JP5848203B2 - 身体支持装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業者の身体部分を支持する身体支持装置に関し、詳しくは、前記身体部分が載置される載置部が当該身体部分に追従移動する動作モードと前記載置部の移動を制限する動作モードとを備えた身体支持装置に関する。

脳神経外科手術等のように緻密な手作業を要求される作業では、作業者の腕を支持する身体支持装置が用いられることがある。このような身体支持装置では、作業者が腕を動かしたいときには、腕を支持する支持部が当該腕に追従移動し、作業者が腕を固定したいときには、前記支持部が固定される必要がある。そこで、可動の関節式保持アーム先端に設けられた支持部にベルト部材を介して腕を固定することで、医師の腕に支持部を追従移動させ、フットスイッチの操作時には前記関節式保持アームの移動を禁止して支持部を固定することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところが、特許文献１記載の装置では、ピンセット等の器具を作業台等に一旦置くために腕を支持部から外す際、いちいちベルト部材を外す必要があり、操作性が悪い。これに対して、腕台（特許文献１の支持部に相当）を支持する多関節アームに、腕台を上方に付勢する力を付与しておくことで、腕台を腕の下方から圧接してその腕に追従移動させることも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この場合、多関節アームの移動を禁止して腕台を固定すれば、その腕台に腕を載置して手術を行うことも、腕を腕台から外すことも容易に行える。

特開平１０−２７２１６３号公報 特開２００９−２９１３６３号公報

しかしながら、特許文献２の装置では、腕台を腕に追従移動させる際、医師の腕は腕台によって常時上向きに押圧されることになり、腕を下方へ動かす際にはその押圧力に抗して動かす必要があるなど、その押圧力が円滑な手術の妨げとなる場合がある。また、特許文献２では、腕から腕台に加わる力を検出して、ブレーキによる制動を解除することも提案されているが、その解除直後に医師の腕が腕台によって急に押圧されるのを抑制する必要がある。そこで、特許文献２では、パウダブレーキのような比較的摺動抵抗の大きいブレーキを関節に設けているが、その摺動抵抗に抗して腕台を移動させるためには腕により多くの力を入れる必要があり、その摺動抵抗が円滑な手術の更なる妨げとなる可能性がある。

すなわち、特許文献２の装置では、腕を所望の位置へ動かした後に腕から腕台に加わる力を弱めれば、スイッチ等を操作しなくてもブレーキが動作してその位置に腕台が固定されるが、腕台を腕に追従移動させるためには大きな力を要する。そこで、本発明は、身体部分が載置される載置部が当該身体部分に追従移動する動作モードと前記載置部の移動を制限する制限モードとを備えた身体支持装置において、身体部分に載置部を追従移動させる際に当該身体部分に加わる力を小さくし、その身体部分の着脱も容易にすることを目的としてなされた。

前記目的を達するためになされた本発明の身体支持装置では、身体部分が載置される載置部は、少なくとも１つの関節を有してその関節で屈曲する支持部により、少なくとも上下方向に移動可能に支持されている。また、載置部には固定部が設けられ、当該載置部を前記身体部分に固定することで、当該載置部を、支持部から加わる抵抗に抗して身体部分の移動に追従移動させることができる。

バランス機構は、前記載置部、前記支持部、又は前記固定部に直接又は間接的に力を作用させて前記載置部、前記支持部、及び前記固定部に加わる力のうち前記載置部に直接又は間接的に作用するもののバランスを取ることにより、前記載置部を、前記載置部の自重、前記固定部の自重、及び前記身体部分の自重のうち前記載置部に直接又は間接的に作用するものに抗して支持する。従って、固定部を介して載置部に身体部分を固定すれば、その身体部分は、載置部から殆ど力を受けることなく、容易に載置部を身体部分に追従移動させることができる。また、固定部による身体部分の固定は、次のようなモード切替によって解除されるので、その身体部分の着脱も容易に行うことができる。

すなわち、ブレーキは、前記支持部の少なくとも１つの前記関節における屈曲を抑制することにより、前記載置部の移動を制限する。また、検出部は、前記載置部若しくは前記固定部に前記身体部分から加わる力、前記載置部若しくは前記固定部に前記身体部分から加わるトルク、前記載置部若しくは前記固定部の加速度、前記載置部若しくは前記固定部の速度、前記載置部若しくは前記固定部の位置、又は、前記載置部若しくは前記固定部と前記身体部分との接触の、少なくともいずれか１つを検出する。更に、判断手段は、該検出部の検出結果に基づき、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしているか否かを判断する。

そして、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしていると前記判断手段が判断した場合、切替手段は、動作モードをフリーモードに切り替える。フリーモードでは、前記固定部により前記載置部に前記身体部分が固定され、かつ、前記ブレーキによる前記載置部の移動の制限が解除される。このため、身体部分にそれ程力を加えなくても、載置部は身体部分に追従移動する。

また、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしていないと前記判断手段が判断した場合、切替手段は、動作モードを制限モードに切り替える。制限モードでは、前記固定部による前記身体部分の固定が解除され、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動が制限される。このため、作業者は、載置部に身体部分を載置して作業を行うことも、身体部分を載置部から外すことも、容易に行うことができる。

