式的に示されている。円６０１ａの半径ｒ_１は、弧状ガイド部１４４の半径にワイヤの径の１／２を足した大きさであり、その中心座標を（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）とする。ｙ_ｂ＝ｒ_１とすることで、中空シャフト２０の中心軸と円６０１ａが接するようになるため、ワイヤの屈曲を防止する観点からは、ｙ_ｂ＝ｒ_１または－ｒ_１であることが好ましい。また、円６０２の半径をｒ_２とする。手首部材１２０の回転角度が－x軸に対して０度の場合、貫通穴１４５ａの位置（座標（ｘ_ａ，０））から円６０２の円周上までの長さはｒ_２＋ｘ_ａである。手首部材１２０のピッチ軸回りの回転角度（以下、ピッチ軸動作角度）が３０度、６０度、９０度におけるワイヤの経路は図示のようになる。ピッチ軸動作角度＝０度以外では、座標（ｘ_ａ，０）から円６０２の円周上までの長さは、円６０２の円周上から円６０１ａの円周にワイヤが接するまでの長さｌ_ａと、円６０１ａの円周に沿った座標（ｘ_ａ，０）までの長さｌ_ｂとの和になる。したがって、ワイヤ長誤差ｅを、ｅ＝（ｒ_２＋ｘ_ａ）－（ｌ_ａ＋ｌ_ｂ）と定義する。

図６の６ａは、ｒ_１＝２ｍｍ、ｒ_２＝９．２ｍｍ、ｙ_ｂ＝ｒ_１＝２ｍｍとした場合に、ピッチ軸動作角度が－x軸に対して０度～９０度の範囲でのワイヤ長誤差ｅの変化を、異なるｘ座標値ｘ_ａについて計算した結果を示すグラフである。この例では、ｘ_ａを０から１．６ｍｍの間で０．２ｍｍごとに変化させている。いずれのｘ座標値においても、ピッチ動作角度に応じてワイヤ長誤差ｅが変化することがわかる。図６の６ｂは、ピッチ動作角度が０度～９０度の範囲のワイヤ長誤差ｅの二乗平均平方根（ＲＭＳ）を上記のｘ_ａごとに計算した結果を示すグラフである。このグラフからもわかるように、ピッチ軸動作角度が０度～９０度までのワイヤ長誤差ｅのＲＭＳが最小になるのはｘ_ａ＝１の時である。したがって、ワイヤ誤差長ｅのＲＭＳを最小にするｘ_ａとｙ_ｂは、
ｘ_ａ＝ｒ_１／２、ｙ_ｂ＝ｒ_１または－ｒ_１ ... （１）
となる。よって、（１）式に示される位置（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）を中心とした半径ｒ_１（厳密にはｒ_１からワイヤ径の１／２を引いた半径）の円弧形状の面を有する弧状ガイド部１４４を用いることで、ピッチ軸１３２を中心に手首部材１２０を回転させた際のワイヤ長誤差を最小にすることができる。

なお、ピッチ軸動作角度の範囲が９０度より小さい場合は、ワイヤ長誤差ｅのＲＭＳの値が、その範囲に応じて変化する。図７の７ａは、ピッチ軸動作角度の上限値と、ワイヤ長誤差ｅのＲＭＳの値の最小値との関係を示している。図７の７ｂは、ピッチ軸動作角度の上限と、ワイヤ長誤差ｅのＲＭＳが最小値となる円６０１ａの中心位置のｘ座標との関係を示すグラフである。図７ｂからわかるように、ピッチ軸動作角度の範囲の上限、すなわち、手首部材１２０のピッチ軸１３２を中心とした回転動作の最大角度を－ｘ軸に対してｎ°（｜ｎ｜≦９０）とした場合は、
ｘ_ａ＝（ｒ_１／２）（｜ｎ｜／９０）、ｙ_ｂ＝ｒ_１または－ｒ_１ ... （２）
のときにワイヤ長誤差ｅのＲＭＳが最小になる。

なお、ワイヤ長誤差の絶対値の平均値についても、ほぼ同様の傾向にある。したがって、ピッチ軸動作角度の範囲が－ｘ軸に対してｎ°の場合に、（２）式に示される位置（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）を中心とした半径ｒ_１（厳密にはｒ_１からワイヤ径の１／２を引いた半径）の円弧形状の面を有する弧状ガイド部１４４を用いるのがよい。また、この場合、貫通穴１４５ａの端部側の位置は、（ｘ_ａ，０）となる。なお、弧状ガイド部としてプーリを用いた場合も同様の効果が得られる。また、－ｘ軸に対する回転の最大角度は、正方向と負方向で異なっていてもよい。その場合、（２）式から得られるｘ座標は異なる値となる。したがって、対向する２つの弧状ガイド部１４４ａと１４４ｂ、弧状ガイド部１４４ｃと１４４ｄは、ピッチ軸１３２あるいはピッチ軸１３２と中心軸１３３を含む平面に対して対称とはならない。

また、図６ｂから、ｘ_ａ＝（ｒ_１／２）に対して、±３０％（０．７ｘ_ａ～１．３ｘ_ａ）の範囲では、ワイヤ長誤差ｅのＲＭＳが０．２ｍｍ以下となっており、ｒ_２＋ｘ_ａ＝９．２＋１＝１０．２ｍｍに対して、２％程度以下の誤差に抑えることが可能となる。したがって、好ましいｘ_ａの範囲の一例として、０．７×（ｒ_１／２）≦ｘ_ａ≦１．３×（ｒ_１／２）が挙げられるが、これに限定されるものではない。ｙ_ｂについては、加工誤差やワイヤのスムーズな動作を阻害しない範囲で、ｙ_ｂ≒ｒ_１とするのが望ましい。

以上、弧状ガイド部１４４の最適な配置について検討した。図４では、ワイヤの屈曲を防止するために貫通穴１４５と弧状ガイド部１４４との接続部分における連続性を維持するという観点から、円弧形状の中心位置のｙ座標が円６０１ａの半径ｒ_１に固定されている。しかしながら、これに限られるものではなく、ｙがｒ_１より小さくてもよい。図５を参照して説明する。

図５の５ａは、上述の（１）式に従って配置された円６０１ａを示しており、その中心位置の座標は（ｘ_ａ＝ｒ_１／２，ｙ_ｂ＝ｒ_１）である。この円６０１ａの中心位置を、上記座標からｘ座標が増加し、ｙ座標が減少する方向へ移動させた様子を図５の５ｂに示す。なお、第４象限における弧状ガイド部１４４の中心位置の場合、ｙ座標は増加する方向へ移動させることになる。円６０１ａとｘ軸との末端側（手首部材１２０側）の交点６１１が貫通穴１４５ａの位置となる。円６０２の円周上から円６０１ａの円周にワイヤが接するまでの長さをｌ_ａ、ワイヤが円６０１ａに接してから交点６１１までの距離をｌ_ｂ、円６０２とｘ軸の交点６１２から交点６１１までの長さをｌ_ｃとすると、ワイヤ長誤差ｅは、ｅ＝ｌ_ｃ－（ｌ_ａ＋ｌ_ｂ）と定義できる。

この場合のワイヤ長誤差ｅの計算例を図８に示す。図８の８ａは、計算に用いた円弧形状の中心位置（円６０１ａの中心位置）の座標Ｏ、Ａ～Ｅを示している。この例では、ｒ_１＝１．７５であり、座標Ｏは、上述した式（１）または（２）により求まる座標（ｒ_１／２，ｒ_１）＝（0.875, 1.75）である。座標Ａ～Ｅは、それぞれ、（1, 1.7）、（0.9, 1.6）、（1, 1.6）、（1.1, 1.6）、（1, 1.5）である。座標Ｏ、座標Ａ～Ｅを中心位置とした場合のそれぞれのワイヤ長誤差ｅとピッチ軸動作角度との関係を図８の８ｂに示す。これらのようなワイヤ長誤差ｅのＲＭＳを円弧形状の中心位置の座標ごとに作図し、計算してみると、座標Ａ～Ｅの場合の方が、座標Ｏの場合よりも小さいＲＭＳが得られる。すなわち、総じて図４ｂの状態（円弧形状の中心位置が座標Ｏ（ｘ_ａ＝ｒ_１／２、ｙ_ｂ＝ｒ_１）の場合）よりも、円弧形状の中心位置が図８ａにおける座標Ａ～Ｅの方が小さいＲＭＳが得られる。したがって、
ｘ_ａ＞（ｒ_１／２）、ｙ_ｂ＜ｒ_１またはｙ_ｂ＞－ｒ_１ ... （３）
としてもよいことがわかる。また、（２）式のように回転動作の最大角度を｜ｎ｜°とした場合に、
ｘ_ａ＞（ｒ_１／２）（ｎ／９０）、ｙ_ｂ＜ｒ_１またはｙ_ｂ＞－ｒ_１ ... （４）
としてもよいことがわかる。

