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JP5085996B2 - マニピュレータシステム - Google Patents

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Description

本発明は、マニピュレータと該マニピュレータを制御するマニピュレータシステムに関し、特に、アクチュエータを有するアクチュエータ部と、該アクチュエータ部に対して着脱自在で、アクチュエータに連携して動作する動作部を備える作業部とからなるマニピュレータを有するマニピュレータシステムに関する。
腹腔鏡下手術においては、患者の腹部等に小さな孔をいくつかあけて内視鏡、マニピュレータ(又は鉗子)等を挿入し、術者が内視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような腹腔鏡下手術は、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とから、適用分野の拡大が期待されている。
マニピュレータシステムは、例えば特許文献1に記載されているように、マニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体を制御する制御装置とから構成される。マニピュレータ本体は、人手によって操作される操作部と、操作部に対して交換自在に着脱される作業部とから構成される。
作業部は長い連結シャフトと、該連結シャフトの先端に設けられた先端動作部(エンドエフェクタとも呼ばれる。)とを有し、ワイヤによって先端の作業部を駆動するモータが操作部に設けられている。ワイヤは基端側でプーリに巻き掛けられている。制御装置は、操作部に設けられたモータを駆動して、プーリを介してワイヤを循環駆動する。
作業部側は洗浄、滅菌を容易にする必要性からセンサなどの電子機器を含まず、先端動作部及び後端のプーリの位置又は原点を直接的には検出できない構成であり、モータの回転量に基づいて先端動作部の姿勢を算出する構成がとられている。
ところで、腹腔鏡下手術では、手技に応じて多様な作業部が用いられ、例えばグリッパ、はさみ、電気メス、超音波メス、医療用ドリルなどが挙げられる。これらの作業部は操作部に対して着脱自在に構成され、装着時には作業部基端側のプーリが操作部に設けられたモータの回転軸に係合するように構成されている。
このように、1つの操作部に対して複数の異なる作業部を接続することを前提としているシステムの場合、すべての作業部が唯一共通して着脱のできる姿勢となるモータ位相を設定する必要がある(例えば、特許文献1参照)。これを原点(又は初期位置)としている。
マニピュレータシステムについての先行技術としては、下記の特許文献1〜特許文献3が挙げられる。
特許文献1では、着脱時におけるモータ励磁切り換えや電気的な構成については考慮する必要のない構成が提案されている。
特許文献2では、複数の先端ツール(作業部)の電気的着脱について記載されている。
特許文献3は、医療用マニピュレータの着脱について、先端のマニピュレータにIDを取得するためのメモリを有していて制御装置がその情報を取得して制御することが記載されている。メモリはROM又はフラッシュメモリ等であり、電気的接点を介してIDが伝達される。
特開2004−105451公報 特開2004−208922公報 米国特許第6331181号明細書
従来外科手術が行われる際には、外科医が患者の内部を直接見ながら手術が出来るように大きな切開が施された。大きな切開は、患者の回復遅らせたりするものであった。近年、多くの外科医は内視鏡下での低侵襲の外科手術を行い、切開を著しく小さくすることが出来ている。
ロボット外科器具は低侵襲外科手術をさらに発展させてきている。それらの外科器具は高度に専門的になっている。それらの外科器具は外科医の最小化された動きに追随しなければならない。外科医は臓器に対して切断、剥離そして縫合等の多くの異なったことを行う。異なったそれぞれの外科器具はそれぞれの機能を要求される。それぞれの機能のために異なった医療器具が作られる。しかし、単にコントロールユニットに接続された外科器具を機能ごとに代える方が経済的である。外科器具のコントロールを正確に行うためには、取り付けられるそれぞれの外科器具を認識しなければならない。
つまり、アクチュエータ部に対して種々の作業部が装着可能である場合、制御部では作業部の種類に応じた制御を行う必要があり、作業部の個体情報が必要となる。
また、上記のとおり先端動作部の姿勢は、例えば原点位置を基準として算出されることから、手術の途中で作業部を交換する場合には、次の作業に備えて該作業部は正確に原点に一致した軸位置としてから取り外すことが望ましい。原点位置に一致していない状態で取り外されたときには、所定の警報を発してその作業部を再装着するように促すとよいが、このとき別の作業部を装着されることがないように作業部を識別することが必要になる。
前記の特許文献3ではROMからツールの個体情報を読取ることができ、該個体情報に応じて作業部の種類に応じた制御が可能となる。しかしながら、前記の通り、作業部は一連の手術が終了した後に洗浄及び滅菌を行う必要から電子機器を含まないことが望まれ、特に電気的接点がないことが望ましい。
また、取得した個体情報に基づいて作業部ごとの使用の経緯が分かると作業部の管理が容易となり好適である。しかしながら、接続される制御部は複数台用意されている場合もあり、所定の制御部に作業部の使用履歴を保存しておくと、該作業部を他の制御部に接続しても使用の経緯が分からず、不便である。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、作業部の個体情報を取得することができ、しかも該作業部を簡便に洗浄及び滅菌することのできるマニピュレータシステムを提供することを目的とする。