なお、バランス機構が作用させる前記力は、前記載置部の自重等と完全に釣り合うものでなくてもよく、載置部等を安全方向（例えば上方）へ若干付勢する力であってもよい。その場合も、前記載置部はその付勢力によって身体部分に追従移動するのではなく、固定部を介して固定されることによって身体部分に追従移動するので、前記付勢力は極めて小さいものに設定することができる。従って、身体部分は、載置部から殆ど力を受けることなく、容易に載置部を身体部分に追従移動させることができる。

なお、前記制限モードは、前記載置部に前記身体部分が載置された状態で、前記固定部による前記身体部分の固定を解除し、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動を制限するロックモードと、前記載置部から前記身体部分が離れた状態で、前記固定部による前記身体部分の固定を解除し、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動を制限するウェイトモードとを含んでもよい。そして、その場合、前記判断手段は、前記検出部の検出結果に基づき、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしている第１の状態か、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしておらず前記載置部に前記身体部分が載置されている第２の状態か、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしておらず前記載置部に前記身体部分が載置されていない第３の状態かを、前記検出部の検出結果に基づいて判断し、前記切替手段は、前記身体部分が前記第１の状態であると前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記フリーモードに、前記身体部分が前記第２の状態であると前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記ロックモードに、前記身体部分が前記第３の状態であると前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記ウェイトモードに、それぞれ切り替えてもよい。

そして、更にその場合、前記判断手段は、前記身体部分が前記第３の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第１の状態に変化したか否かを、前記身体部分が前記第１の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第２の状態に変化したか否かを、前記身体部分が前記第２の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第３の状態に変化したか否かを、それぞれ判断してもよい。すると、前記切替手段は、前記動作モードを、前記ウェイトモード→前記フリーモード→前記ロックモード→前記ウェイトモードの順に切り替える。このように３つのモードが一定の順序で替わる場合、作業者も現在どのモードであるのか認識しやすく、誤操作を減らすことができる。

本発明が適用された第１実施形態の身体支持装置を表す模式図である。 その身体支持装置の末端アームの構成を表す模式図である。 その身体支持装置における制御を表すフローチャートである。 その制御に応じた動作モードの変化を表す状態遷移図である。 本発明が適用された第２実施形態の身体支持装置を表す模式図である。 その身体支持装置における制御を表すフローチャートである。 その制御に応じた動作モードの変化を表す状態遷移図である。 本発明が適用された第３実施形態の身体支持装置における制御を表すフローチャートである。 その制御に応じた動作モードの変化を表す状態遷移図である。 末端アームの変形例の構成を表す模式図である。

［第１実施形態（装置の構成）］
次に本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、以下に示す各実施形態では、手術を行う作業者としての医師の、身体部分としての腕Ａ（図２参照）を支持する装置について説明するが、本発明の身体支持装置は精密機械の製造作業などにも応用可能で、腕Ａの他、手、指、足、顎等を支持してもよい。

図１に模式的に示すように、本発明が適用された第１実施形態の身体支持装置１は、多関節アーム３と、その多関節アーム３の先端に取り付けられた末端アーム５と、それらを制御するモード判定コンピュータ７とを備えている。多関節アーム３は、末端アーム５に作用する外力に応じて末端アーム５を移動可能に支持する移動機構であって、５つの関節３１，３２，３３，３４，３５を有して５自由度に構成されている。なお、関節３１〜３５はいずれも回転関節である。

多関節アーム３は、手術室の床Ｆ（手術用の椅子やベッドであってもよい）に鉛直に固定された支持部４１を備え、その支持部４１によって次のように全体が支持されている。すなわち、支持部４１の上端には、関節３１を介して肩部４２が鉛直軸回りに回転可能に接続されている。また、関節３１には、その関節３１における支持部４１と肩部４２との回転を抑制する電磁ブレーキからなるブレーキ３１Ａと、支持部４１に対する肩部４２の回転量を検出するエンコーダ３１Ｂとが設けられている。

肩部４２の上端には、関節３２を介して第１腕部４３の一端が水平軸回りに揺動可能に接続されている。なお、第１腕部４３は、２本の棒材の両端が上下方向に一定間隔に維持された平行リンク機構として構成され、上側の棒材の一端が関節３２に接続されている。第１腕部４３の他端には、同様の平行リンク機構として構成された第２腕部４４の一端が、関節３３を介して水平軸回りに揺動可能に接続されている。第２腕部４４の他端には、水平軸回りに回転可能な関節３４とその関節３４とは回転軸が直交する関節３５とを介して、末端アーム５が接続されている。なお、末端アーム５は、力センサ４５を介して関節３５に接続されており、力センサ４５は末端アーム５に加わる３軸方向の力と３軸回りのトルクとを検出している。

また、関節３２，３３にも、関節３１と同様に、ブレーキ３２Ａ，３３Ａとエンコーダ３２Ｂ，３３Ｂとが設けられている。更に、関節３３と第１腕部４３，第２腕部４４との間には、バネ４６，４７が設けられ、第１腕部４３は関節３２を突き抜けて延びていてその部分にカウンタウェイト４８が設けられている。このバネ４６，４７とカウンタウェイト４８とは、末端アーム５に医師の腕Ａ（図２参照）が載置されたとき、末端アーム５及び多関節アーム３に加わる力のバランスを取るものである。