なお、（ｒ_１／２，ｒ_１）の座標を（0.875, 1.75）としたとき、円６０１ａの中心位置の座標が（1, 1.6）の近傍でワイヤ長誤差ｅのＲＭＳが最小となる。上記の例では、ｘの最大（1.1,1.6）、ｙの最小（1,1.5）について求めており、この範囲に円６０１ａの中心位置がある場合、ワイヤ長誤差ｅは、中心位置が（0.875, 1.75）にある場合よりも小さくなっている。したがって、たとえば、ｘ_ａ＝ｒ_１／２～＋３０％、ｙ_ｂ＝ｒ₁～－３０％とすると、ｘ座標の上限値、ｙ座標の下限値は（1.14, 1.23）となり、座標Ａ～Ｅはすべてこの範囲に収まり、この範囲であればワイヤ誤差長ｅのＲＭＳが小さくなる。したがって、（３）、（４）式におけるｘ座標の上限値、ｙ座標の下限値（第４象限の場合は下限値）が以下のように設定されてもよい。すなわち、（３）式に関して、
ｘ_ａ＜（ｒ_１／２）×１．３（≒1.14）
ｙ_ｂ＞ｒ_１×０．７（≒1.23）またはｙ_ｂ＜－ｒ_１×０．７（≒－1.23）
となる。或いは、上記（４）式に関して、
ｘ_ａ＜（ｒ_１／２）（｜ｎ｜／９０）×１．３
ｙ_ｂ＞ｒ_１×０．７（≒1.23）またはｙ_ｂ＜－ｒ_１×０．７（≒－1.23）
となる。なお、かっこ内の≒で示した数値は、中心位置が（ｒ_１／２＝0.875、ｒ_１＝1.75）の場合の値である。

なお、上記の説明では、ピッチ軸の最大動作角度をｎ°として説明したが、実際の使用時の主たる動作の最大角度を考慮しても良い。例えば、設計上の動作領域が±９０°の場合でも、おもな動作領域が±８０°であるような場合、この範囲のワイヤ誤差長ｅのＲＭＳを含めて判断しても良い。例えば、ｎ°＝９０°の時のＲＭＳが最小でない場合でも、ｎ°＝８０°の時のＲＭＳがより小さくなるのであれば、ｎ°＝８０°の時のＲＭＳが最小となる位置を、円弧形状の中心位置としても良い。上記の図８の検討例においては、ｎ＝９０の場合に、座標Ｃ（1, 1.6）に円６０１ａを配置するとＲＭＳが最小になることを示した。しかしながら、座標（1, 1.55）の近傍が、ｎ°＝９０°の時のＲＭＳは最小ではないが、十分に小さく、さらにｎ°＝８０°の時のＲＭＳがより小さくなる。よって、設計上の動作領域が±９０°であっても、おもな動作領域が±８０°であれば、座標（1, 1.55）を中心として円６０１ａを配置するようにしても良い。

なお、交点６１１（貫通穴１４５の出口）においてワイヤの屈曲が発生するが、その角度は鈍角であるため、ワイヤの寿命に与える影響は小さい。好ましくはｘ軸と円６０１ａの交点における円６０１ａの接線と、ｘ軸とがなす角度を３０°程度以下にすると良い。交点６１１において、ワイヤのよりスムーズな通過を実現させるために、交点６１１の屈曲部すなわち貫通穴１４５ａ～１４５ｄのエッジをなくすためのＲ加工を施してもよい。したがって、弧状ガイド部１４４のガイド面を式（２）のように設定することで、ワイヤの経路長の変動をきわめて小さくすることができる。また、このような円弧形状の配置はプーリを用いた構成では実現できず、弧状ガイド部１４４を採用したことにより得られる効果の一つである。

なお、上記では、ワイヤは手首部材１２０の中心線上に配置されており、手首部材１２０のピッチ軸回りの回転角度（以下、ピッチ軸動作角度）が０°の時、ワイヤはｘ軸に一致している状態、つまり、ワイヤが弧状ガイド部１４４（円６０１ａ）に接触していない状態をワイヤの初期位置として、弧状ガイド部１４４（円６０１ａ）の位置を求めたが、これに限られるものではない。たとえば、ワイヤが複数存在する場合など設計上、ワイヤを手首部材１２０の中心線上に配置するのが困難な場合がある。図２２に示されるように、ワイヤ２２０１の初期角度が、ｘ軸とＩ°オフセットしている場合は、オフセット角度Ｉに応じて円弧ガイドの位置を適宜修正すればよい。なお、ワイヤの初期角度とは、手首部材１２０の中心線２２０２とｘ軸とのなす角度が０°の場合に、ワイヤとｘ軸とのなす角度である。例えば、図２２に示されるようにオフセットＩが正方向の回転位置に存在する場合、式（２）あるいは式（４）のｎを、正方向回転の場合はｎ＋Ｉ、負方向回転の場合はｎ－Ｉとする。さらに、ｎがプラス・マイナスの両振りとなる場合は、その平均を取り（ｎ＋Ｉ＋ｎ－Ｉ）／２＝ｎとするようにしてもよい。このように、概ね｜ｎ｜－｜Ｉ｜～｜ｎ｜＋｜Ｉ｜の範囲で式（２）あるいは式（４）のｎを適宜設定すればよい。すなわち、式（２）では、ｘ_ａを（ｒ_１／２）（（｜ｎ｜－｜Ｉ｜）／９０）≦ｘ_ａ≦（ｒ_１／２）（（｜ｎ｜＋｜Ｉ｜）／９０）の範囲で設定すればよく、式（４）では、ｘ_ａを１．３×（ｒ_１／２）（（｜ｎ｜＋｜Ｉ｜）／９０）＞ｘ_ａ＞（ｒ_１／２）（（｜ｎ｜－｜Ｉ｜）／９０）の範囲で設定するようにすればよい。これにより、ワイヤのオフセットを考慮した設計が可能となる。

また、ワイヤが複数本ある場合は、各ワイヤのオフセット角度の平均値Ｉaverage°、または、最大値Imax°、または、最小値Ｉmin°などを考慮して、ｎ－Ｉmax°～ｎ＋Ｉmax°の範囲で適宜設定すればよい。あるいは、ワイヤが複数本ある場合、個々のワイヤごとに、中心位置および／または径が異なる円弧ガイドを設定しても良い。例えば、図１に示されるような、複数の駆動部（本例ではグリッパ）を駆動するために複数の可撓性部材が用いられる構成の場合に、弧状ガイド部１４４が、複数の可撓性部材のそれぞれの経路に沿って独立した弧状のガイド面を提供するようにしてもよい。

次に、図９～図１１の参照により、上述した端部機構１０を有するロボット鉗子である医療用マニピュレータ１について説明する。上述した端部機構１０は中空シャフト２０に接続され、中空シャフト２０は操作部３０に接続される。中空シャフト２０は、内部に第１ワイヤ１６１～第３ワイヤ１６３の経路を提供することが可能な中空のシャフト部材である。例えば、医療以外の用途で、第１ワイヤ１６１～第３ワイヤ１６３を露出させてもよいような場合、シャフト部材は中空でなくてもよいし、シャフト以外の構造物であってもよい。第１ワイヤ１６１～第３ワイヤ１６３は、貫通穴１４５から中空シャフト２０の内部に入り、操作部３０に到達する。

操作部３０は、中空シャフト２０を接続し、ユーザの操作に応じて第１ワイヤ１６１～第３ワイヤ１６３の往復動作の力を生成する構成を備える。操作部３０においてボタン３０１は、ピッチ軸１３２を中心とした手首部材１２０の駆動を指示するための操作スイッチである。すなわち、第３ワイヤ１６３の往復動作はモータ３１１（図９の９ｂ）により行われる。なお、ボタン３０１を反対側にも配置することで、左右どちらの手で操作部３０を把持した場合でもボタン３０１の操作が可能となる。把持部３０２は、ユーザが医療用マニピュレータ１を保持するために利用可能な部材である。操作レバー３０３は、ユーザがヨー軸１３１を中心としたエンドエフェクタ１００の回転（グリッパの開閉を含む）を操作するための部材である。操作レバー３０３は、ユーザの操作に応じて回転可能であり、ユーザによる操作レバー３０３への回転操作の力は第１ワイヤ１６１と第２ワイヤ１６２の往復動作に変換される。

