WO2014148068A1

WO2014148068A1 - マニピュレータ

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Publication number: WO2014148068A1
Application number: PCT/JP2014/050296
Authority: WO
Inventors: 直也畠山
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-09-25
Also published as: JP6188787B2; US20150367508A1; CN105073057B; US9550293B2; CN105073057A; EP2977150A1; EP2977150A4; JPWO2014148068A1; EP2977150B1

Abstract

基端側から順に配置された細長い本体部（３）、湾曲部（５）および先端部（４）と、先端部（４）から本体部（３）まで延びる主線材（７）、主動力発生部（１２）および該主動力発生部（１２）によって発生された動力を主線材（７）に長手方向の直線運動として伝達する主動力伝達部（９，１０，１１）を有する複数の主湾曲機構（６）と、各該主湾曲機構（６）と対をなして並列に設けられ、先端部（４）に押圧力および牽引力を作用させる複数の予備湾曲機構（１６）と、対をなす主湾曲機構（６）と予備湾曲機構（１６）とを択一的に作動させる切替部（１５１，１５２）とを備えるマニュピレータ（１）を提供する。

Description

マニピュレータ

　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主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。

　こ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。
　一方、湾曲部を、外力に逆らって同一の角度を維持する硬直した状態から、外力に応じて湾曲する柔軟な状態へ切り替えるために、減速機構とワイヤとの間に設けられこれらを分離可能なクラッチが利用されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００６－６１１７６号公報特開２００２－１２５９１９号公報

　しかしながら、特許文献１において、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。この問題への対策として、特許文献２のクラッチを特許文献１の減速機構の前段に設け、クラッチによって故障した牽引機構からワイヤを分離することが考えられるが、挿入部の先端部にクラッチを設けると挿入部が大径化してしまうという問題がある。

　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、細径な構造としつつ、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に、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明は、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主線材と、動力を発生する主動力発生部と、前記本体部に設けられ、前記主動力発生部によって発生された前記動力を前記主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主動力伝達部とを有する複数の主湾曲機構と、各該主湾曲機構と対をなして並列に設けられ、各前記主線材と同一位置または近傍において前記先端部に前記長手方向の押圧力および牽引力を作用させる複数の予備湾曲機構と、対をなす前記主湾曲機構と前記予備湾曲機構とを択一的に作動させる切替部とを備えるマニュピレータを提供する。

　本発明によれば、主動力発生部が発生した動力が主動力伝達部によって直線運動として主線材の基端部に伝達され、主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、牽引機構が故障した場合に、切替部の作動によって、故障した牽引機構に代えて予備牽引機構が先端部を押圧および牽引することが可能となる。これにより、牽引機構が故障したとしても、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。また、先端部から本体部までの間にクラッチ機構のような大径の部材を配置する必要が無いので、細径な構造とすることができる。

　上記発明においては、前記主動力伝達部が、前記主動力発生部によって発生された前記動力によってその中心軸回りに回転させられる主シャフト部材と、該主シャフト部材の回転運動を前記長手方向の直線運動に変換するとともに前記主線材の基端部に連結される動力変換部材とを備え、前記予備湾曲機構が、前記主シャフト部材と同軸に配置されて前記動力変換部材に接続された予備シャフト部材と、該予備シャフト部材を回転させる予備動力発生部とを備える構成であってもよい。
　このようにすることで、単一の主線材に対して並列に接続された主シャフト部材および予備シャフト部材を同軸に配置することにより、主湾曲機構と共通の主線材を用いて予備湾曲機構によって湾曲部の動作を制御することができ、また、本体部を効果的に細径化することができる。

　上記構成においては、前記主シャフト部材が、前記長手方向に沿って配置された筒状の部材からなり、前記予備シャフト部材が、前記主シャフト部材の内部に収容されたワイヤ状の部材からなる構成であっていてもよい。
　このようにすることで、主シャフト部材および予備シャフト部材を簡易な構成にすることができる。