すなわち、バネ４６，４７とカウンタウェイト４８とから加わる付勢力が、後述の電磁石５２，アーマチャ５３等（図２参照）を含めた末端アーム５の自重、腕Ａの自重、及び、多関節アーム３の自重と釣り合うことにより、末端アーム５が支持される。なお、前記付勢力は前記各自重等と完全に釣り合うのが理想であるが、医師の手が患者の患部の上方から作業を行うことを考慮して、安全方向である上方へ、末端アーム５を極めて弱い力で付勢するように設定されている。

次に、図２に示すように、末端アーム５は、医師の正面側から見た形状が、上方が開いた略コの字形に構成され、内側に医師の腕Ａを受け入れることができる。末端アーム５の底部には低反発性のクッション５１が設けられ、末端アーム５の一対の側壁には電磁石５２がそれぞれ設けられている。また、末端アーム５の前記各側壁の上端縁には、次のようなアーマチャ５３が、前記各上端縁に沿った軸５５を中心にそれぞれ揺動可能に設けられている。

すなわち、アーマチャ５３は、電磁石５２の励磁時には、図２に示すように軸５５より下部が前記側壁の内面に沿って垂下して電磁石５２に吸着され、軸５５より上部は上端が互いに近接する方向に傾斜して配設されるよう、前記正面側から見た形状が略くの字型に構成されている。また、各アーマチャ５３の軸５５より上部の下面には、低反発性のクッション５７がそれぞれ設けられている。このため、クッション５１に医師が腕Ａを載置した状態で各電磁石５２が励磁されると、各アーマチャ５３に設けられたクッション５７は腕Ａに上方から当接する位置に固定される。これによって、末端アーム５は腕Ａに固定され、腕Ａの上下左右前後各種方向の移動に追従して、多関節アーム３を変形させながら移動する。

なお、クッション５１，５７の表面には滅菌済のカバー５１Ａ，５７Ａが掛けられている。また、腕Ａは通常、図示省略した手術着に通されている。そこで、電磁石５２の励磁によってアーマチャ５３が腕Ａを挟む力は、前記手術着を介してカバー５１Ａ，５７Ａと腕Ａとの間に間接的に作用する摩擦力が、末端アーム５を移動させる際に多関節アーム３から加わるいずれの方向への抵抗よりも大きくなるように調整されている。

また、モード判定コンピュータ７は、電源８０に接続された駆動回路８１を制御することにより、各電磁石５２の励磁／非励磁を切り替えている。なお、各アーマチャ５３は、図示省略したトーションバネによって軸５５回りに付勢され、軸５５より下部が互いに近接する方向に持ち上がる方向に付勢されている。このため、各電磁石５２が非励磁で、かつ、腕Ａが存在しない状態では、各アーマチャ５３の前記下部がクッション５１の上方で水平に重なり合う。

［第１実施形態（処理及び効果）］
次に、図１に示すように、モード判定コンピュータ７は、ＣＰＵ７１，ＲＯＭ７２，ＲＡＭ７３を備えた電子制御回路を内蔵し、身体支持装置１の電源が投入されると、ＲＯＭ７２に記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵ７１が次のような処理を実行する。以下、モード判定コンピュータ７で実行される処理について、図３のフローチャートを用いて説明する。

図３に示すように、この処理では、先ず、Ｓ１（Ｓはステップを表す：以下同様）にて、動作モードがウェイトモードに設定される。このウェイトモードは、腕Ａが末端アーム５に載置されていない状態を想定しており、各関節３１，３２，３３がブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａにより制動される（以下、各軸ブレーキＯＮともいう）と共に、各電磁石５２が非励磁（以下、押し付けＯＦＦともいう）とされる。従って、このウェイトモードでは、押し付けがＯＦＦにされているため、医師は、末端アーム５に腕Ａを載置することも、末端アーム５から腕Ａを外すことも容易に行うことができる。また、各軸ブレーキがＯＮにされているため、末端アーム５から医師が腕Ａを外しても、末端アーム５の位置は固定されている。但し、関節３４，３５にはブレーキがないため、末端アーム５の角度は自由に調整することができる。

続くＳ２では、力センサ４５からの検出信号に基づいて次のような判断がなされることにより、医師が末端アーム５を自身の腕Ａに追従移動させようとしているか否かが判断される。

なお、医師が末端アーム５を積極的に腕Ａに追従移動させようとしたとき、医師は、先ず、腕Ａを自身の筋肉で支え、続いて腕Ａを介して末端アーム５に力を加える。本処理の説明において、前者の段階で末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ２とし、後者の段階で末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ１とする。すなわち、医師が末端アーム５を腕Ａに追従移動させようとしたとき、先ず、腕Ａを自身の筋肉で支えるため、末端アーム５に上方から加わる力がＦ２（例えば１．０ｋｇｆ）以下となる。そして、医師が末端アーム５に腕Ａを介して積極的に力を加えて、その末端アーム５を追従移動させるときには、末端アーム５にはＦ１（例えば下方向へ追従させる際に腕Ａの自重の目安となる１．５ｋｇｆ：本処理の説明ではこの数値で説明。）以上の力が加わる。なお、本処理のために予め設定される前記Ｆ１，Ｆ２は、腕Ａの自重≧Ｆ１＞Ｆ２＞０の関係を満たすのが望ましい。