収納部３０４は、手首部材１２０を回転させるための第３ワイヤ１６３を駆動するモータ３１１、モータの駆動に関わる制御回路（不図示）、バッテリ（不図示）を収納する。なお、軽量化のため、制御回路の一部または全体、バッテリは、ケーブル接続にして外部に配置するなどしてもよい。制御回路は、たとえば、モータを駆動するための駆動回路、ボタン３０１の操作に応じてモータの駆動を指示するためのモータコントローラを含む。また、収納部３０４またはモータ３１１を、操作部３０から着脱できる構成としても良い。

図９ｂ、図１０に示されるように、モータ３１１の駆動シャフトにはプーリ３１２が装着されており、プーリ３１２には第３ワイヤ１６３が捲かれている。第３ワイヤ１６３の方向はプーリ３１３により中空シャフト２０の軸方向に変換され、端部機構１０へ向かう。こうして、モータ３１１は、手首部材１２０を接続部材１４０に対して回転するための駆動力を提供する。操作レバー３０３は図１０に示されるように１対の操作レバー３０３ａ、３０３ｂで構成され、操作レバー３０３ａの回転操作に応じてプーリ３１６が、操作レバー３０３ｂの回転操作に応じてプーリ３１７が回転する。プーリ３１６には第１ワイヤ１６１が捲き付けられており、プーリ３１４とプーリ３１３により、中空シャフト２０内部を通り、端部機構１０へ向かう。同様に、プーリ３１７には第２ワイヤ１６２が捲き付けられており、プーリ３１５とプーリ３１３により、中空シャフト２０内部を通り、端部機構１０へ向かう。図１０には、図９ｂのＡ－Ａから見たプーリ３１３，３１４，３１５の配置が模式的に示されている。このように、操作レバー３０３、プーリ３１６，３１７は、ユーザによる操作力を、往復動作を行う駆動力として第１ワイヤ１６１および第２ワイヤ１６２に伝える伝達部材として機能する。

ユーザは把持部３０２を保持しながらボタン３０１を操作することにより、エンドエフェクタ１００のピッチ軸を中心とした回転を行うことができる。なお、ボタン３０１およびモータ３１１の代わりに、プーリ３１２を手動で回転させるためのダイヤルを設けて、ピッチ軸を中心とした手首部材１２０の回転を、ダイヤルへの手動操作により行うマニュアル駆動の構成としてもよい。また、操作レバー３０３の回転によりエンドエフェクタ１００のヨー軸を中心とした回転を行うことができる。例えば操作レバー３０３の一方の開閉動作を親指で、他方の開閉動作を人差し指で行うことにより、親指と人差し指で摘まむのに似た操作感覚でグリッパ部材１０１を開閉させることができ、より直観的な操作感をユーザに与える。プーリ３１６、３１７とワイヤガイド部１０３ａ、１０３ｂの直径比を変えることで、操作レバー３０３とエンドエフェクタ１００の開閉角度の比を変えることができる。つまり、エンドエフェクタ１００の開閉角度の拡大または縮小ができ、操作性が向上する。なお、操作レバー３０３の代わりに、プーリ３１６とプーリ３１７を駆動するためのモータを設けて、ボタン操作によりエンドエフェクタ１００のヨー軸を中心とした回転（グリッパの回転および開閉）を行わせるようにしてもよい。

また、操作レバー３０３には、親指、人差し指、中指などを挿入できるリング形状の部材を付加してもよい。この構成を図１１の１１ａと１１ｂを用いて説明する。図１１ａ、図１１ｂに示されるように、ユーザの指を挿入可能なリング形状の部材７１０ａ、７１０ｂを操作レバー３０３ａ、３０３ｂに付加することで、操作レバー３０３を開閉する操作が容易になる。例えば、剥離鉗子として組織の剥離作業を行う場合に、必要に応じて大きな剥離力をエンドエフェクタ１００に伝達することが可能となる。また、リング形状の部材７１０により、医療用マニピュレータ１を保持することも可能なため、把持部３０２のない操作部３０の構成も可能である。なお、医療用マニピュレータ１を持針器と用いる場合は、大きな剥離力は不要なため、操作レバー３０３を常に開く方向に作用するばねなどを配置することで、湾曲針の取り扱いが容易となる。

また、操作レバー３０３ａ、３０３ｂに、閉状態を維持するためのラチェット機構を設けてもよい。ラチェット機構について図１１の１１ａ～１１ｄを用いて説明する。図１１ａは、ラチェット機構７０１により操作レバー３０３ａと３０３ｂが閉じた状態に維持されている様子を示す。この状態では、エンドエフェクタ１００のグリッパ部材１０１ａ、１０１ｂが閉じた状態に維持される。ユーザは、グリッパを閉じた状態での、エンドエフェクタ１００のヨー軸を中心とした回転を容易に行うことができる。図１１ｂは、ラチェット機構７０１の維持状態が解除されて、操作レバー３０３ａ、３０３ｂを開いた状態を示す。この状態において、グリップも開いた状態となる。ラチェット機構７０１による閉状態の維持を解除するための機構として、例えば、図１１ｃに示されるような解除ボタン７０２を設けてもよい。あるいは、例えば、図１１ｄに示されるように操作レバー３０３ａ、３０３ｂを閉じる方向へさらに押し込むことにより、ラチェット機構７０１の維持状態が解除されるような機構としてもよい。

なお、図９ｂで、プーリ３１２を中空シャフト２０の側へ偏心させてもよい。前述のとおり、ピッチ軸１３２を中心とした回転動作により、ワイヤ長誤差ｅが生じる。ワイヤ長誤差ｅが正ということは、第１ワイヤ１６１および第２ワイヤ１６２が縮むということである。基本的にワイヤは初期張力により伸びている状態なので、縮む方向に姿勢は変化しようとする。例えば、ピッチ軸角度の絶対値が小さい領域においてワイヤ長誤差ｅが正の傾向にある場合は、ピッチ軸角度の絶対値が大きい方向に変化しようとする。そこで、ピッチ軸角度の絶対値が小さい状態で、プーリ３１２を先端部側に（図９ｂでは中空シャフト２０の側へ）偏心させてもよい。このようにプーリ３１２を偏心させることで、ピッチ軸角度の絶対値が大きくなるとともに、第３ワイヤ１６３が伸びるため、逆に、ピッチ軸角度の絶対値が小さい方向に変化しようとする。前者のピッチ軸角度の絶対値が大きい方向に変化する状況と、後者のピッチ軸角度の絶対値が小さい方向に変化しようとする状況により、両者を相殺することができ、より安定な制御が可能となる。さらに、ピッチ軸回りの回転をモータ駆動ではなく、マニュアル駆動とするときは、ユーザの直接的な操作性にかかわるため、より大きな効果が得られる。

以上のように、上記実施形態の医療用マニピュレータ１によれば、貫通穴１４５と弧状ガイド部１４４の構成により、手首部材１２０の周辺の構造・形状を簡略化できるとともに、部品点数を大幅に削減してコストを低減できる。また、医療用マニピュレータ１によれば、組立が容易となり、組立コストも大幅に削減できる。また、ピッチ軸の動作が、ヨー軸動作に実質的に影響を与えない非干渉駆動機構の実現が可能となる。そのため、医療用マニピュレータ１の制御性が向上し、また、ユーザ（術者）の機械的な操作力のトルクによりエンドエフェクタ（グリッパ）を操作することが可能となり、生体組織のデリケートな取り扱いが可能となる。特に、グリッパにより組織などを挟む操作を術者であるユーザのマニュアル操作により行うことができ、グリッパによる把持力をユーザが直接的に調整できる。さらに、ピッチ軸とヨー軸のオフセット量が低減されており、手術支援ロボットに適用した場合、手首姿勢を含めた動作領域の拡大が可能となる。