　上記発明においては、前記予備湾曲機構が、前記主線材の近傍において前記先端部に接続されて基端側に延びる予備線材と、該予備線材に前記長手方向の直線運動を伝達する予備牽引機構とを備える構成であってもよい。
　このようにすることで、予備湾曲機構を簡易な構成にすることができる。

　上記構成においては、前記予備牽引機構が、前記長手方向の直線運動を発生する予備動力発生部と、前記主線材に接続され前記予備動力発生部によって発生された直線運動を前記主線材に伝達する伝達部材とを備えていてもよい。
　このようにすることで、予備動力発生部によって発生された直線運動が伝達部材によって主湾曲機構と共通の主線材に伝達される。これにより、主線材と予備線材とを共通化することができる。

　上記構成においては、前記予備牽引機構が、前記主湾曲機構の前記主動力発生部および前記主動力伝達部と並列に設けられた、動力を発生する予備動力発生部および該予備動力発生部によって発生された前記動力を前記予備線材の基端に前記長手方向の直線運動として伝達する主動力伝達部を備えていてもよい。
　このようにすることで、予備湾曲機構に切り替えられた後も主湾曲機構と同様の精度で湾曲部の湾曲動作を制御することができる。

　上記構成においては、前記予備牽引機構が、前記予備線材の基端に接続され、前記長手方向の直線運動を発生して該直線運動を前記予備線材に伝達する予備動力発生部を備えていてもよい。
　このようにすることで、予備牽引機構を簡易な構成にすることができる。

　本発明によれば、細径な構造としつつ、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。

本発明の一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主湾曲機構の構成図である。図４Ａの主湾曲機構の作用を説明する図である。シャフト従動プーリとの接続部分の構成を示す図である。牽引機構の故障時における切替部の動作を説明する図である。切替部の変形例を示す側面図（上図）およびＶＩＩ－ＶＩＩ断面図（下図）である。切替部のもう１つの変形例を示す図である。切替部のもう１つの変形例を示す図である。マニピュレータが備える故障検出部の構成を示すブロック図である。予備湾曲機構の変形例を示す構成図である。図１１の予備湾曲機構が備える接続部材によってワイヤと牽引機構とが接続されている状態を示す斜視図である。図１１の予備湾曲機構が備える接続部材によってワイヤと牽引機構とが切断されている状態を示す斜視図である。図１１の予備湾曲機構が備える接続部材の変形例によってワイヤと牽引機構とが接続されている状態を示す斜視図である。図１１の予備湾曲機構が備える接続部材の変形例によってワイヤと牽引機構とが切断されている状態を示す斜視図である。予備湾曲機構のもう１つの変形例を示す構成図である。図１４Ａの予備湾曲機構の動作を説明する図である。図１４Ａの切替制御部の構成および動作を示す図である。図１４Ａの切替制御部の構成および動作を示す図である。予備湾曲機構のもう１つの変形例を示す構成図である。

　以下に、本発明の一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３０および体内を撮影するカメラ３１と、先端面２ａから出没可能に設けられた処置具３２とを備えている。先端面２ａから突出した処置具３２は、カメラ３１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３１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３２の出没動作や各関節３２ａ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３１によって撮影された体内および処置具３２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３２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３０、カメラ３１および処置具３２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（主湾曲機構）６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（主線材）７と、本体部３に設けられワイヤ７を牽引する牽引機構８とを備えている。

　ワイヤ７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７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。

　牽引機構８は、軸Ａ方向に配置された筒状のシャフト（主シャフト部材）９と、該シャフト９の基端側に設けられシャフト９を回転させる駆動機構と、シャフト９と同軸に設けられ該シャフト９とワイヤ７の基端部とを連結するねじ軸（動力変換部材）１０と、該ねじ軸１０が締結されるナット（動力変換部材）１１とを備えている。