そこで、Ｓ２では、末端アーム５（先端）に加わる力が１．５ｋｇｆ（Ｆ１）以上、または、末端アーム５に加わるトルク（Ｔｙ）が前記Ｆ１に相当する１０ｋｇｃｍ以上となった状態が、１００ｍｓ継続したか否かが判断される。なお、前記トルクや継続時間も、前記Ｆ１と同様に本処理で一例として挙げている数値であり、種々の値に変更することができる（他の数値も同様）。前記状態が１００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ２：Ｎ）、処理はＳ２にて待機することによってＳ１にて設定されたウェイトモードに動作モードが維持される。一方、前記状態が１００ｍｓ継続した場合は（Ｓ２：Ｙ）、医師が末端アーム５を追従移動させようとしているので、処理はＳ３へ移行し、動作モードがフリーモードに設定される。

このフリーモードは、医師が末端アーム５を腕Ａに追従移動させようとしている状態を想定しており、各関節３１，３２，３３のブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａによる制動が解除される（各軸ブレーキＯＦＦ）と共に、各電磁石５２が励磁（押し付けＯＮ）される。従って、このフリーモードでは、各軸ブレーキがＯＦＦにされ、押し付けがＯＮにされているため、医師が腕Ａを動かせば末端アーム５は腕Ａに追従移動する。しかも、前述のように末端アーム５から腕Ａに加わる力は極めて小さく、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａの摺動抵抗も小さいので、医師は腕Ａにそれ程力を加えなくてもその腕Ａに末端アーム５を追従移動させることができる。

続くＳ４では、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続したか否かに基づいて、医師が腕Ａを動かし終えて末端アーム５もその位置に固定しようとしているか否かが判断される。なお、末端アーム５の速度は、各エンコーダ３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂを介して検出される。前記状態が１００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ４：Ｎ）、処理はＳ４にて待機することによって、Ｓ３にて設定されたフリーモードに動作モードが維持される。一方、前記状態が１００ｍｓ継続した場合は（Ｓ４：Ｙ）、処理はＳ５へ移行し、動作モードがロックモードに設定される。

このロックモードは、医師が末端アーム５の位置を固定し、その末端アーム５の上に腕Ａを載置して手術をしようとしている状態を想定しており、各軸ブレーキがＯＮとされると共に押し付けがＯＦＦとされる。押し付けがＯＦＦとされることにより、医師は末端アーム５の上で腕Ａを含む手を圧迫されることなく、微細な手術を行うことができる。

続くＳ６では、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ（Ｆ２）以下、または、末端アーム５に加わるトルクが前記Ｆ２に相当する５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続したか否かが判断される。前記状態が２００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ６：Ｎ）、処理はＳ６にて待機することによってＳ５にて設定されたロックモードに動作モードが維持される。一方、前記状態が２００ｍｓ継続した場合は（Ｓ６：Ｙ）、処理は前述のＳ１へ移行し、動作モードがウェイトモードに設定される。

ここで、前述のように、末端アーム５に加わる力がＦ２以下となる状態は、医師が腕Ａを動かそうとして自身の筋肉で腕Ａを支えたことを示唆する状態であるが、医師が腕Ａを末端アーム５から外そうとしたときも同様の状態となる。前者の場合は、その後のＳ２で即座に肯定判断されて処理はＳ３へ移行するが、後者の場合は、Ｓ２にて否定判断が継続され、動作モードはＳ１にて設定されたウェイトモードに維持される。

以上の処理をモード判定コンピュータ７が実行することにより、身体支持装置１の動作モードは次のように遷移する。すなわち、図４に示すように、動作モードがウェイトモードに設定されている場合（Ｓ１）、各軸ブレーキがＯＮで押し付けがＯＦＦである。そして、動作モードがウェイトモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．５ｋｇｆ（Ｆ１）以上またはトルクが１０ｋｇｃｍ以上の状態が、１００ｍｓ継続すると（Ｓ２：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。

フリーモードでは、各軸ブレーキがＯＦＦで押し付けがＯＮである（Ｓ３）。そして、動作モードがフリーモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続すると（Ｓ４：Ｙ）、動作モードはロックモードに設定される（Ｓ５）。ロックモードでは、各軸ブレーキがＯＮで押し付けがＯＦＦである（Ｓ５）。そして、動作モードがロックモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ（Ｆ２）以下またはトルクが５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続すると（Ｓ６：Ｙ）、動作モードはウェイトモードに設定される（Ｓ１）。