なお、本実施形態では、グリッパ部材１０１の把持動作やヨー軸動作は、ユーザが操作レバー３０３で操作するため、第１ワイヤ１６１および第２ワイヤ１６２には過大な負荷が生じる可能性がある。そこで、操作レバー３０３からグリッパ部材１０１までの駆動系に、所定の負荷以上が付加された場合にのみ変形し、所定の負荷が解除された場合には、初期の状態に復帰するような過負荷防止機能を有する部材を備えることが望ましい。以下、そのような過負荷防止機能を提供する構造の一例を図１６、図１７を用いて説明する。以下では、可撓性部材であるワイヤに加わる負荷が所定以上になると変形することにより、ワイヤに加わる負荷を所定以下に抑える過負荷抑止構造の例について説明する。

図１６は、第１ワイヤ１６１～第３ワイヤ１６３（以下、ワイヤと記載する）のそれぞれに適用が可能な過負荷防止部１６００を示す図である。過負荷防止部１６００は、シリンダ部１６０１、ピストン部１６０２、弾性部材としてのばね１６０３を有し、シリンダ部１６０１の一端とピストン部１６０２の一端がそれぞれワイヤと接続し、当該ワイヤを中継している。図１６の１６ａに示される状態で、ばね１６０３は、所定の力Ｆで縮められた状態でシリンダ部１６０１に収納されている。ワイヤ張力ｆがＦ以下の場合（ｆ≦Ｆ）の間は、ばね１６０３が伸びようとする力が勝るため、図１６ａの状態（シリンダ部１６０１にピストン部１６０２の頭部分が押し付けられた状態）が維持される。ワイヤ張力ｆがＦを超えると（ｆ＞Ｆ）、ばね１６０３はさらに縮み、図１６の１６ｂに示されるように張力ｆに応じて過負荷防止部１６００の長さがｄだけ長くなるように変形する。ワイヤ張力ｆがＦ以下になると再び図１６ａの状態に戻る。このように、張力ｆに応じて過負荷防止部１６００が伸びる結果、ワイヤに加わる張力が制限され、ワイヤの切断などの発生が防止される。所定の力Ｆは、通常の使用範囲での最大張力と同等以上、ワイヤの破断張力以下とするのが望ましい。また、過負荷防止機構が作用している状態においても、張力ｆがワイヤの破断張力以下となるように構成するのが望ましい。なお、各ワイヤにそれぞれ２ヶ所配置することが考えられるが、例えば、グリッパを閉じる時など過負荷状態を限定できる場合は、第１ワイヤ１６１～第２ワイヤ１６２の把持動作側のみに配置しても良い。

図１７は、過負荷防止機構の他の例を示す図である。図１７では、操作レバー３０３を第１レバー３２１と第２レバー３２２に分割し、それらを弾性部材７２０で接続している。ユーザの指による力は、第１レバーに加わり、図９～図１１により上述したように、ユーザの操作力に応じてグリッパを開閉させることができる。この状態が図１７の１７ａである。しかしながら、所定の力を超えてエンドエフェクタであるグリッパを閉じようとすると、弾性部材７２０が屈曲し、図１７の１７ｂに示すように操作レバー３０３は、第１レバー３２１と第２レバー３２２の接続部で屈曲することにより変形し、所定の力を超えてグリッパを閉じることができない。したがって、ワイヤには過負荷がかからず、ワイヤの切断などの発生が防止される。

次に、手術支援ロボットシステムにおける医療用のロボットに装着可能な医療用マニピュレータについて、図１２、図１３を参照して説明する。なお、医療用のロボットは、６軸垂直多関節型アーム、７自由度冗長多関節型アーム、トラカール部に不動点機構を有する極座標型アームなど、特に限定するものではない。手術支援ロボットシステムの例については図１５により後述する。医療用ロボットに装着して使用する医療用マニピュレータの場合、第１ワイヤ１６１～第３ワイヤ１６３の全てがモータにより駆動される。図１２の１２ａは、端部機構１０における全軸（ヨー軸（グリッパ軸）、ピッチ軸）の駆動をモータ駆動により行う医療用マニピュレータ１ａの外観を示す図である。医療用マニピュレータ１ａは、端部機構１０、中空シャフト２０、駆動部４０を有する。医療用マニピュレータ１ａは、医療用マニピュレータ１（図９ａ）の操作部３０を駆動部４０で置き換えた構成である。駆動部４０は、モータ駆動部４０１とプーリ収納部４０２を有する。

図１２の１２ｂはモータ駆動部４０１とプーリ収納部４０２の内部構成例を示す図である。モータ駆動部４０１は、エンドエフェクタ１００の１対のグリッパ部材１０１を、ヨー軸１３１を中心に回転させるための第１モータ４１１と第２モータ４１２、および、手首部材１２０をピッチ軸１３２を中心に回転させるための第３モータ４１３を有する。第１モータ４１１の駆動軸にはプーリ４２１ａが固定されており、駆動軸とともに回転する。プーリ４２１ａには第１ワイヤ１６１が捲き付けられている。また、第２モータ４１２の駆動軸にはプーリ４２２ｂが固定されており、駆動軸とともに回転する。プーリ４２２ｂには第２ワイヤ１６２が捲き付けられている。プーリ４２２ａは、第２モータ４１２の駆動軸に対して回転自在に取り付けられており、第１ワイヤ１６１をガイドする。第３モータ４１３の駆動軸にはプーリ４２３ｃが固定されており、駆動軸とともに回転する。プーリ４２３ｃには第３ワイヤ１６３が捲き付けられている。プーリ４２３ａ、４２３ｂは、第２モータ４１２の駆動軸に対して回転自在に取り付けられており、それぞれ第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２をガイドする。なお、プーリ４２２ａ、プーリ４２３ａ、４２３ｂは、ワイヤと駆動軸に干渉がない場合は省略されても良い。また、モータ駆動部４０１をプーリ収納部４０２から着脱できる構成としても良い。あるいは、モータ駆動部４０１をロボット側に配置し、プーリ収納部４０２から先端部側を、ロボットに着脱可能な構成としても良い。この場合、例えば、第１モータ４１１～第３モータ４１３の駆動軸とプーリ４２１～４２３とは、カップリングを介して、着脱が可能に接続される。

図１３の１３ａは端部機構１０における全軸（ヨー軸（グリッパ軸）、ピッチ軸）の駆動をモータ駆動により行う医療用マニピュレータ１ｂの外観を示す図である。医療用マニピュレータ１ｂは、端部機構１０、中空シャフト２０、駆動部５０を有する。医療用マニピュレータ１ｂは、医療用マニピュレータ１（図９ａ）の操作部３０を駆動部５０で置き換えた構成である。

図１３の１３ｂ、１３ｃは駆動部５０の内部構成を示す図である。駆動部５０の内部には、エンドエフェクタ１００の１対のグリッパ部材１０１をヨー軸１３１を中心に回転させるための第１モータ５１１と第２モータ５１２、および、手首部材１２０をピッチ軸１３２を中心に回転させるための第３モータ５１３を有する。第１モータ５１１の駆動軸にはプーリ５２１が固定されている。プーリ５２１には第１ワイヤ１６１が捲き付けられており、第１ワイヤ１６１はプーリ５２４ａにより中空シャフト２０の軸方向へ方向が変換される。第２モータ５１２の駆動軸にはプーリ５２２が固定されている。プーリ５２２には第２ワイヤ１６２が捲き付けられており、第２ワイヤ１６２はプーリ５２４ｂにより中空シャフト２０の軸方向へ方向が変換される。第３モータ５１３の駆動軸にはプーリ５２３が固定されている。プーリ５２３には、第３ワイヤ１６３が捲き付けられており、第３ワイヤ１６３はプーリ５２４ｃを介して中空シャフト２０の軸方向に沿って端部機構１０へ向かうように方向が変換される。なお、図１２と同様に、第１モータ５１１～第３モータ５１３を含む部分と、プーリ５２１～５２４を含む部分とで着脱が可能な構成としてもよい。この場合、例えば、第１モータ５１１～第３モータ５１３とプーリ５２１～５２３とは、カップリングを介して接続される。

以上説明した医療用マニピュレータ１ａ、１ｂは、例えば図１５に示すような手術支援ロボットシステム８００に適用することができる。以下、医療用マニピュレータ１ａを適用した手術支援ロボットシステムの構成例を説明する。手術支援ロボットシステム８００は、医療用のロボットの一例としての多関節型のロボットアームである多自由度アーム８０２と、コンソール８０４とを有し、マニピュレータ１ａは多自由度アーム８０２の先端に接続されている。多自由度アーム８０２は、マニピュレータ１ａを移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。コンソール８０４は、テーブル型、制御盤型等の構成を採りうる。