　駆動機構は、軸Ａ方向に配置された回転軸１２ａを有するモータ１２と、回転軸１２ａと同軸で配置された駆動プーリ１３１と、シャフト９と同軸で配置され該シャフト９の外周面に固定された従動プーリ１３２と、駆動プーリ１３１と従動プーリ１３２とに架け渡されたベルト１４とを備えている。モータ１２の回転軸１２ａと駆動プーリ１３１の回転軸１３１ａとの間には、これらを接続および切断する結合機構（切替部）１５１が備えられている。

　結合機構１５１によって回転軸１２ａと回転軸１３１ａとを接続している状態でモータ１２を作動させると、回転軸１２ａと一体で駆動プーリ１３１が回転し、該駆動プーリ１３１の回転力がベルト１４を介して従動プーリ１３２およびシャフト９に伝達され、シャフト９がその中心軸回りに回転する。シャフト９が正転または反転すると、シャフト９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、牽引機構８を収容する本体部３の筒状の外套管に対して固定されており、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７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７が先端部４を基端側に牽引するようになっている。

　ここで、ワイヤ７および牽引機構８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７および牽引機構８が２組のみ示されている。４つのワイヤ７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７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。なお、図４Ａ以降の図面において、湾曲部５は簡略化して示されている。

　また、マニピュレータ１は、各湾曲機構６と対をなして並列に設けられた予備湾曲機構１６を備えている。予備湾曲機構１６は、ワイヤ７に対して牽引機構８と並列に設けられ、牽引機構８と同様にワイヤ７を軸Ａ方向に操作する予備牽引機構１７を備えている。

　具体的には、予備牽引機構１７は、牽引機構８のシャフト９と同軸に配置される予備シャフト（予備シャフト部材）１８と、該予備シャフト１８の基端側に設けられた予備モータ１９とを備えている。予備シャフト１８は、基端側の回転運動を先端側まで効率的に伝達する適切な剛性を有しつつ、体内の組織形状に沿って湾曲可能な可撓性を有するワイヤからなり、シャフト９の内部に収容されている。予備シャフト１８の先端は、ねじ軸１０の基端に連結され、予備シャフト１８の基端は、シャフト９の基端から突出している。

　予備モータ１９は、予備シャフト１８と同軸に配置された回転軸１９ａを有している。予備シャフト１８と回転軸１９ａとの間には、これらを接続および切断する結合機構（切替部）１５２が備えられている。結合機構１５２によって予備シャフト１８と回転軸１９ａとを接続している状態で予備モータ１９を作動させると、回転軸１９ａと一体で予備シャフト１８が回転し、牽引機構８を作動させたときと同様に、ねじ軸１０が軸Ａ方向に移動することによってワイヤ７が湾曲するようになっている。

　ここで、通常状態において、予備シャフト１８は、結合機構１５によって予備モータ１９から切断され、軸Ａ方向に移動可能となっている。これにより、牽引機構８は、予備牽引機構１７によって阻害されることなく作動可能となっている。

　図５は、シャフト９と従動プーリ１３２との接続部分を示している。シャフト９の外周面には、周方向の一部に凸部９ａが形成されている。従動プーリ１３２には、シャフト９が長手方向に移動可能に挿入される穴１３２ａが形成され、該穴１３２ａは、凸部９ａが嵌合する凹部１３２ｂを有している。符号５０は、プーリ１３２の回転軸１３２ｃを、図示しないベアリングによって回転可能に支持する支持台である。これにより、従動プーリ１３２が回転したときに、シャフト９も従動プーリ１３２と一体的に回転しつつ、ねじ軸１０の前進または後退に伴ってシャフト９も前進または後退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３１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３２を先端面２ａから突出させてカメラ３１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３２との位置関係を観察しながら、入力部８１を介して処置具３２を遠隔操作して術部を処置することができる。

　ここで、図６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８のシャフト９が破断するなどしてモータ１２からの動力がワイヤ７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３１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８の故障を容易に認識することができる。