本発明に係るマニピュレータシステムは、マニピュレータ及び該マニピュレータを制御する制御部とを備えるマニピュレータシステムにおいて、前記マニピュレータは、アクチュエータが備えられたアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部に対して着脱自在で、シャフトの先端に前記アクチュエータに連動して前記シャフト軸と非平行な軸を基準として回動する先端動作部を備える作業部とを有し、前記作業部は、固体識別用の個体信号を保持するID保持部を備え、前記アクチュエータ部は、前記ID保持部に対して非接触で、該ID保持部の前記個体信号を認識し前記制御部へ供給するID認識部を備え、前記制御部は、供給された前記個体信号に基づいて前記作業部の制御をすることを特徴とする。
このように、非接触のID保持部及びID認識部を用いることにより、作業部の個体情報を取得することができるとともに、電気的接点がなく、作業部を簡便に洗浄及び滅菌することができる。また、電気的接点がないことから、該接点の不良による通信エラーがない。一般に、非接触手段は電気的接点よりも高寿命である。
本発明では、ロボットコントロールが正しく信頼性が高く外科器具をコントロール出来るようにロボット外科装置にマウントされる外科器具の認識を行う装置と方法が提供される。具体的には、装置は外科器具と外科器具コントロールメカニズムを含むがこれに限定されない。外科器具は外科器具を認識するトランスミッターと外科器具を含むがこれに限定されない。外科器具コントロール機構は送られるID情報を受けとるレシーバを持つ。ただし、これには限定されない。
他の具体例は、外科装置は外科器具と外科器具コントロールメカニズムを持つ。しかしこれに限定されない。外科器具は外科器具と外科器具を特定する認識部を含む。しかしこれには限定されない。外科器具コントロールメカニズムは認識部を読み取る読み取り装置を含む。ただし、これに限定されない。
別の具体例は低侵襲手術に使用される外科器具を自動的に認識する方法を提供する。その方法は、個別情報をレシーバで受け取り、その情報に基づいて外科器具をコントロールする方法を含む。ただし、これに限定はされない。外科器具が装置にマウントされた状態で認識が行われる。
別の具体例は低侵襲手術に使用される外科器具を自動的に認識する方法を提供する。その方法は、個別情報をレシーバで読み取り、その情報に基づいて外科器具をコントロールする方法を含む。ただし、これに限定はされない。外科器具が装置に取り付けられた状態で認識が行われる。
本発明に係るマニピュレータシステムによれば、非接触のID保持部及びID認識部を用いることにより、作業部の個体情報を取得することができるとともに、電気的接点がないことから、作業部を簡便に洗浄及び滅菌することができる。
以下、本発明に係る実施形態として医療用のマニピュレータシステム500について添付の図1〜図20を参照しながら説明する。マニピュレータシステム500(図1参照)は、腹腔鏡下手術等に用いられるものである。
図1に示すように、マニピュレータシステム500は、マニピュレータ10と、コントローラ514とを有する。
マニピュレータ10とコントローラ514との接続部には着脱可能なようにコネクタ520が設けられている。
マニピュレータ10は、先端動作部12に生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うためのものである。マニピュレータ10は、基本構成として操作部14と作業部16とからなる。コントローラ514は、マニピュレータ10の電気的な制御をするものであり、グリップハンドル26の下端部から延在するケーブル61に対してコネクタ520を介して接続されている。
コントローラ514は、マニピュレータ10を独立的に3台同時に制御することができる。コントローラ514のうち、第1、第2及び第3のマニピュレータ10を制御する部分を総括的に第1ポート515a、第2ポート515b及び第3ポート515cとも呼ぶ。図1及び図2に示すホストコンピュータ602については後述する。
図2に示すように、マニピュレータシステム500は、選択的に種々の構成を採りうる。すなわち、操作部14は、バリエーションとして操作部14a〜14dが用意され、作業部16は、バリエーションとして作業部16a〜16dが用意されている。
コントローラ514には、操作部14aに代えて操作部14b、14c及び14dを装着することができる。また、各操作部14a〜14dに対し、作業部16aに代えて作業部16b、16c及び16dを装着することができる。すなわち、術者は手技の種類や慣れ等に応じて操作部14a〜14d及び作業部16a〜16dを選択的に組み合わせて構成することができる。このうち、作業部16bは先端動作部12がはさみとなっている。作業部16cは先端動作部12がブレード型電気メスとなっている。作業部16dは先端動作部12がフック型電気メスとなっている。各作業部16a〜16dは、接続部15内のプーリ50a、50b及び50c(図1参照)は共通の構成となっている。
前記のとおり、コントローラ514は、3台のマニピュレータ10を同時に制御可能であることから、操作部14a〜14dのうちいずれか3つを第1ポート515a、第2ポート515b及び第3ポート515cに接続が可能である。
次に、操作部14及び作業部16からなるマニピュレータ10について説明する。
マニピュレータ10は、先端動作部12に生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うためのものであり、通常、把持鉗子やニードルドライバ(持針器)等とも呼ばれる。