多自由度アーム８０２は、独立的な６以上の関節（回転軸やスライド軸等）を有すると、マニピュレータ１ａの位置及び向きを任意に設定できて好適である。マニピュレータ１ａは、多自由度アーム８０２の先端部８０８と一体化している。多自由度アーム８０２は、コンソール８０４の作用下で動作し、プログラムによる自動動作や半自動動作、コンソール８０４に設けられたジョイスティック８０６に倣った遠隔操作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。コンソール８０４には、操作指令部としての２つのジョイスティック８０６と、モニタ８１０が設けられている。図示を省略するが、２つのジョイスティック８０６により、２台の多自由度アーム８０２を個別に操作することが可能である。２つのジョイスティック８０６は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ８１０には、軟性鏡による画像等の情報が表示される。

ジョイスティック８０６は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び傾動動作が可能であり、これらの動作に応じて多自由度アーム８０２を動かすことができる。ジョイスティック８０６はマスターアームであってもよい。多自由度アーム８０２とコンソール８０４との間の通信手段は、有線、無線、ネットワーク又はこれらの組合せでよい。ジョイスティック８０６には、トリガレバー８３２が設けられており、このトリガレバー８３２を操作することによりグリッパの回転、開閉操作が可能である。なお、トリガレバー８３２は、図９～図１１で説明した操作レバー３０３のような形態であってもよい。また、ボタンスイッチ８３４はピッチ軸回りの動作を指示する。ボタンスイッチ８３４は、図９～図１１で説明したボタン３０１のように、移動方向に応じて分離されたスイッチであってもよい。

なお、マニピュレータ１ａは、医療用のものとして説明したが、使用用途はこれに限らず、医療用以外の産業用にも適用できる。例えば、本実施の形態に係るマニピュレータは、エネルギー機器やエネルギー施設などの狭隘部や人が直接作業することのできない場所で、把持感覚や強い把持力を必要とする補修作業やメンテナンス作業を行うロボット、マニピュレータ及び先端動作部に適用することで、同様の効果が得られることはもちろんである。

以上のように、本実施形態によれば、機構干渉が無い、または、無視し得る程度に低減された端部機構１０を用いることにより、端部機構１０をモータ駆動により制御する場合に機構干渉に関わる制御が不要となる。そのため、医療用のロボットにマニピュレータ１ａ，１ｂを装着して用いる場合に、端部機構１０の制御が容易になる。また、上述したように、端部機構１０の構造は極めて簡素化されており、安価な医療用マニピュレータ１ａ、１ｂを提供することができる。

なお、上記実施形態では、エンドエフェクタ１００としてグリッパを適用したがこれに限られるものではなく、例えば、エンドエフェクタ１００としてプローブを適用してもよい。その場合、エンドエフェクタ１００をヨー軸１３１中心に回転させるためのワイヤは、１本のワイヤがあればよい。上記実施形態では、第１回転軸としてピッチ軸１３２、第２回転軸としてヨー軸１３１の場合について示したが、第２回転軸は、ピッチ軸やロール軸の構成でも良い。さらに、第２回転軸と第１回転軸の間に別の回転軸が存在する構成でもよい。その場合、別の回転軸で部材が回転しても被駆動部を駆動するワイヤの経路長が維持されるようにするために、別の回転軸の部分にも、上述した弧状ガイド部材を設ければよい。被駆動部は、実施形態で示したエンドエフェクタのほか、アーム部材、回転軸支持部材、動力伝達部材などが考えられる。また、端部機構１０に適用した上述の関節機構は、マニピュレータの任意の位置の関節機構に適用できる。

＜他の実施形態＞
図９～図１１において、端部機構１０と中空シャフト２０と操作部３０を備えた医療用マニピュレータ１の例を上述した。上記の例では、操作部３０の把持部３０２は中空シャフト２０に対して固定されていたが、これに限られるものではない。医療用マニピュレータの他の構成例について図１８Ａ、図１８Ｂを用いて説明する。なお、図１８Ａ，図１８Ｂにおいて、図９～図１１に示した構成と同様の機能を有する構成には、同一の参照番号を付してある。

中空シャフト２０は、端部機構１０を接続し、第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２、第３ワイヤ１６３の往路と復路を提供する中空が形成されたシャフト部材である。操作部３０は、中空シャフト２０を支持する操作部本体１８００と、操作部本体１８００に対してヨー・グリッパ回転軸１８０２を軸として回転可能に装着されたハンドル部１８０１を有する。このように、ハンドル部１８０１は、中空シャフト２０（シャフト部材）の長手方向と略直交する回転軸（ヨー・グリッパ回転軸１８０２）を中心として回転可能に操作部本体１８００と接続されている。ハンドル部１８０１が操作部本体１８００に対してヨー・グリッパ回転軸１８０２回りに回転自在に支持されていることで、操作者によるヨー軸操作、グリッパ軸操作の操作性が飛躍的に向上する。ハンドル部１８０１は、ユーザが把持するための把持部３０２を含む。把持部３０２の内部には、手首部材１２０を回転させるための（ピッチ軸回りの回転動作を行うための）モータ３１１に対して電力を供給するバッテリ（不図示）が格納され得る。モータ３１１は収納部３０４に収納されており、プーリ３１２を回転させることにより第３ワイヤ１６３を駆動し、結果、手首部材１２０をピッチ軸回りに回転させる。プーリ３１２の先端にはストッパ１８１１が接続されており、手首部材１２０のピッチ軸回りの動作範囲を規定している。他の実施形態と同様にモータ３１１、バッテリを着脱可能としても良い。

操作レバー３０３ａはプーリ３１６に連結されており、操作レバー３０３ａの操作によりプーリ３１６が回転する。プーリ３１６の回転は第１ワイヤ１６１を駆動し、左側のグリッパ部材１０１ａ(図１）をグリッパ軸（ヨー軸）回りに回転させる。同様に、操作レバー３０３ｂはプーリ３１７に連結されており、操作レバー３０３ｂの操作によりプーリ３１７が回転する。プーリ３１７の回転は第２ワイヤ１６２を駆動し、右側のグリッパ部材１０１ｂ(図１）をグリッパ軸（ヨー軸）回りに回転させる。

手首部材１２０をピッチ軸回りに駆動するための第３ワイヤ１６３は、端部機構１０から鉗子シャフトである中空シャフト２０の内部を通過し、操作部本体１８００のワイヤガイドプーリ１８１４で上方向にワイヤ経路を変更し、操作部本体１８００上部のプーリ３１２に基本的に滑らない状態で巻き掛けられている。プーリ３１２は、ピッチ軸駆動用のモータ３１１に接続された、ピッチ軸駆動用のプーリである。プーリ３１２の先端部には、ストッパ１８１１が構成されており、ピッチ軸の動作範囲を制限している。プーリ３１２と端部機構１０のワイヤガイド部１２５の径は、モータ３１１の駆動トルク、プーリ３１２の動作範囲などによって、適宜決定すればよい。

モータ３１１の駆動電力は、ハンドル部１８０１内（把持部３０２内）に内臓されたバッテリ（不図示）から、不図示の配線を介して供給される。なお、ハンドル部１８０１内には、バッテリの他、必要に応じて、電気回路・マイコン・センサなどが収納されても良い。もちろん、別途、別置きのコントローラを設置し、ケーブルなどにより接続しても良い。

ヨー軸およびグリッパ軸回りの駆動を行うための第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２も同様に、端部機構１０から鉗子シャフト内（中空シャフト２０内）を通過し、操作部本体１８００内のワイヤガイドプーリ１８１４を経由して、操作部本体１８００後端部の左および右グリッパ駆動用のプーリ３１６，３１７に基本的に滑らない状態で巻き掛けられている。左グリッパ駆動用のプーリ３１６は左グリッパ操作用のインタフェースである操作レバー３０３ａと一体となっており、操作者の操作力・操作角度は、操作レバー３０３ａを介してプーリ３１６に伝達される。右グリッパ用のプーリ３１７は、ヨー・グリッパ回転軸１８０２に配置された中心軸シャフト（不図示）を介して右グリッパ操作用のインタフェースである操作レバー３０３ｂと結合されており、操作者の操作力・操作角度は、操作レバー３０３ｂと中心軸シャフトを介して、右グリッパ駆動用のプーリ３１７に伝達される。なお、右グリッパ駆動用のプーリ３１７と操作レバー３０３ｂと中心軸の三者は、止めねじなどにより固定することで、結合されている。