　ここで、モータ１２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７を駆動する構成において、ワイヤ７の直線運動によってねじ軸１０およびシャフト９を回転運動させるためには、ワイヤ７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７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８の故障の発生を判断した後、２つの結合機構１５１，１５２を作動させる。すなわち、図６に示されるように、故障した牽引機構８のシャフト９を結合機構１５によってモータ１２から切断し、当該牽引機構と対をなす予備牽引機構１７の予備シャフト１８を結合機構１５によって予備モータ１９に接続する。これにより、故障した牽引機構８に接続されていたワイヤ７を予備牽引機構１７によって故障前と同様に操作可能な状態に復帰する。したがって、術者Ｙは、正常な牽引機構８と予備牽引機構１７とによって湾曲部５の湾曲角度を制御しながら、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８が故障した場合に、当該牽引機構８を予備牽引機構１７に切り替えることによって、湾曲部５の湾曲角度を制御可能な状態に復帰することができる。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。また、シャフト９と予備シャフト１８とを同軸に配置して２層構造とすることにより、挿入部２を細径な構造とすることができる。

　なお、本実施形態においては、予備牽引機構１７が、牽引機構８のモータ１２とは別体の予備モータ１９を備え、故障時には予備モータ１９を用いてワイヤ７を駆動することとしたが、これに代えて、予備牽引機構１７が、牽引機構８と共通のモータ１２を用いてもよい。このようにすることで、モータ１２が１つで済み、装置構成を簡易にすることができる。

　この場合、切替部は、モータ１２の回転軸１２ａをシャフト９および予備シャフト１８に択一的に接続することにより、牽引機構８および予備牽引機構１７を択一的に作動させる。例えば、切替部は、図７に示されるように、回転軸１２ａとシャフト９および予備シャフト１８との間に配置され、回転軸１２ａに対して固定された中間部材２０と、該中間部材２０とシャフト９または予備シャフト１８とを連結する連結部材２１とを備える。

　中間部材２０は、シャフト９および予備シャフト１８の基端部を収容する筒状の部材である。連結部材２１は、中間部材２０とシャフト９および予備シャフト１８とを連通する穴２０ａ，２０ｂに挿入されるピンであり、連結部材２１をいずれかの穴２０ａ，２０ｂに挿入することにより、回転軸１２ａを中間部材２０を介してシャフト９または予備シャフト１８に連結することができる。穴２０ａ，２０ｂが雌ねじであり、中間部材２０が雄ねじであってもよい。中間部材２０は、ねじ軸１０の前進または後退に伴って、回転軸１２ａに対して長手方向に移動可能に設けられている。すなわち、回転軸１２ａは、外周面に凸部１２ｂが設けられ、中間部材２０は、基端面から長手方向に穴２０ｃが形成され、該穴２０ｃは、凸部１２ｂに嵌合する凹部２０ｄを有している。

　連結部材２１は、図８に示されるように、ピン２１ａにばね２１ｂを介して接続されたスイッチ２１ｃを備え、該スイッチ２１ｃの作動によってピン２１ａがいずれかの穴２０ａ，２０ｂに挿入されるように構成されていてもよい。

　あるいは、切替部は、牽引機構８の故障時に、モータ１２の回転軸１２ａに固定されたシャフト９に対して予備シャフト１８を固定することにより、予備シャフト１８とシャフト９とを一体的に回転させてもよい。例えば、切替部は、図９に示されるように、尖端をシャフト９の外周面に向けて配置された楔状の締付部材２２と、該締付部材２２をシャフト９の半径方向内方に付勢するばねのような付勢部材２３とを備える。同図において二点鎖線で示されるように、締付部材２２によってシャフト９の外面を半径方向内方に締め付けることにより、シャフト９が予備シャフト１８に対して固定されるようになっている。

　また、本実施形態においては、術者Ｙが牽引機構８の故障の発生を判断して手動で結合機構１５１，１５２を作動させることとしたが、これに代えて、図１０に示されるように、マニピュレータ１が、牽引機構８の故障を検出する故障検出部２４を備えていてもよい。このようにすることで、牽引機構８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。