図1及び図3に示すように、マニピュレータ10は、人手によって把持及び操作される操作部14と、該操作部14に対して着脱自在な作業部16とを有する。
以下の説明では、図1における幅方向をX方向、高さ方向をY方向及び、連結シャフト48の延在方向をZ方向と規定する。また、右方をX1方向、左方をX2方向、上方向をY1方向、下方向をY2方向、前方をZ1方向、後方をZ2方向と規定する。さらに、特に断りのない限り、これらの方向の記載はマニピュレータ10が中立姿勢である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、マニピュレータ10は任意の向きで(例えば、上下を反転させて)使用可能であることはもちろんである。
作業部16は、作業を行う先端動作部12と、操作部14のアクチュエータブロック(アクチュエータ部)30に対して接続される接続部15と、これらの先端動作部12と接続部15とを連接する長尺で中空の連結シャフト48とを有する。作業部16はアクチュエータブロック30における所定の操作によって操作部14から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。ここで、アクチュエータブロック30は作業部16が装着される箇所を意味するものであり、モータ40、41、42を格納する場所に限定されず、ブリッジ28との接続面30aを含む。
先端動作部12及び連結シャフト48は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール20から体腔22内に挿入可能であり、操作部14の操作により体腔22内において患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。
操作部14は、人手によって把持されるグリップハンドル26と、該グリップハンドル26の上部から延在するブリッジ28と、該ブリッジ28の先端に接続されたアクチュエータブロック30とを有する。
図1に示すように、操作部14のグリップハンドル26は、ブリッジ28の端部からY2方向に向かって延在しており、人手によって把持されるのに適した長さであり、入力手段としてのトリガーレバー32と、複合入力部34と、スイッチ36とを有する。
ブリッジ28の上面(又は側面)における視認しやすい箇所にはLED(インジケータ)29が設けられている。LED29は、マニピュレータ10の制御状態を示すインジケータであり、操作者が容易に認識可能な大きさであり、かつ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。LED29は、ブリッジ28の上面における略中央部で、視認性のよい位置に設けられている。
グリップハンドル26の下端には、コントローラ514に接続されるケーブル61が設けられている。グリップハンドル26とケーブル61とは一体的に接続されている。グリップハンドル26とケーブル61とはコネクタにより接続されていてもよい。
複合入力部34は、先端動作部12に対してロール方向(軸回転方向)及びヨー方向(左右方向)の回転指令を与える複合的な入力手段であり、例えば軸回転に動作する第1入力手段によってロール方向指示を行い、横方向に動作する第2入力手段によってヨー方向指示を行うことができる。トリガーレバー32は、先端動作部12のグリッパ59(図1参照)の開閉指令を与える入力手段である。スイッチ36は、マニピュレータ10の動作状態の有効又は無効を設定するための入力手段である。
図3及び図4に示すように、複合入力部34、トリガーレバー32には、それぞれ動作量を検出する入力センサ39a、39b、39cが設けられており、検出した動作信号(例えばアナログ信号)をコントローラ514に供給する。
トリガーレバー32は、ブリッジ28のやや下方でZ1方向にやや突出したレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。
トリガーレバー32は、グリップハンドル26に対してアーム98により接続されており、該グリップハンドル26に対して進退するように構成されている。
スイッチ36はグリップハンドル26に対して進退する操作機構であって、トリガーレバー32とスイッチ36とはグリップハンドル26におけるZ1方向の面で、グリップハンドル26の長尺方向(Y方向)に並んで配置されている。スイッチ36はトリガーレバー32の直下(Y2方向)に設けられている。スイッチ36とトリガーレバー32との間には薄い板材130が設けられている。
スイッチ36はオルタネート式であって、一度手前(Z2方向)に引き込むことによってオン状態にロックされ、操作子36aは手前側の位置に保持される。再度スイッチ36を手前側に引き込むことによってオン状態は解除されてオフ状態となり、図示しない弾性体によって先端側(Z1方向)の位置に復帰する。このような操作により、スイッチ36は、オン状態又はオフ状態のいずれかに保持され、スイッチ36を押し続ける必要がない。従って、オン状態とオフ状態との切り換え時だけスイッチ36の操作をすればよく、それ以外のときはトリガーレバー32の操作をすることができ、スイッチ36とトリガーレバー32とを併存させるのに好適である。
また、スイッチ36はオン状態とオフ状態では操作子36aの突き出し量が異なる構成であることから、操作子36aを目視し又は触れることによって状態を確認することができる。
スイッチ36は、モードの変更をさせるものである。モードの状態はLED29及びコントローラ514の所定のランプの点灯状態によっても示される。具体的には、LED29及び所定のランプは、動作モードのときには緑色点灯、停止モードのときには消灯となる。また、自動原点復帰動作時及びリセット動作時には緑の点滅となり、アラーム発生時には赤の点滅となる。