左グリッパ駆動用のプーリ３１６と左グリッパ操作用の操作レバー３０３ａは一体化または結合されて、左グリッパ駆動部を構成している。右グリッパ駆動用のプーリ３１７と中心軸シャフト（不図示）と右グリッパ操作用の操作レバー３０３ｂは一体化または結合されて、右グリッパ駆動部を構成している。操作部本体１８００、ハンドル部１８０１、左グリッパ駆動部および右グリッパ駆動部は、それぞれお互いが、ヨー・グリッパ回転軸１８０２回りに回転自在に接続されている。ヨー・グリッパ回転軸１８０２は、右グリッパ駆動部の中心軸シャフトの軸と一致する。また、ハンドル部１８０１、左グリッパ駆動部および右グリッパ駆動部は軸受を介して接続することでよりスムーズな動作が可能となる。このように、図１８Ａ，１８Ｂの医療用マニピュレータ１では、ユーザの操作に応じて回転可能な操作レバー３０３ａ、３０３ｂへの回転操作の力がそれぞれ第１ワイヤ１６１と第２ワイヤ１６２の往復動作に変換される。ここで、操作レバー３０３ａ、３０３ｂの回転軸と、操作部本体１８００とハンドル部１８０１を回転可能に接続するためのヨー・グリッパ回転軸１８０２とが同軸となっている。結果、コンパクトで使い勝手の良い医療マニピュレータが提供される。

なお、左および右グリッパ駆動用のプーリ３１６、３１７と端部機構１０のワイヤガイド部１０３の径は、ヨー・グリッパ軸の操作トルク、ヨー・グリッパ軸の操作範囲などによって、適宜決定すればよい。プーリ３１６、３１７の径をワイヤガイド部１０３の径より大きくすること、すなわち、増速することで、少ない操作角度でヨー・グリッパ軸を駆動することができる。これにより、特に、ヨー軸操作時の操作者手首の動作角度を低減させることができ、操作性が向上する。

操作部本体１８００の先端側すなわち中空シャフト２０の後端側にワイヤガイドプーリ１８１４を配置することで、第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２、第３ワイヤ１６３の経路を確実にかつ滑らかに、それぞれのプーリへ誘導することができる。なお、ワイヤガイドプーリ１８１４は回転自在のプーリではなく円弧ガイドにしてもよい。また、中空シャフト２０は、割締め部１８１２により操作部本体１８００に固定される。これにより、操作部３０全体と中空シャフト２０が、所定のワイヤ張力を加えた状態で、固定され得る。

鉗子シャフト内（２０中空シャフト）には、ワイヤガイド部材が１個乃至複数個配置されている。図１８Ａ、１８Ｂでは、１つのワイヤガイド部材１８１３が示されている。第１ワイヤ１６１～第３ワイヤ１６３をワイヤガイド部材１８１３に設けられた穴に通過させることにより、ワイヤの引き回しが容易となるとともに、ワイヤのねじれや接触による組立不良や駆動時のトラブルを低減させることができる。また、ワイヤガイド部材１８１３は気密部材として利用することも可能である。

操作者はハンドル部１８０１を保持する（把持部３０２を把持する）ことで、医療用マニピュレータ１全体を安定に保持し、かつ、端部機構１０の患者腹腔内の位置を、操作者の意図通りに自在に誘導することができる。端部機構１０の姿勢誘導は、操作部３０全体を回転させることによる中空シャフト２０の軸回りの回転、すなわち、ロール軸と、端部機構１０のピッチ軸とヨー軸の３つの姿勢軸により決定することができる。さらに、グリッパ軸によりグリッパ部材１０１の開閉を行うことができる。したがって、端部機構１０の位置・姿勢誘導方法において、別途、操作インタフェースが必要となるのは、ピッチ軸・ヨー軸・グリッパ軸である。

ピッチ軸の構成と操作方法
ピッチ軸操作は、ハンドル部１８０１を保持し、把持部３０２に配置されたピッチ軸操作インタフェースとしてのボタン３０１により行うことができる。例えば、ボタン３０１（例えば、タクタイルスイッチ）を回転自在ハンドル前面部に上下に配置し、中指で上側のボタンを押すと上方向に、薬指で下側のボタンを押すと下方向にピッチ軸が動作するように構成すると、より、直感的な操作が可能となる。但し、操作する指は特に問わない。また、タクタイルスイッチの代わりにスライド式のスイッチ、ジョイスティックや力覚センサなどがボタン３０１として用いられても良い。また、非操作時には、モータにブレーキがかかる構成としても良い。モータの角度制御により現在の角度を保持する制御や、モータの電極を短絡させることでブレーキをかけることが可能である。そのほか、ピッチ軸の原点復帰用のボタンなども把持部３０２に配置しても良い。

ヨー軸・グリッパ軸の構成と操作方法
ヨー軸・グリッパ軸の操作は、ハンドル部１８０１を保持し、グリッパ操作インタフェースである操作レバー３０３により行うことができる。例えば、右手でハンドル部１８０１を保持する場合、人差し指を右グリッパ操作インタフェースとして操作レバー３０３ｂの操作指カバー（部材７１０ｂ）に挿入し、親指を左グリッパ操作インタフェースとしての操作レバー３０３ａの操作指カバー（部材７１０ａ）に挿入する。端部機構１０のヨー軸を操作する場合は、操作レバー３０３ａと操作レバー３０３ｂをともにヨー・グリッパ回転軸に対して右ないし左に回転操作することで、プーリ３１６、３１７が同方向に回転され、グリッパ部材１０１がヨー軸方向に動作する。この時、ハンドル部１８０１は、操作部本体１８００に対してヨー・グリッパ回転軸回りに回転自在に支持されているため、回転自在ハンドルは、操作者のヨー軸操作とともない自然に回転し、操作者にとって違和感のない角度になる。その結果、操作性が飛躍的に向上する。ハンドル部１８０１の回転角度は、ヨー動作時に支障のない範囲で最小限にするのが望ましい。すなわち、左・右グリッパ操作インタフェースのヨー軸角度と同等が良い。

端部機構１０のグリッパ軸を操作する場合は、操作レバー３０３ａと操作レバー３０３ｂを、お互いに反対方向になるようにヨー・グリッパ回転軸に対して回転操作する。これにより、プーリ３１６とプーリ３１７はお互いに反対方向に回転され、グリッパ部材１０１を開閉することができる。ヨー軸・グリッパ軸の構成と操作方法により、操作者の手首の動きと指の動きが、端部機構１０のヨー・グリッパ軸の動作と同一となり、直感的な操作が可能となる。

図１９Ａは、医療用マニピュレータ１のさらに別の形態を示す図である。図１９Ａでは、操作部３０のうちの操作部本体１８００の一部（後端側）とハンドル部１８０１が示されている。操作部本体１８００の先端側（中空シャフト２０との接続部、ピッチ軸駆動用のモータ３１１を装着する構成など）は図１８Ａ，１８Ｂと同様である。また、ハンドル部１８０１は、中空シャフト２０（シャフト部材）の長手方向と略直交する回転軸（ヨー軸回転軸１８２１）を中心として回転可能に操作部本体１８００と接続されている。図１８Ａ，１８Ｂで説明した操作部３０の構造との差異は、ヨー軸回転軸１８２１に回転自在にヨー軸プーリ１８２２が設けられていること、操作レバー３０３ａ、３０３ｂおよびプーリ３１６、３１７の回転軸（グリッパ軸１８２３）とヨー軸回転軸１８２１が同軸ではないこと、ハンドル部１８０１の構成・形状など、である。

図１９Ｂの１９ｂは第１ワイヤ１６１のプーリへの巻き付け状態を説明する図であり、図１９Ｂの１９ｃは第２ワイヤ１６２のプーリへの巻き付け状態を説明する図である。第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２はそれぞれ図１９ｂ、図１９ｃに示されるように、矢印ａ～ｊの順にプーリ３１６、３１７およびヨー軸プーリ１８２２に巻き付けられている。また、図２０の２０ａと２０ｂは、操作部本体１８００に対してハンドル部１８０１をヨー軸回りに回転させたときの第１ワイヤ１６１と第２ワイヤ１６２の動きを示している。本例によるワイヤの巻き付け方式によれば、左右のグリッパ部材１０１ａ、１０１ｂがそれらの開閉状態（角度）を維持した状態でヨー軸回りに回転する。また、図２０の２０ｃと２０ｄは、それぞれ操作レバー３０３ａ、３０３ｂをグリッパ軸１８２３周りに回転させたときの第１ワイヤ１６１と第２ワイヤ１６２の動きを示している。この場合、左右のグリッパ部材１０１ａ、１０１ｂのグリッパ軸に対する回転動作は互いに同期し、常に左右のグリッパ部材１０１ａ、１０１ｂが中心軸１３３（図１）に対して同じ角度だけ開くことになる。なお、プーリ３１６とプーリ３１７部に一対の歯車を配置して同期させることで、ワイヤの巻き付けを簡略化してもよい。