このように、本実施形態では、医師が腕Ａに加える力の状態とその継続時間とに応じて動作モードをウェイトモード→フリーモード→ロックモード→ウェイトモードの順に切り替えることができる。このため、動作モードを切り替えるためにスイッチ等を操作する必要がなく、医師は手術を円滑に行うことができる。しかも、３つのモードが一方通行で順次切り替わるので、医師にとって、装置の動作モードがどのモードに設定されているのかが直感的に分かりやすく、誤操作を減らすことができる。また、本実施形態では、前述のように、腕Ａにそれ程力を加えなくてもその腕Ａに末端アーム５を追従移動させることができ、末端アーム５に対する腕Ａの着脱も容易であるので、極めて操作性に優れている。

［第２実施形態］
次に、本発明が適用された第２実施形態の身体支持装置１０１について、図５〜図７を用いて説明する。図５に示すように、本実施形態の身体支持装置１０１は、モード判定コンピュータ７にフットスイッチ９０が接続された点において第１実施形態と構成が異なり、それに応じてモード判定コンピュータ７の処理も図６に示すような処理となる。なお、本実施形態において、フットスイッチ９０は他のスイッチに代えてもよい。また、図５，図６において、第１実施形態と同様に構成された箇所には図１，３で使用した符号を付して構成の詳細な説明を省略する。

図６に示すように、この処理では、Ｓ１にて第１実施形態と同様に動作モードがウェイトモードに設定された後、Ｓ１２にてフットスイッチ９０が操作されたか否かが判断される。フットスイッチ９０が操作されていない場合は（Ｓ１２：Ｎ）、処理はＳ１２にて待機することによってＳ１にて設定されたウェイトモードに動作モードが維持される。一方、フットスイッチ９０が操作された場合は（Ｓ１２：Ｙ）、処理はＳ３へ移行し、動作モードが第１実施形態と同様のフリーモードに設定される。

動作モードがフリーモードに設定された後、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続すると（Ｓ４：Ｙ）、Ｓ５にて動作モードがロックモードに設定される点は第１実施形態と同様である。但し、本実施形態では、前記状態が１００ｍｓ継続していない場合（Ｓ４：Ｎ）、Ｓ１７にてフットスイッチ９０が操作されたか否かが判断され、フットスイッチ９０が操作されていなければ（Ｓ１７：Ｎ）、処理はＳ４へ戻る。このＳ４，Ｓ１７からなるループ処理中は、フリーモードに動作モードが維持されるが、前記状態が１００ｍｓ継続する前に（Ｓ４：Ｎ）、フットスイッチ９０が操作されると（Ｓ１７：Ｙ）、処理は前述のＳ１へ移行して動作モードがウェイトモードに設定される。

一方、Ｓ５にて動作モードがロックモードに設定された場合、続くＳ１６では、前述のＳ６と同様に、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ以下、または、末端アーム５に加わるトルクが５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続したか否かが判断される。そして、前記状態が２００ｍｓ継続した場合は（Ｓ１６：Ｙ）、処理は前述のＳ３へ移行し、動作モードがフリーモードに設定される。

すなわち、前述のように、末端アーム５に加わる力が１．０ｋｇｆ以下となる状態は、医師が腕Ａを動かそうとして自身の筋肉で腕Ａを支えたことを示唆する状態であるので、本実施形態では、その状態の継続時に動作モードがフリーモードに設定される。一方、前記状態が２００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ１６：Ｎ）、Ｓ１８にてフットスイッチ９０が操作されたか否かが判断され、フットスイッチ９０が操作されていなければ（Ｓ１８：Ｎ）、処理はＳ１６へ戻る。このＳ１６，Ｓ１８からなるループ処理中は、ロックモードに動作モードが維持されるが、前記状態が２００ｍｓ継続する前に（Ｓ１６：Ｎ）、フットスイッチ９０が操作されると（Ｓ１８：Ｙ）、処理は前述のＳ１へ移行して動作モードがウェイトモードに設定される。

以上の処理をモード判定コンピュータ７が実行することにより、身体支持装置１０１の動作モードは次のように遷移する。すなわち、図７に示すように、動作モードがウェイトモードに設定されているときに、フットスイッチ９０が操作されると（Ｓ１２：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。また、動作モードがフリーモード又はロックモードに設定されているときに、フットスイッチ９０が操作されると（Ｓ１７：Ｙ又はＳ１８：Ｙ）、動作モードはウェイトモードに設定される。

また、動作モードがフリーモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続すると（Ｓ４：Ｙ）、動作モードはロックモードに設定される（Ｓ５）。そして、動作モードがロックモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ以下またはトルクが５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続すると（Ｓ１６：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。

このように、本実施形態では、医師が腕Ａに加える力の状態とその継続時間とに応じて動作モードをフリーモードとロックモードとの間で自動的に切り替えることができ、医師は、手術を円滑に行うことができる。

しかも、フリーモードとロックモードとの間で動作モードを相互に切り替え可能な状態と、ウェイトモードとを、フットスイッチ９０の操作によって切り替えることができる。このため、器具を取るときなどのように腕Ａに末端アーム５を追従移動させたくないシーンや、特に重要な作業を行う場合で絶対に末端アーム５が移動して欲しくないシーンでは、フットスイッチ９０の操作によって確実にウェイトモードに切り替えることができる。しかも、次にフットスイッチ９０が操作されるまで、動作モードはウェイトモードに確実に維持されるので、医師に安心感を与えることができる。なお、本実施形態において、動作モードがウェイトモードに設定されているときにフットスイッチ９０が操作された場合、動作モードがロックモードに設定されてもよい。