これらのモード及び動作はスイッチ36の操作によって変更される。つまり、コントローラ514は、スイッチ36の状態を読み込み、オン状態であるときに動作モードとし、オン状態からオフ状態に切り換わったときに自動原点復帰動作としてモータ40、41、42を所定の原点に戻し、原点に戻った後に停止モードとする。
動作モードとは、操作部14の操作指令を有効にしてモータ40、41、42を駆動するモードである。停止モードは、操作部14の操作指令の有無に関わらずモータ40、41、42を停止させるモードである。また、リセット動作とは、所定の操作がなされたときにモータ40、41、42を自動的に所定の原点に戻す動作である。自動原点復帰動作及びリセット動作は、操作指令の有無に関わらずモータ40、41、42を動作させることから、自動モードとして分類される。
これらのモード及び動作はコントローラ514によって区別されて制御され、LED29及び所定のランプの点灯状態が切り換えられる。
アクチュエータブロック30には先端動作部12が有する3自由度の機構に対応してモータ40、モータ41及びモータ42が連結シャフト48の延在方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ40、41及び42は小型、細径であって、アクチュエータブロック30はコンパクトな扁平形状に構成されている。アクチュエータブロック30は、操作部14のZ1方向端部の下方に設けられている。また、モータ40、41及び42は、操作部14の操作に基づき、コントローラ514の作用下に回転をする。
モータ40、41及び42には、回転角度を検出することのできる角度センサ43、44及び45が設けられており、検出した角度信号はコントローラ514に供給される。角度センサ43、44及び45としては、例えばロータリエンコーダが用いられる。
作業部16は、アクチュエータブロック30に対して接続される接続部15と、該接続部15からZ1方向に向かって延在する中空の連結シャフト48とを有する。接続部15には、モータ40、41及び42の駆動軸に接続されるプーリ50a、プーリ50b及びプーリ50cが回転自在に設けられている。プーリ50a〜50cにはそれぞれカップリングが設けられている。
プーリ50a、プーリ50b及びプーリ50cには、ワイヤ52、ワイヤ53及びワイヤ54が巻き掛けられており、連結シャフト48の中空部分48a(図7参照)を通って先端動作部12まで延在している。ワイヤ52、ワイヤ53及びワイヤ54はそれぞれ同種、同径のものを用いることができる。
作業部16の接続部15は、アクチュエータブロック30における所定の操作によって操作部14から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。また、作業部16は他の形式のものに交換可能であって、手技に応じて連結シャフト48の長さの異なるもの、又は先端動作部12の機構が異なるものを装着することができる。
接続部15は、プーリ50a、50b及び50cの中心穴に対して、モータ40、41及び42の回転軸40a、41a及び42aが嵌合するように構成されている。プーリ50a、50b及び50cのY2方向下端にはそれぞれ十字状の結合凸部が設けられ、回転軸40a、41a及び42aには十字状の結合凹部が設けられている。結合凸部と結合凹部は互いに係合可能に形成されており、モータ40、41及び42の回転がプーリ50a、50b及び50cに対して確実に伝達される。また、結合凸部と結合凹部とは原点位置以外で係合しないよう構成されている。また、これらの係合部は十字形状に限られない。
アクチュエータブロック30におけるブリッジ28との接続面30aには、カメラ(ID認識部、撮像手段)106と、2つの白色LED(投光手段)105とが設けられている。接続面30aは、作業部16の接続部15におけるカバー37の端面に当接する面であり、XY平面を構成する。カメラ106は、後述するバーコード104(図5参照)を撮像するカメラであり、例えばCCD形式又はCMOS形式である。白色LED105は、光軸がバーコード104を照明する向きに設定されており、カメラ106はバーコード104を一層確実に認識することができる。白色LED105は、カメラ106を挟んで左右対称位置に設けられており、バーコード104をバランスよく照明することができる。白色LED105は、カメラ106を挟んで上下に設けられていてもよく、等間隔に3以上設けられていてもよい。白色LED105が十分な光量を有する場合には1つでもよい。
接続部15が載置されるアクチュエータブロック30の上面30bにおいて、Z2方向の端部近傍には、接続部15の有無を検出する作業部検出手段107が設けられている。作業部検出手段107は、対向する位置に設けられた投光器107aと受光器107bとからなり、該投光器107aと該受光器107bとの間に接続部15の後端部の被検出片109が挿入されて遮光することにより該接続部15が装着されたことを検出できる。投光器107aと受光器107bは、X方向に対向する向きで且つ近接した位置に設けられている。投光器107aは例えばLEDであり、受光器107bは例えばフォトダイオードである。
図5に示すように、接続部15におけるプーリ格納体300の上面でZ2方向端部近傍には二次元状のバーコード(ID保持部)104が設けられている。バーコード104は、例えば略正方形のマトリックス形状であり、桝目に従って白及び黒が印刷されている。バーコード104は、XY平面を構成する板104aに貼り付けられており、カバー37の後端部から適度な距離Pだけ前方(Z1方向)にずれた位置に設けられている。