以上のように、図１９Ａに示した医療用マニピュレータ１では、操作部本体１８００とハンドル部１８０１を回転可能に接続するヨー軸回転軸１８２１が、操作レバー３０３ａ、３０３ｂの回転軸（グリッパ軸１８２３）よりも中空シャフト２０から遠い位置にある。このような構成によれば、ヨー軸操作とグリッパ軸操作を分離することができる。また、ヨー軸回転軸１８２１と操作者の手首関節軸が近くなるので、ヨー軸操作がより直感的になる。さらに、操作レバー３０３ａに連結したプーリ３１６と、操作レバー３０３ｂに連結したプーリ３１７と、ヨー軸回転軸１８２１の回りを回転するヨー軸プーリ１８２２とを有し、１対のグリッパ部材１０１ａ、１０１ｂの動きが同期するように第１ワイヤ１６１と第２ワイヤ１６２がこれらプーリに巻かれている。結果、グリッパの先端を所望の位置で開閉することが容易となり、操作性が向上する。

以上説明した医療用マニピュレータ１では、操作部３０と中空シャフト２０が固定されており、ロール軸回りの回転は操作者が操作部３０を手動で回転させることにより実現していた。しかしながら、医療用マニピュレータ１はこのような構成に限られるものではなく、例えば、ロール軸回りの回転をモータ駆動により実現するようにしてもよい。

図２１は、図１３で説明した、端部機構１０における全軸（ヨー軸（グリッパ軸）、ピッチ軸）の駆動をモータ駆動により行う医療用マニピュレータ１ｂに、ロール軸駆動用のモータ２１０２を追加したものである。中空シャフト２０は、駆動部５０とベアリング２１０１を介して接続されており、中空シャフト２０は駆動部５０に対して回転自在に保持される。モータ２１０２のモータ軸２１０３の先端にはギア２１０４が設けられている。ギア２１０４は、中空シャフト２０に設けられたギア２１０５と噛み合わさっている。モータ２１０２の駆動によりモータ軸２１０３が回転するとギア２１０４が回転し、ギア２１０５が回転する。これにより、中空シャフト２０のロール軸回りの回転が実現する。

一対のギア２１０４、２１０５の代わりにベルトやワイヤなどの動力伝達部材を用いても良い。第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２、第３ワイヤ１６３の方向転換には、図１３で説明したようなプーリ５２４（あるいは、図１８Ｂに示すワイヤガイドプーリ１８１４と同様にワイヤの方向を変換する機能を持つ）を用いても良いし、図２３に示すような円弧ガイド２３０１を用いても良い。円弧ガイド２３０１は、中央の貫通穴と周囲の壁部までを接続する面が所定の径の円弧で形成され、第１ワイヤ１６１～第３ワイヤ１６３をそれぞれのモータのプーリへ向かうように方向変換する。なお、円弧ガイド２３０１の弧状の面は、円弧に限られるものではなく、楕円弧などが用いられてもよい。

また、図１２、図１３により上述した構成と同様にモータ５１１、５１２、５１３、２１０２とプーリ５２１、５２２、５２３、モータ軸２１０３との間で着脱可能とし、駆動部５０を分離できるようにしても良い。また、必要に応じ動作角度を制限するストッパ、モータ回転角度や速度検出のためのエンコーダ、原点センサなどを組み込んでも良い。本実施形態においては、ロール軸を駆動することにより、第１ワイヤ１６１、第２ワイヤ１６２、第３ワイヤ１６３がねじれ、ワイヤの経路長が微小に変化する。そこで、図２４の２４ａに示すようなワイヤを通過させる穴が中心部近傍に配置されたワイヤガイド部材２４０１を中空シャフト２０の中間付近に配置してもよい。例えば、図２４の２４ｂに示されるように、ワイヤ２４０２の経路は、ロール軸駆動により、実線で示された経路から破線で示された経路へ変化する。ワイヤガイド部材２４０１を配置することにより、図２４の２４ｃに示されるように、ワイヤガイド部材２４０１が配置された位置までの区間２４０３の間は、ロール軸駆動による経路の変化がほとんど生じない。ワイヤガイド部材２４０１より先端側において、ワイヤ２４０２の経路は実線で示された経路から破線で示された経路へ変化する。したがって、このような構成によれば、ワイヤ経路長の変化を小さく抑えることが可能となるとともにワイヤのねじれや接触によるトラブルを回避することができる。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

本願は、２０１７年１１月１日提出の日本国特許出願特願２０１７－２１１８９１を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (30)