［第３実施形態］
次に、本発明が適用された第３実施形態について、図８，図９を用いて説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態と同様に構成された身体支持装置１のモード判定コンピュータ７における処理を、図８に示すように変更した点において異なる。また、図８において、第１実施形態と同様に構成された箇所には図３で使用した符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態では、医師が腕Ａを自身の筋肉で支えたことを判断するための末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ３とし、医師が末端アーム５に腕Ａを載せていないことを判断するための末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ２とし、医師が末端アーム５を腕Ａに追従移動させようとしたことを判断するための末端アーム５に加わる力のしきい値をＦ１とする。Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は、腕Ａの自重≧Ｆ１＞Ｆ３＞Ｆ２＞０の関係を満たすのが望ましく、例えば、Ｆ１＝１．５ｋｇｆ、Ｆ２＝０．５ｋｇｆ、Ｆ３＝１．０ｋｇｆとすることができる。

図８に示すように、この処理は、Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５の順で実行されるときの処理は、第１実施形態と同様である。但し、動作モードがフリーモードに設定された後（Ｓ３）、末端アーム５の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態（以下、状態Ａという）が１００ｍｓ継続していない場合（Ｓ４：Ｎ）、末端アーム５に腕Ａが載せられているか否かが、Ｓ２７にて次のように判断される。

すなわち、Ｓ２７では、末端アーム５（先端）に加わる力が０．５ｋｇｆ（Ｆ２）以下、または、末端アーム５に加わるトルク（Ｔｙ）が前記Ｆ２に相当する１．５ｋｇｃｍ以下となった状態（以下、状態Ｂという）が、５０ｍｓ継続したか否かが判断される。前記状態Ｂが５０ｍｓ継続していない場合は（Ｓ２７：Ｎ）、処理はＳ４へ戻り、このＳ４，Ｓ２７からなるループ処理中は、フリーモードに動作モードが維持される。そして、前記状態Ａが１００ｍｓ継続する前に（Ｓ４：Ｎ）、前記状態Ｂが５０ｍｓ継続した場合は（Ｓ２７：Ｙ）、処理はＳ１へ移行し、動作モードがウェイトモードに設定される。

一方、Ｓ５にて動作モードがロックモードに設定された場合、続くＳ２６では、前述のＳ６と同様に、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ（Ｆ３）以下、または、末端アーム５に加わるトルク（Ｔｙ）が前記Ｆ３に相当する５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続したか否かが判断される。そして、前記状態が２００ｍｓ継続した場合は（Ｓ２６：Ｙ）、処理は前述のＳ３へ移行し、動作モードがフリーモードに設定される。本実施形態でも、第２実施形態と同様に、末端アーム５に加わる力が１．０ｋｇｆ以下となる状態は医師が腕Ａを動かそうとして自身の筋肉で腕Ａを支えたことを示唆する状態であるので、その状態の継続時に動作モードがフリーモードに設定される。一方、前記状態が２００ｍｓ継続していない場合は（Ｓ２６：Ｎ）、処理はＳ２６にて待機し、Ｓ５にて設定されたロックモードに動作モードが維持される。

以上の処理をモード判定コンピュータ７が実行することにより、身体支持装置１０１の動作モードは次のように遷移する。すなわち、図９に示すように、動作モードがウェイトモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．５ｋｇｆ（Ｆ１）以上またはトルクが５ｋｇｃｍ以上の状態が、１００ｍｓ継続すると（Ｓ２：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。動作モードがフリーモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）の速度が１ｍｍ／ｓ以下の状態が１００ｍｓ継続すると（Ｓ４：Ｙ）、動作モードはロックモードに設定される（Ｓ５）。

また、動作モードがロックモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が１．０ｋｇｆ以下またはトルクが５．０ｋｇｃｍ以下の状態が、２００ｍｓ継続すると（Ｓ２６：Ｙ）、動作モードはフリーモードに設定される（Ｓ３）。更に、動作モードがフリーモードに設定されているときに、末端アーム５（先端）に加わる力が０．５ｋｇｆ（Ｆ２）以下またはトルクが１．５ｋｇｃｍ以下の状態が５０ｍｓ継続すると（Ｓ２７：Ｙ）、動作モードはウェイトモードに設定される（Ｓ１）。

このように、本実施形態では、医師が腕Ａに加える力の状態とその継続時間とに応じて動作モードをウェイトモード，フリーモード，ロックモードの間で自動的に順に切り替えることができ医師は、手術を円滑に行うことができる。しかも、前記力の状態等に応じた切り替えは、ロックモードからフリーモードへの切り替えが可能であるので、医師は末端アーム５をより直感的、無意識的に動かすことができる。また、前記力の状態等に応じた切り替えは、フリーモードからウェイトモードへの切り替えも可能であるので、医師はより無意識的に素早く器具などの交換を行うことができる。