　故障検出部２４は、例えば、湾曲部５の湾曲角度を検出する曲率センサ２４１と、曲率センサ２４１によって検出された湾曲角度を、制御装置６０からモータ１２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２４２とを備えている。

　曲率センサ２４１は、検出された湾曲部５の湾曲角度を故障判定回路２４２に送信する。故障判定回路２４２は、制御装置６０からモータ１２に出力される指令信号を受信し、曲率センサ２４１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１２が属する牽引機構８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２４１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６のワイヤ７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３２に付された所定のマーカをカメラ３１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２４は、曲率センサ２４１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８の故障を検出してもよい。
　電流センサは、モータ１２に流れる電流を検出し、故障判定回路２４２は、正常時にモータ１２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８の故障を判定する。
　歪みセンサは、シャフト９に発生する応力を測定し、故障判定回路２４２は、正常時にシャフト９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８の故障を判定する。

　このように、牽引機構８の故障を故障検出部２４によって自動で検出する場合には、制御装置６０が、故障検出部２４からの判定結果を受けて結合機構１５１，１５２を作動させることにより、故障した牽引機構８の予備牽引機構１７への切り替えを実行してもよい。

　また、制御装置６０は、故障検出部２４によって牽引機構８の故障が検出されたときに、故障の発生を術者Ｙに報知してもよい。
　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、上述した本実施形態に係るマニピュレータ１の変形例について説明する。各変形例において、予備湾曲機構１６の構成が主に相違するので、予備湾曲機構１６の構成について主に説明し、その他の共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

（第１の変形例）
　本実施形態の第１の変形例に係るマニピュレータ１において、予備牽引機構１７は、図１１に示されるように、接続部材（切替部）２５を介してワイヤ７の途中位置に接続されて本体部３の基端側へ延びる予備ワイヤ（伝達部材）２６と、回転軸１９ａが軸Ａに交差して配置された予備モータ１９と、予備ワイヤ２６の基端部が巻かれ予備モータ１９の回転運動を軸Ａ方向の直線運動に変換するプーリ（予備動力発生部）２７とを備え、牽引機構８と共通のワイヤ７を駆動する。シャフト９の基端は、モータ１２の回転軸１２ａに直接連結されている。

　図１２Ａおよび図１２Ｂは、接続部材２５の詳細な構成を示している。同図に示されるように、ねじ軸１０は、半径方向外方に突出した頭部１０ａを基端に有し、接続部材２５は、頭部１０ａが本体部３の半径方向に嵌合する溝２５ｃを有している。図１２Ａに示されるように、頭部１０ａが溝２５ｃに嵌合することによってワイヤ７が牽引機構８に接続される。一方、図１２Ｂに示されるように、頭部１０ａが溝２５ｃから外れることによってワイヤ７が牽引機構８から切断される。つまり、予備ワイヤ２６が牽引されることによって接続部材２５が斜めになり、頭部１０ａが溝２５ｃの開口部から図１２Ｂに示される矢印方向に外れ、ワイヤ７が牽引機構８から切断される。

　図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるように、予備ワイヤ２６がプーリ２５ｂに掛け回されていてもよい。このようにすることで、予備ワイヤ２６が牽引されたときの接続部材２５の移動が安定するので、より容易に接続部材２５と頭部１０ａとを切断することができる。

　このように構成された本変形例に係るマニピュレータ１によれば、牽引機構８が故障した場合に、結合機構１５によって予備ワイヤ２６を予備モータ１９に接続し、接続部材２５からねじ軸１０の頭部１０ａを外すことによってワイヤ７を牽引機構８から切断することにより、予備牽引機構１７によって湾曲部５の湾曲動作を制御可能な状態に復帰することができる。また、挿入部２の内部に収容される部材はいずれも細径であるので、挿入部２を細径な構造とすることができる。