1. 第１部材と、
   前記第１部材を、第１回転軸を中心に回転可能に支持する第２部材と、
   前記第１部材と接続し、前記第１部材の回転動作に応じて前記第１回転軸を中心とした円周上を移動する被駆動部と、
   前記被駆動部を駆動する力を往復動作により提供する可撓性部材と、
   前記第１部材の回転動作に応じて、前記可撓性部材の経路を変更させる弧状のガイド面を有する変更手段と、を備え、
   前記弧状のガイド面は、前記第１部材が回転動作する間、前記可撓性部材の前記往復動作における往路と復路のそれぞれの経路長を実質的に維持するように配置されており、
   前記第２部材は、前記第１部材を支持する側とその反対側とを連通し、前記可撓性部材の経路の一部を提供する連通部を有し、
   前記変更手段は、前記連通部の一部を形成し、
   前記連通部は、前記可撓性部材の前記往路と前記復路に対応して前記第２部材に別々に設けられた貫通穴を含み、
   前記貫通穴は、前記可撓性部材を通した状態で５ｍｍＨｇ～２０ｍｍＨｇの気腹圧を維持できる気密性を有する、ことを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記貫通穴は前記第１回転軸と平行に並ぶことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記弧状のガイド面は、円弧形状の面であることを特徴とする請求項１または２に記載のマニピュレータ。
4. 前記第１回転軸に垂直な面上において、前記第１回転軸の位置を原点とし、前記原点を通り互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸とした座標系において、
   前記円弧形状の半径と前記可撓性部材の半径の和をｒ_１とした場合、前記円弧形状の中心位置の座標（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）が、
   ｘ_ａ＝（ｒ_１／２）
   ｙ_ｂ＝ｒ_１、または、－ｒ_１
   であることを特徴とする請求項３に記載のマニピュレータ。
5. 前記第１部材の前記第１回転軸を中心とした回転動作の最大角度を前記ｘ軸に対してｎ°とした場合、前記円弧形状の中心位置の座標（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）が、
   ｘ_ａ＝（ｒ_１／２）（｜ｎ｜／９０）
   ｙ_ｂ＝ｒ_１、または、－ｒ_１
   であることを特徴とする請求項４に記載のマニピュレータ。
6. 前記第１部材の前記第１回転軸を中心とした回転動作の最大角度を前記ｘ軸に対してｎ°とし、ｎ＝０のときの前記可撓性部材と前記ｘ軸のなす角度をＩ°とした場合、前記円弧形状の中心位置の座標（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）が、
   （ｒ_１／２）（（｜ｎ｜－｜Ｉ｜）／９０）≦ｘ_ａ≦（ｒ_１／２）（（｜ｎ｜＋｜Ｉ｜）／９０）
   ｙ_ｂ＝ｒ_１、または、－ｒ_１
   であることを特徴とする請求項４に記載のマニピュレータ。
7. 第１部材と、
   前記第１部材を、第１回転軸を中心に回転可能に支持する第２部材と、
   前記第１部材と接続し、前記第１部材の回転動作に応じて前記第１回転軸を中心とした円周上を移動する被駆動部と、
   前記被駆動部を駆動する力を往復動作により提供する可撓性部材と、
   前記第１部材の回転動作に応じて、前記可撓性部材の経路を変更させる弧状のガイド面を有する変更手段と、を備え、
   前記弧状のガイド面は、前記第１部材が回転動作する間、前記可撓性部材の前記往復動作における往路と復路のそれぞれの経路長を実質的に維持するように配置されており
   前記弧状のガイド面は、円弧形状の面であり、
   前記第１回転軸に垂直な面上において、前記第１回転軸の位置を原点とし、前記原点を通り互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸とした座標系において、前記円弧形状の半径と前記可撓性部材の半径の和をｒ _１ とした場合、前記円弧形状の中心位置の座標（ｘ _ａ ，ｙ _ｂ ）が、
   ｘ _ａ ≧（ｒ _１ ／２）
   －ｒ _１ ＜ｙ _ｂ ＜ｒ _１
   であることを特徴とするマニピュレータ。
8. 前記第１回転軸に垂直な面上において、前記第１回転軸の位置を原点とし、前記原点を通り互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸とした座標系において、
   前記円弧形状の半径と前記可撓性部材の半径の和をｒ_１とした場合、前記円弧形状の中心位置の座標（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）が、
   １．３×（ｒ_１／２）＞ｘ_ａ＞（ｒ_１／２）
   ０．７×ｒ_１＜ｙ_ｂ＜ｒ_１ または、－０．７×ｒ_１＞ｙ_ｂ＞－ｒ_１
   であることを特徴とする請求項３または７に記載のマニピュレータ。
9. 前記第１部材の前記第１回転軸を中心とした回転動作の範囲を前記ｘ軸に対してｎ°とした場合、前記円弧形状の中心位置の座標（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）が、
   １．３×（ｒ_１／２）（｜ｎ｜／９０）＞ｘ_ａ＞（ｒ_１／２）（｜ｎ｜／９０）
   ０．７×ｒ_１＜ｙ_ｂ＜ｒ_１ または、－０．７×ｒ_１＞ｙ_ｂ＞－ｒ_１
   であることを特徴とする請求項８に記載のマニピュレータ。
10. 前記第１部材の前記第１回転軸を中心とした回転動作の範囲を前記ｘ軸に対してｎ°とし、ｎ＝０のときの前記可撓性部材と前記ｘ軸のなす角度をＩ°とした場合、前記円弧形状の中心位置の座標（ｘ_ａ，ｙ_ｂ）が、
    １．３×（ｒ_１／２）（（｜ｎ｜＋｜Ｉ｜）／９０）＞ｘ_ａ＞（ｒ_１／２）（（｜ｎ｜－｜Ｉ｜）／９０）
    ０．７×ｒ_１＜ｙ_ｂ＜ｒ_１ または、－０．７×ｒ_１＞ｙ_ｂ＞－ｒ_１
    であることを特徴とする請求項８に記載のマニピュレータ。
11. 前記第２部材と接続されるシャフト部材をさらに備え、前記ｘ軸と前記シャフト部材の長手方向の中心軸が一致することを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
12. 前記変更手段は、前記ｘ軸と前記第１回転軸とを含む平面を上下から挟むように前記弧状のガイド面を有することを特徴とする請求項４乃至１１のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
13. 前記被駆動部は複数の駆動部を含み、
    前記可撓性部材は、前記複数の駆動部を駆動するための第１の可撓性部材と第２の可撓性部材を含み、
    前記変更手段は、前記第１の可撓性部材と前記第２の可撓性部材の経路に沿って独立した弧状のガイド面を提供することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
14. 前記被駆動部は、前記第１部材に対して、前記第１回転軸とは別の第２回転軸を中心に回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
15. 前記第２回転軸は前記第１回転軸を含む平面に直交することを特徴とする請求項１４に記載のマニピュレータ。
16. 前記被駆動部は、１対のグリッパ部材を有し、
    前記可撓性部材は、前記１対のグリッパ部材を、前記第２回転軸を中心に個別に回転させるための第１の可撓性部材と第２の可撓性部材を含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載のマニピュレータ。
17. 前記第１部材を、前記第２部材に対して前記第１回転軸を中心として回転させる力を往復動作により伝える第３の可撓性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
18. 前記第３の可撓性部材の往路と復路は、前記第２部材に設けられた貫通穴を通り、前記貫通穴は前記第３の可撓性部材を通した状態で５ｍｍＨｇ～２０ｍｍＨｇの気腹圧を維持できる気密性を有することを特徴とする請求項１７に記載のマニピュレータ。
19. 前記第２部材を接続し、前記往路と前記復路を提供する中空が形成されたシャフト部材と、
    前記シャフト部材を接続し、ユーザの操作に応じて前記可撓性部材の往復動作の力を生成する生成手段を有する操作部と、を備えることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
20. 前記生成手段は、ユーザの操作に応じて回転可能な操作レバーを有し、ユーザによる前記操作レバーへの回転操作の力を前記可撓性部材の往復動作に変換することを特徴とする請求項１９に記載のマニピュレータ。
21. 前記生成手段は、
    前記可撓性部材を往復動作させるためのモータと、
    前記モータの駆動を指示する操作スイッチと、を有することを特徴とする請求項１９に記載のマニピュレータ。
22. 前記第１部材を前記第２部材に対して回転するための駆動力を提供するモータをさらに備え、
    前記操作部は前記モータの駆動を指示する操作スイッチを有することを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
23. 前記操作部は、ユーザの操作力を、前記第１部材を前記第２部材に対して回転するための力に変換する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
24. 前記第２部材を接続し、前記往路と前記復路を提供する中空を持つシャフト部材と、
    前記シャフト部材を接続する駆動部と、を備え、
    前記駆動部は、前記可撓性部材を駆動するためのモータと、前記第３の可撓性部材を駆動するためのモータとを含むことを特徴とする請求項１７または１８に記載のマニピュレータ。
25. 前記第２部材を接続し、前記往路と前記復路を提供する中空が形成されたシャフト部材と、
    前記シャフト部材を支持する操作部本体と、
    ユーザが把持するための把持部を含み、前記シャフト部材の長手方向と略直交する第１の回転軸を中心として回転可能に前記操作部本体と接続されたハンドル部と、
    ユーザの操作に応じて前記第１の可撓性部材と前記第２の可撓性部材の往復動作の力を生成する生成手段と、を備え、
    前記生成手段は、ユーザの操作に応じて回転可能な第１の操作レバーおよび第２の操作レバーへの回転操作の力をそれぞれ前記第１の可撓性部材と前記第２の可撓性部材の往復動作に変換し、
    前記第１の操作レバーと前記第２の操作レバーの回転軸と、前記第１の回転軸とが同軸であることを特徴とする請求項１６に記載のマニピュレータ。
26. 前記第２部材を接続し、前記往路と前記復路を提供する中空が形成されたシャフト部材と、
    前記シャフト部材を支持する操作部本体と、
    ユーザが把持するための把持部を含み、前記シャフト部材の軸方向と略直交する第１の回転軸を中心として回転可能に前記操作部本体と接続されたハンドル部と、
    ユーザの操作に応じて前記第１の可撓性部材と前記第２の可撓性部材の往復動作の力を生成する生成手段とを、を備え、
    前記生成手段は、ユーザの操作に応じて回転可能な第１の操作レバーおよび第２の操作レバーへの回転操作の力をそれぞれ前記第１の可撓性部材と前記第２の可撓性部材の往復動作に変換し、
    前記第１の回転軸が、前記第１の操作レバーおよび前記第２の操作レバーの回転軸よりも前記シャフト部材から遠い位置にあることを特徴とする請求項１６に記載のマニピュレータ。
27. 前記第１の操作レバーに連結した第１プーリと、前記第２の操作レバーに連結した第２プーリと、前記第１の回転軸の回りに回転する第３プーリとを有し、前記第１の可撓性部材と前記第２の可撓性部材の移動による前記１対のグリッパ部材の動きが同期するように、前記第１の可撓性部材と前記第２の可撓性部材が前記第１プーリ、前記第２プーリおよび前記第３プーリに巻かれていることを特徴とする請求項２６に記載のマニピュレータ。
28. 前記可撓性部材に加わる負荷が所定以上になると変形することにより、前記可撓性部材に加わる負荷を所定以下に抑える過負荷防止手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
29. 前記シャフト部材を、前記シャフト部材の長手方向の軸回りに回転させる駆動部をさらに備えることを特徴とする請求項２４乃至２７のいずれか１項に記載のマニピュレータ。
30. 請求項１乃至１９、２４のいずれか１項に記載されたマニピュレータと、
    前記マニピュレータを装着した多自由度アームと、
    前記多自由度アームおよび前記マニピュレータを遠隔操作、半自動または自動により制御する制御手段と、を備えることを特徴とする手術支援ロボットシステム。

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