バーコード104には、作業部16の個体情報、仕様、タイムスタンプ(製造日等)やシリアルナンバー、使用回数上限等の情報が含まれている。バーコード104の保持する個体情報は、作業部毎に識別が可能なように異なる値が付与されている。
バーコード104は1枚に限らず、複数枚からなる構成であってもよい。バーコード104が2枚からなる場合、一枚は個体情報、製造日、シリアルナンバー等の個体特有の情報を示し、もう一枚は仕様、使用回数上限等の型式毎に共通的な情報を示すようにしてもよい。
バーコード104は二次元データに限らず、一次元形状であってもよい。バーコード104における枡目の色は白及び黒に限らず、赤外線吸収色及び赤外線反射色であってもよく、又は3色以上の色の区別により情報を示すようにしてもよい。
バーコード104に含まれる情報は、コントローラ514で読み込み動作状態表示部530(図1参照)に表示させ、又は所定の判断を行って注意又は警告を発させるとよい。
プーリ格納体300の後端面における下端には、小さい被検出片109が後方に向かって突出している。接続部15がアクチュエータブロック30に装着されると、被検出片109が投光器107aと受光器107bとの間に挿入されて受光器107bに対する投光器107aの光を遮光するとともに、バーコード104とカメラ106とはカメラ106の焦点距離Pだけ離れて対向する。
このとき、カバー37は、バーコード104及びカメラ106が略閉空間内となるようにこれらの箇所を覆う。これにより、バーコード104及びカメラ106の汚れを防止することができるとともに、外乱光を遮蔽して安定した撮像が可能となる。また、閉空間となっても、白色LED105によりバーコード104が照明されることから、安定した撮像が可能である。バーコード104及びカメラ106を覆うカバー37は、アクチュエータブロック30に設けられていてもよい。バーコード104とカメラ106との相対的な位置及び向きが固定的であることから、カメラ106側では、バーコード104の位置及び向きを特定する必要がなく、これらを特定するためのコードが不要か又は少量で足り、その分、バーコード104における記録可能な情報量が多くなる。
作業部検出手段107によれば、コントローラ514において作業部16がアクチュエータブロック30に装着されているか否かを認識することができる。コントローラ514は作業部16がアクチュエータブロック30に装着されたとき(ここで、作業部16がアクチュエータ部30に装着されたときとは、厳密な意味ではなく、例えば、作業部16がアクチュエータ部30に装着された瞬間から、実質的な作業が開始されるまでの期間を含む意味である。)にカメラ106及び白色LED105を制御してバーコード104から個体信号を取得する。このように、コントローラ514では、少なくとも作業部16がアクチュエータブロック30に装着されたときに個体信号を取得すれば足り、それ以外のときにはカメラ106及び白色LED105の動作を停止しておくことができ、処理負荷が低減するとともに省電力化を図ることができる。
カメラ106による撮像は、可視光に限らず、例えば赤外光を用いてもよい。赤外光を用いることにより、暗い場所でもバーコード104を明りょうに撮像することができる。赤外光を用いる場合には所定の赤外線LEDでバーコード104を照射してもよい。
作業部検出手段107は、投光器107a及び受光器107bからなる構成に限らず、例えば被検出片109により操作されるリミットスイッチであってもよい。また、コントローラ514では、作業部16の個体情報を取得し、該個体情報に応じて作業部16の種類に応じた制御が可能となる。
ところで、バーコード104は直接的な通電の必要がなく接続部15及び作業部16には電気的接点が存在せず、しかもバッテリ等の蓄電体もない。したがって、操作部14から取り外した作業部16は洗浄、滅菌等を容易に行うことができる。つまり、モータやスイッチ、センサなどの電気機器をすべて操作部14側に配し、連結シャフト48及び先端動作部12からなる機械構成部品のみからなるものを作業部16側に配することで洗浄性を向上させている。作業部16と操作部14では汚れ具合、汚れ種類、洗浄方法が異なり、異なるメンテナンスが行われるため、離脱して洗浄することが好適である。
接続部15を操作部14から取り外す場合には、アクチュエータブロック30の両側面に設けられたレバー206を押してそれぞれ外方に開くように傾動させ、該レバー206の楔部206aを、接続部15の両側面に設けられた係合片200から解放する。これにより接続部15を操作部14から上方(Y1方向)に引き抜き、取り外しが可能となる。アクチュエータブロック30の上面には3本のアライメントピン212が設けられており、接続部15に設けられた嵌合孔202に嵌合することにより該接続部15を安定して保持可能である。接続部15を操作部14に取り付ける場合には、3本のアライメントピン212がそれぞれ嵌合孔202に嵌合するように合わせて、接続部15を下方(Y2方向)に押し下げる。これにより、レバー206は一旦外方に拡がり、その後原位置に戻ることにより係合片200に係合して、接続が完了する。
図7及び図8に示すように、先端動作部12はY方向の第1回転軸Oyを中心にして、それよりも先の部分がヨー方向に回動する第1自由度の機構(傾動機構、ピボット軸)と、第2回転軸Orを中心にしてロール方向に回動する第2自由度の機構(ロール回転機構)と、第3回転軸Ogを中心として先端のグリッパ59を開閉させる第3自由度とを有する合計3自由度の機構となっている。
第1自由度の機構である第1回転軸Oyは、連結シャフト48の基端側から先端側に延在する軸線Cと非平行に回動可能に設定するとよい。第2自由度の機構である第2回転軸Orは先端動作部12における先端部(つまりグリッパ59)の延在方向の軸線を中心として回動可能な機構とし、先端部をロール回転可能に設定するとよい。