（第２の変形例）
　本実施形態の第２の変形例に係るマニピュレータ１において、予備湾曲機構１６は、図１４Ａに示されるように、第１の変形例の湾曲機構６と同一の構成を備えている。すなわち、予備湾曲機構１６は、ワイヤ７、ねじ軸１０、シャフト９およびモータ１２と並列に設けられた、予備ワイヤ（予備線材）２６、予備ねじ軸（予備動力伝達部）２８、予備シャフト１８および予備モータ１９を備えている。予備ねじ軸２８は、ねじ軸１０と同様に、ナット（予備動力伝達部）１１に追加して形成された雌ねじ１１ａに締結されている。通常時において、予備湾曲機構１６は、図１４Ｂに示されるように、湾曲機構６と共に作動する。

　本変形例において、切替部として、ワイヤ７とねじ軸１０との間および予備ワイヤ２６と予備ねじ軸２８との間に設けられた前述の接続部材２５と、該接続部材２５とねじ軸の頭部１０ａまたは予備ねじ軸２８の頭部との接続および切断を制御する切替制御部２９とが備えられている。切替制御部２９は、図１５Ａに示されるように、接続部材２５に接続されるワイヤ２５ａが巻き付けられたプーリ２９ａとモータ２９ｂとの間を接続または切断する電磁クラッチ２９ｃを備えている。ワイヤ２５ａは、図１３Ａおよび図１３Ｂの予備ワイヤ２６に対応している。図１５Ａは、電磁クラッチ２９ｃがオン状態であり、モータ２９ｂとプーリ２９ａとが接続されている状態を示し、図１５Ｂは、電磁クラッチ２９ｃがオフ状態であり、モータ２９ｂとプーリ２９ａとが切断されている状態を示している。

　このように構成された本変形例に係るマニピュレータ１によれば、牽引機構８が故障した場合に、当該牽引機構８の電磁クラッチ２９ｃをオフ状態からオン状態に切り替えることにより、モータ２９ｂによってプーリ２９ａを回転させ、ワイヤ２５ａを牽引する。これにより、故障した牽引機構８をワイヤ７から分離し、当該牽引機構８と対をなす予備牽引機構１７によって湾曲部５の湾曲動作を制御することができる。また、挿入部２の内部に収容される部材はいずれも細径であるので、挿入部２を細径な構造とすることができる。

（第３の変形例）
　本実施形態の第３の変形例に係るマニピュレータ１において、予備湾曲機構１６は、図１６に示されるように、先端部４に先端が接続されて本体部３の基端側まで延びる予備ワイヤ（予備線材）２６と、予備モータ（予備牽引機構）１９とを備えている。本変形例において、予備モータ１９は、軸Ａ方向の直線運動を発生させて該直線運動を予備ワイヤ２６に伝達する。予備ワイヤ２６と予備モータ１９との間には、これらを接続および切断する結合機構１５２が設けられている。

　本変形例において、切替部として、第２の変形例と同様に、接続部材２５と切替制御部２９とが、ワイヤ７とねじ軸１０との間に備えられている。
　このように構成された本変形例に係るマニピュレータ１によれば、牽引機構８が故障した場合に、当該牽引機構８の電磁クラッチ２９ｃをオフ状態からオン状態に切り替えることにより、モータ２９ｂによってプーリ２９ａを回転させ、ワイヤ２５ａを牽引する。これにより、故障した牽引機構８をワイヤ７から分離する。そして、結合機構１５２によって予備ワイヤ２６と予備モータ１９とを接続することにより、予備牽引機構１７によって湾曲部５の湾曲動作を制御することができる。また、挿入部２の内部に収容される部材はいずれも細径であるので、挿入部２を細径な構造とすることができる。

　なお、本実施形態およびその変形例においては、ねじ軸１０の前進または後退に伴ってシャフト９または中間部材２０が前進または後退する機構を備えるマニピュレータ１について説明したが、この機構に代えて、シャフト９が、ねじ軸１０の移動量よりも十分に長い長さを有するとともに可撓性を有することとしてよい。このようなシャフト９を用いることによっても、ねじ軸１０が前進または後退可能となる。
　また、本実施形態およびその変形例においては、カメラ３１および処置具３２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３１を省略してもよい。