［発明特定事項との対応及び本発明の更なる変形例］
なお、前記各実施形態において、腕Ａが身体部分に、末端アーム５が載置部に、多関節アーム３が支持部に、電磁石５２及びアーマチャ５３が固定部に、バネ４６，４７及びカウンタウェイト４８がバランス機構に、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａがブレーキに、エンコーダ３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ及び力センサ４５が検出部に、モード判定コンピュータ７が判断手段及び切替手段及びモード可変状態変更手段に、アーマチャ５３、クッション５７、及びカバー５７Ａが可動部に、それぞれ相当する。なお、カバー５１Ａ，５７Ａは省略してもよく、クッション５１，５７を含めた末端アーム５及び一対のアーマチャ５３全体を覆うものであってもよい。また、モード判定コンピュータ７の処理のうち、Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５の処理が切替手段に、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ１６，Ｓ２６，Ｓ２７の処理が判断手段に、Ｓ１２，Ｓ１７，Ｓ１８の処理がモード可変状態変更手段に、それぞれ相当する。

また、本発明は前記各実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、前述のＳ２，Ｓ６，Ｓ１６，Ｓ２２，Ｓ２６，Ｓ２７の処理では、前記力又はトルクが所定値以上（又は以下）であるか否かを判断しているが、前記力及びトルクが所定値以上（又は以下）であるか否かを判断してもよい。また、医師が腕Ａを動かそうとしているか否か等は、これらの力又はトルク以外に、末端アーム５の位置、速度、若しくは加速度、又は、末端アーム５と腕Ａと接触状態（例えば、アーマチャ５３の状態）を検出することによって判断されてもよい。そして、その場合、本発明は、腕Ａ（身体部分）が末端アーム５（載置部）にあるかないかを検出する第１検出部と腕Ａを動かそうとしているか否かを検出する第２検出部とを備え、それらの検出部の検出結果に基づいて判断手段が前記第１の状態か第２の状態か第３の状態かを判断してもよい。

また、ウェイトモードやロックモードでは、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａは必ずしも多関節アーム３を完全に固定する必要はなく、多少動くように固定してもよい。更に、前記各実施形態では、電磁石５２とブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａとをウェイトモードでもロックモードでも同様に制御しているが、電磁石５２の励磁量やブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａの制動力を両モードで異ならせてもよい。

更に、固定部は電磁石５２を用いたものに限定されるものではなく、前記各実施形態において末端アーム５を次のように構成してもよい。すなわち、図１０に示す末端アーム５の一対の側壁内面には、三方弁２５１を介して圧力源２５３に連通されるか大気に連通されるかに応じて膨張又は収縮する一対のエアバッグ２５７が設けられている。モード判定コンピュータ７は、電源２８０に接続された駆動回路２８１を制御することにより、三方弁２５１を切り替えて一対のエアバッグ２５７を同時に膨張又は収縮させる。

このような末端アーム５では、エアバッグ２５７が膨張して腕Ａを水平方向両側から挟むことにより、腕Ａに末端アーム５を固定することができる。また、エアバッグ２５７の表面には、滅菌済のカバー２５７Ａが掛けられている。圧力源２５３の空気圧は、エアバッグ２５７が膨張したときにカバー２５７Ａと前述の手術着との間に作用する摩擦力が、末端アーム５を移動させる際に多関節アーム３から加わるいずれの方向への抵抗よりも大きくなるように調整されている。更に、固定部としては、例えば形状記憶合金を利用した構成など、種々の構成を採用することができる。更に、多関節アーム３も、例えば、特許文献２に記載の多関節アームのように、関節の位置とその関節における屈曲を抑制するブレーキの位置とが離れて設けられた多関節アームであってもよい。

１，１０１…身体支持装置 ３…多関節アーム ５…末端アーム
７…モード判定コンピュータ ３１，３２，３３，３４，３５…関節
３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ…ブレーキ ３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ…エンコーダ
４５…力センサ ４６，４７…バネ ４８…カウンタウェイト
５１，５７…クッション ５１Ａ，５７Ａ，２５７Ａ…カバー ５２…電磁石
５３…アーマチャ ８０，２８０…電源 ８１，２８１…駆動回路
９０…フットスイッチ ２５１…三方弁 ２５３…圧力源
２５７…エアバッグ Ａ…腕

Claims (6)