先端動作部12は、ワイヤ52、ワイヤ53及びワイヤ54によって駆動され、各ワイヤ52、53及び54は、それぞれ対応する筒体60c、60b、60aに巻き掛けられている。
先端動作部12では、ワイヤ52及び54の作用下に歯車51及び55が回転し、図示しないフェイスギアを回転させることによって先端部をロール方向に回転させることができる。また、ワイヤ54の作用下に歯車51が回転し、フェイスギア57及び歯車58を介してグリッパ59を開閉させることができる。さらに、ワイヤ52、53、54の作用下に主軸部材62を介して先端部をヨー方向に回転させることができる。
次に、コントローラ514について図9及び図10を参照しながら説明する。
図9に示すように、コントローラ514の正面には、動作状態表示部530、電源情報表示部532、アラーム部534、アクティベートリセット部536、第1ポート515a、第2ポート515b、及び第3ポート515cが設けられている。
動作状態表示部530は、術者や手術に携わる助手などが操作状態の確認が容易となるようにマニピュレータ10の動作状態や所定の対応指示を表示する液晶表示画面を有する。
第1ポート515a、第2ポート515b及び第3ポート515cは、それぞれのレセプタクルコネクタ572にマニピュレータ10が接続可能なポートであり、個別の情報表示部やリセットスイッチ570が設けられている。
次に、コントローラ514の内部構成について図10を参照しながら説明する。なお、図10においては、煩雑とならないように第1ポート515aに係る部分を示し、第2ポート515b及び第3ポート515cに係る部分は省略する。第2ポート515b及び第3ポート515cに係る構成は、第1ポート515aに係る部分と一部が共通(例えば演算部110等)であり、一部が独立(例えばドライバ116等)に構成されている。図10においては、コントローラ514の表面(図9参照)の構成については省略している。
図10に示すように、コントローラ514は演算部110と、電源部112と、保護装置114と、ドライバ116とを有する。電源部112は、外部電源119から得られる電力を調整して各部に供給するとともに、バッテリ112aに充電を行い、外部電源119から電力が供給されない場合においても自動的にバッテリ112aからの電力供給へと切り替える機能を有しており、いわゆる無停電電源として作用する。バッテリ112aは内部の変圧整流器に対して、通常並列に接続される。
保護装置114は、演算部110の演算周期情報、ドライバ情報、所定の停止指令などの各情報に基づいて、マニピュレータ10への電力を遮断する。保護装置114の作用下にドライバ116の電力を遮断することにより、マニピュレータ10の動作を直ちに停止させることができる。
演算部110は、角度センサ43、44、45、入力センサ39a、39b、39c、及びスイッチ36に接続されており、これらの各部から得られる信号に基づいてマニピュレータ10の動作を決定して、所定の指令信号をドライバ116に供給するとともに、動作状態表示部530に所定の状態量を表示させる。演算部110はLED29にも接続されており、該LED29の点灯状態の制御をする。
演算部110は、カメラ106及び白色LED105に接続されており、撮像及び投光の制御をする。
さらに、演算部110は、コントローラ514の表面(図9参照)の、動作状態表示部530、電源情報表示部532、アラーム部534、アクティベートリセット部536、第1ポート515a、第2ポート515b、及び第3ポート515cの各スイッチ及びランプに接続されており、制御をする。演算部110は、CPU、ROM及びRAM等から構成されており、プログラムを読み込み実行することにより所定のソフトウェア処理を実行する。
ドライバ116は、モータ40、41及び42に接続されており、演算部110から得られる指令に基づいて該モータ40、41及び42を駆動する。ところで、これらのモータ40、41及び42の駆動系は、先ず、入力センサ39a、39b、39cに基づいて先端動作部に対する動作角度指令値を求め、該動作角度指令値と角度センサ43、44、45から得られる角度信号との偏差を求め、該偏差に基づいて所定の補償処理をして指令信号をドライバ116に供給している。したがって、これらの各モータ40、41及び42の駆動系は閉ループを形成している。
演算部110は、ID認識部120と、取外判断部121と、原点認識部122と、警告部124と、通信部126とを有する。ID認識部120は、カメラ106を介してバーコード104に含まれるの個体情報を認識する。取外判断部121はID認識部120で認識された個体情報に基づいて、作業部16が操作部14のアクチュエータブロック30に着脱された場合の同一性を判断する。
トリガーレバー32及び複合入力部34(図1参照)には、人手による操作量を検出する入力センサ39a、39b、39c(ポテンショメータ等)に所定の電圧が印加され、該電圧の所定範囲が操作範囲として設定される。これにより、トリガーレバー32及び複合入力部34を、操作量の入力手段と操作部14の取外認識手段に兼用することができる。
原点認識部122は、角度センサ43、44及び45の信号に基づいて先端動作部12が規定の原点又は非原点であることを認識する。警告部124は、原点認識部122から得られる信号に基づいて先端動作部12が非原点であると判断される場合で、作業部検出手段107から得られる信号に基づいて作業部16が操作部14から取り外されたと判断されるときに取外警告を発する。