１　マニピュレータ
２　挿入部
３　本体部
４　先端部
５　湾曲部
５ａ　節輪
６　湾曲機構（主湾曲機構）
７　ワイヤ（主線材）
８　牽引機構
９　シャフト（主シャフト部材、主動力伝達部）
１０　ねじ軸（動力変換部材、主動力伝達部）
１１　ナット（動力変換部材、主動力伝達部、予備動力伝達部）
１２　モータ（主動力発生部）
１２ａ　回転軸
１３１　駆動プーリ
１３１ａ　回転軸
１３２　従動プーリ
１４　ベルト
１５１，１５２　結合機構（切替部）
１６　予備湾曲機構
１７　予備牽引機構
１８　予備シャフト
１９　予備モータ（予備動力発生部）
１９ａ　回転軸
２０　中間部材（切替部）
２１　連結部材（切替部）
２２　締付部材（切替部）
２３　付勢部材（切替部）
２４　故障検出部
２４１　曲率センサ
２４２　故障判定回路
２５　接続部材（切替部）
２５ｃ　溝
２５ｂ　プーリ
２６　予備ワイヤ（伝達部材、予備線材）
２７　プーリ（予備動力発生部）
２８　予備ねじ軸（予備動力伝達部）
２８　プーリ
２９　切替制御部
３０　ライト
３１　カメラ
３２　処置具
３２ａ　関節
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

　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主線材と、動力を発生する主動力発生部と、前記本体部に設けられ、前記主動力発生部によって発生された前記動力を前記主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主動力伝達部とを有する複数の主湾曲機構と、
　各該主湾曲機構と対をなして並列に設けられ、各前記主線材と同一位置または近傍において前記先端部に前記長手方向の押圧力および牽引力を作用させる複数の予備湾曲機構と、
　対をなす前記主湾曲機構と前記予備湾曲機構とを択一的に作動させる切替部とを備えるマニュピレータ。
　前記主動力伝達部が、前記主動力発生部によって発生された前記動力によってその中心軸回りに回転させられる主シャフト部材と、該主シャフト部材の回転運動を前記長手方向の直線運動に変換するとともに前記主線材の基端部に連結される動力変換部材とを備え、
　前記予備湾曲機構が、前記主シャフト部材と同軸に配置されて前記動力変換部材に接続された予備シャフト部材と、該予備シャフト部材を回転させる予備動力発生部とを備える請求項１に記載のマニュピレータ。
　前記主シャフト部材が、前記長手方向に沿って配置された筒状の部材からなり、
　前記予備シャフト部材が、前記主シャフト部材の内部に収容されたワイヤ状の部材からなる請求項２に記載のマニュピレータ。
　前記予備湾曲機構が、前記主線材の近傍において前記先端部に接続されて基端側に延びる予備線材と、該予備線材に前記長手方向の直線運動を伝達する予備牽引機構とを備える請求項１に記載のマニュピレータ。
　前記予備牽引機構が、前記長手方向の直線運動を発生する予備動力発生部と、前記主線材に接続され前記予備動力発生部によって発生された直線運動を前記主線材に伝達する伝達部材とを備える請求項４に記載のマニュピレータ。
　前記予備牽引機構が、前記主湾曲機構の前記主動力発生部および前記主動力伝達部と並列に設けられた、動力を発生する予備動力発生部および該予備動力発生部によって発生された前記動力を前記予備線材の基端に前記長手方向の直線運動として伝達する予備動力伝達部を備える請求項４に記載のマニュピレータ。
　前記予備牽引機構が、前記予備線材の基端に接続され、前記長手方向の直線運動を発生して該直線運動を前記予備線材に伝達する予備動力発生部を備える請求項４に記載のマニュピレータ。