1. 作業者の身体部分（Ａ）を支持する身体支持装置（１，１０１）であって、
   前記身体部分が載置される載置部（５）と、
   少なくとも１つの関節（３１，３２，３３，３４，３５）を有してその関節で屈曲することにより、前記載置部を少なくとも上下方向に移動可能に支持する支持部（３）と、
   前記載置部に設けられ、当該載置部を前記身体部分に固定することで、当該載置部を前記支持部から加わる抵抗に抗して前記身体部分の移動に追従移動させる固定部（５２，５３）と、
   前記載置部、前記支持部、又は前記固定部に直接又は間接的に力を作用させて、前記載置部、前記支持部、及び前記固定部に加わる力のうち前記載置部に直接又は間接的に作用するもののバランスを取ることにより、前記載置部を、前記載置部の自重、前記固定部の自重、及び前記身体部分の自重のうち前記載置部に直接又は間接的に作用するものに抗して支持するバランス機構（４６，４７，４８）と、
   前記支持部の少なくとも１つの前記関節における屈曲を抑制することにより、前記載置部の移動を制限するブレーキ（３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ）と、
   前記載置部若しくは前記固定部に前記身体部分から加わる力、前記載置部若しくは前記固定部に前記身体部分から加わるトルク、前記載置部若しくは前記固定部の加速度、前記載置部若しくは前記固定部の速度、前記載置部若しくは前記固定部の位置、又は、前記載置部若しくは前記固定部と前記身体部分との接触の、少なくともいずれか１つを検出する検出部（３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ，４５）と、
   該検出部の検出結果に基づき、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしているか否かを判断する判断手段（７，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ１６，Ｓ２６，Ｓ２７）と、
   前記固定部により前記載置部に前記身体部分を固定し、かつ、前記ブレーキによる前記載置部の移動の制限を解除する動作モードをフリーモードとし、前記固定部による前記身体部分の固定を解除し、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動を制限する動作モードを制限モードとして、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしていると前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記フリーモードに、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしていないと前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記制限モードに、それぞれ切り替える切替手段（７，Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５）と、
   を備えたことを特徴とする身体支持装置。
2. 前記制限モードは、前記載置部に前記身体部分が載置された状態で、前記固定部による前記身体部分の固定を解除し、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動を制限するロックモードと、前記載置部から前記身体部分が離れた状態で、前記固定部による前記身体部分の固定を解除し、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動を制限するウェイトモードとを含み、
   前記判断手段（７，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ２６，Ｓ２７）は、前記検出部の検出結果に基づき、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしている第１の状態か、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしておらず前記載置部に前記身体部分が載置されている第２の状態か、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしておらず前記載置部に前記身体部分が載置されていない第３の状態かを、前記検出部の検出結果に基づいて判断し、
   前記切替手段は、前記身体部分が前記第１の状態であると前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記フリーモードに、前記身体部分が前記第２の状態であると前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記ロックモードに、前記身体部分が前記第３の状態であると前記判断手段が判断した場合は動作モードを前記ウェイトモードに、それぞれ切り替えることを特徴とする請求項１に記載の身体支持装置。
3. 前記判断手段（７，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６）は、前記身体部分が前記第３の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第１の状態に変化したか否かを、前記身体部分が前記第１の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第２の状態に変化したか否かを、前記身体部分が前記第２の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第３の状態に変化したか否かを、それぞれ判断し、
   前記切替手段は、前記動作モードを、前記ウェイトモード→前記フリーモード→前記ロックモード→前記ウェイトモードの順に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の身体支持装置。
4. 前記判断手段（７，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ２６，Ｓ２７）は、前記身体部分が前記第３の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第１の状態に変化したか否かを、前記身体部分が前記第２の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第１の状態に変化したか否かを、前記身体部分が前記第１の状態であると判断した後は当該身体部分が前記第２の状態に変化したか否か及び当該身体部分が前記第３の状態に変化したか否かを、それぞれ判断し、
   前記切替手段は、前記動作モードを、前記ウェイトモードと前記フリーモードとの間で相互に切り替えるか、又は、前記ロックモードと前記フリーモードとの間との間で相互に切り替え、前記ウェイトモードと前記ロックモードとの間では直接の切り替えが不可能であることを特徴とする請求項２に記載の身体支持装置。
5. 前記制限モードは、前記載置部に前記身体部分が載置された状態で、前記固定部による前記身体部分の固定を解除し、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動を制限するロックモードと、前記載置部から前記身体部分が離れた状態で、前記固定部による前記身体部分の固定を解除し、かつ、前記ブレーキにより前記載置部の移動を制限するウェイトモードとを含み、
   前記作業者の他の身体部分によって操作されるスイッチ（９０）と、
   前記スイッチの操作に応じて、前記フリーモードと前記ロックモードとの間で動作モードを双方向に切り替え可能なモード可変状態とするか、動作モードを前記ウェイトモードとするかを切り替えるモード可変状態変更手段（７，Ｓ１２，Ｓ１７，Ｓ１８）と、
   を更に備え、
   前記モード可変状態変更手段によって動作モードが前記モード可変状態とされているとき、前記切替手段は、前記身体部分が前記載置部又は前記固定部を移動させようとしていると前記判断手段（７，Ｓ４，Ｓ１６）が判断したか否かに基づいて前記動作モードを前記フリーモード又は前記ロックモードに双方向に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の身体支持装置。
6. 前記身体部分は腕であり、
   前記固定部は、
   前記腕を水平方向両側から挟むことあるいは前記腕を前記載置部との間で挟むことによって当該腕に前記載置部を固定する可動部（５３，５７，５７Ａ，２５７，２５７Ａ）を備え、
   前記可動部が前記腕を挟んだ際に前記載置部あるいは前記固定部と前記腕との間に作用する直接又は間接的な摩擦力が、前記載置部を当該載置部が移動可能ないずれの方向へ移動させる際に前記支持部にから加わる抵抗よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の身体支持装置。

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