また、警告部124は、取外警告を発しているとき、ID認識部120から得られる個体情報を監視し、作業部16が再接続されたことを認識し、得られた個体情報が取り外し前に認識した個体情報と等しいときに取り外し警告を解除し、得られた個体情報が取り外し前に認識した個体情報と異なるときに誤接続警告を発する。
取外警告及び誤接続警告は、音響・音声手段又は動作状態表示部530でのメッセージ表示により行うことができる。取外警告と誤接続警告とは容易に区別可能であることが好ましく、音響、音声手段で行う場合には例えば吹鳴インターバルや周波数の異なるブザー音とするとよい。
通信部126は、外部のLAN(Local Area Network)600に接続されており、所定の情報の送受信が可能である。
作業部検出手段107により作業部16が取り外されていると判断される場合、又は、原点認識部122により先端動作部12が原点にあると判断される場合には、演算部110は、保護装置114の作用下にドライバ116に対する電力供給を停止させる。
図11に示すように、コントローラ514は複数台(例えば3台)設けられており、それぞれLAN600によって接続されている。LAN600には使用履歴管理手段としてのホストコンピュータ602が接続されている。ホストコンピュータ602は、内部の記録手段に、図12に示す使用履歴テーブル604を記録しており、各コントローラ514に対して要求された個体番号に応じた使用履歴データを送受信し、集中的に管理する。ホストコンピュータ602は、コントローラ514から独立的な構成に限らず、いずれか1つのコントローラ514が使用履歴テーブル604を保持してホストコンピュータ602の処理を行ってもよい。
また、LAN600は、有線、無線、電源ラインを用いたもの等であってもよく、その他の通信手段で代替してもよいことはもちろんである。LAN600は、かならずしもローカルな形態に限らず、例えば複数の医療施設で共同のネットワークを用いても良いし、ホストコンピュータ602をマニピュレータの製造メーカが用意し、一般のネットワークを介してコントローラ514と通信し、該製造メーカが履歴管理を代行してもよい。
図12に示すように、使用履歴テーブル604は、個体情報欄、仕様欄、使用時間欄、仕様回数欄、滅菌処理日欄、エラー履歴欄、製造日欄及び備考欄を有する。また、これ以外にも位相修正値(又は原点修正値)等の固有情報を記録してもよい。個体情報欄は、作業部16の個体情報を示す。仕様欄は、作業部16の仕様を示し、具体的には先端動作部12の種類や、連結シャフト48の長さ等を示す。使用回数欄は、対応する作業部16が使用された回数を示す。滅菌処理欄は、対応する作業部16が最後に滅菌処理された日を示す。エラー履歴欄は、対応する作業部16において過去に発生したエラーの履歴の情報を示す。製造日欄は対応する作業部16の製造日を示す。備考欄はその他の情報を示す欄であり、任意の情報の書き込みが可能である。
滅菌処理欄及び備考欄の情報は、ホストコンピュータ602においてキーボード及びマウス等の入力手段により入力される。
図13に示すように、ホストコンピュータ602におけるモニタ602aには、接続情報テーブル606が表示される。接続情報テーブル606は、ホストコンピュータ602に接続されている3台のコントローラ514の各接続ポート1〜3についての情報が表示される。接続されているポートについては、使用履歴テーブル604を参照して接続情報テーブル606の対応する箇所に使用履歴データを表示する。接続されていない箇所については「未接続」と表示する。
各コントローラ514は、作業部検出手段107から得られる信号に基づいて、作業部16がアクチュエータブロック30に装着されたときにカメラ106及び白色LED105を制御してバーコード104の個体信号を取得し、該個体信号に対応した使用履歴データをホストコンピュータ602から取得する。また、作業部16がアクチュエータブロック30から取り外された後に使用履歴データを更新してホストコンピュータ602に供給し、該ホストコンピュータ602は取得した使用履歴データを個体信号に応じて使用履歴テーブル604に記録する。
なお、使用履歴管理手段が設けられる場所としてはホストコンピュータ602に限らず、図11の仮想線で示すように、使用履歴管理手段と同等の機能を有する管理部608が、複数のコントローラ514のうちいずれか1つ、若しくは全部に備えられていてもよい。
管理部608がコントローラ514のいずれか1つに設けられている場合には、該管理部608はホストコンピュータ602と同じように、他のコントローラ514と通信を行って情報の授受を行い、使用履歴テーブル604を集中管理する。
管理部608が全てのコントローラ514に設けられている場合には、いずれか1つの管理部608を有効にする選択スイッチの操作を行い、他の管理部608は無効にしておくとよい。
また、管理部608が全てのコントローラ514に設けられている場合には、使用履歴テーブル604に相当する情報を分散管理してもよい。例えば、所定の作業部16があるコントローラ514に接続されたときに、該コントローラ514では、他の全てのコントローラ514と通信を行い、接続された作業部16の個体情報に係る最新の使用履歴データを取得し、自らの管理部608で接続されている作業部16の情報の更新及び管理を行えばよい。情報を提供した側のコントローラ514では、該情報を削除し、又は送信済みであることを示すフラグを付加して管理するとよい。
作業部16の使用履歴データは、作業部16が最後に接続された(又は現在接続されている)コントローラ514で更新及び管理してもよく、最初に接続されたコントローラ514で更新及び管理をしてもよく、又は全てのコントローラ514で冗長的に更新及び管理をしてもよい。
使用履歴テーブル604及び接続情報テーブル606の情報を表示する場合にはモニタ602aをコントローラ514に接続し、又は表示機としてホストコンピュータ602をLAN600に接続すればよい。
次に、このように構成されるマニピュレータシステム500における個体情報の情報処理手順について説明する。以下の処理は、特段の断りのない場合には、コントローラ514において行われる。
図14のステップS1において、コントローラ514は、作業部検出手段107から信号を取得し、操作部14のアクチュエータブロック30に作業部16が接続されたか否かを確認する。作業部16が接続されたときにはステップS2へ移り、未接続であるときには待機する。
ステップS2において、カメラ106及び白色LED105を制御してバーコード104の情報を読み取る。この情報としては、個体情報、仕様、及び製造日等が挙げられる。これらの情報を取得した後、カメラ106及び白色LED105を停止させる。
ステップS3において、ホストコンピュータ602と通信を行い、個体情報及び作業部16が接続されたポートの情報を送信してデータ送信要求を行う。ホストコンピュータ602は、取得した個体情報に基づいて使用履歴テーブル604を検索し、対応する仕様履歴データをコントローラ514に供給する。ホストコンピュータ602は、接続情報テーブル606における対応する欄に個体情報に応じた使用履歴データを表示する。
使用履歴テーブル604内に対応する個体情報がない場合、つまり新規の作業部16が接続された場合には、その旨をコントローラ514に通知するとともに、使用履歴テーブル604内に該個体情報用の欄を新たに設ける。
ステップS4において、ホストコンピュータ602から得られた情報に基づいて、使用時間のデータを変数Hrに代入し、使用回数のデータを変数Noに代入し、エラー履歴データを変数Erに代入する。ホストコンピュータ602に対応する個体情報の使用履歴データが存在しない旨の通知を受けた場合には、変数Hr、変数No及び変数Erにそれぞれ0を代入する。変数Erは、例えばエラーの種類数のビットを含む二進数データである。
ステップS5において、所定のタイマーをスタートさせ、接続された作業部16の動作時間ΔHrをカウントする。動作時間ΔHrのカウントは、作業部16が動作モードであるときだけカウントアップするようにしてもよい。
ステップS6において、所定のエラー検出処理を行い、エラーが発生した場合にはステップS7へ移り、エラーがない場合にはステップS8へ移る。
ステップS7において、発生したエラーに対する適切な対応の処理を行うとともに、変数Erにおける該エラーに対応するビットを「1」に設定する。これ以後、該ビットを参照することにより、そのエラーが発生したという履歴を認識可能となる。この後、ステップS8へ移る。
ステップS8において、作業部検出手段107から信号を取得し、操作部14のアクチュエータブロック30から作業部16が取り外されたか否かを確認する。作業部16が取り外されたときにはステップS9へ移り、装着されているときにはステップS6へ戻る。
ステップS9において、タイマーを停止させてその時点の動作時間ΔHrを取得するとともに、変数Hrを、Hr←Hr+ΔHrと更新する。また、変数Noを、No←No+1とインクリメントする。
ステップS10において、ホストコンピュータ602と通信を行い、取り外された作業部16の個体情報、そのポートの情報、変数No、変数Hr及び変数Erを送信してデータ書き込み要求を行う。ホストコンピュータ602は、取得した個体情報に基づいて使用履歴テーブル604を検索し、対応する仕様履歴データの書き込みを行う。これにより、これ以後、3台のいずれのコントローラ514からデータ送信要求を受けた場合であっても、対応する作業部16の個体情報の正確な使用履歴データを供給することができる。この後、ステップS1へ戻る。
ホストコンピュータ602は、接続情報テーブル606における対応する欄の情報を非表示にして、「未使用」と表示する。
上述したように、本実施の形態に係るマニピュレータシステム500では、非接触のバーコード104及びカメラ106を用いることにより、作業部16の個体情報を取得することができるとともに、電力が不要であり、電気的接点もなく、作業部16を簡便に洗浄及び滅菌することができる。また、電気的接点がないことから、該接点の不良による通信エラーがない。一般に、非接触手段は電気的接点よりも高寿命である。
バーコード104は各種の情報を画像情報として示し、非接触の通信を簡便に実現できる。
複数台のコントローラ514は、LAN600を介してホストコンピュータ602に接続されており、使用履歴テーブル604に対するアクセスが可能であることから、作業部16をいずれのコントローラ514に接続しても使用の経緯が分かることになり、好適である。
バーコード104は接続部15における後方に設けられており、バーコード104とカメラ106との距離を短くすることができ、個体情報が確実に供給される。
また、先端動作部12の姿勢は、例えば原点位置を基準として算出されることから、手術の途中で作業部を交換する場合には、次の作業に備えて先端動作部12及び作業部16の各プーリ50a〜50cは正確に原点に一致した軸位置としてから取り外すことが望ましい。原点位置に一致していない状態で取り外されたときには、所定の警報を発してその作業部を再装着するように促すとよいが、このとき別の作業部16を装着されることがないように作業部16を識別することが必要になる。このときに、バーコード104から得られる個体情報に基づいて作業部16を識別が可能になり、所定の警報を発生させることができる。
次に、マニピュレータ10の変形例に係るマニピュレータ10aについて図15を参照しながら説明する。マニピュレータ10aにおいてマニピュレータ10と同じ箇所には同符号を付して、その詳細な説明を省略する。マニピュレータ10aはバーコード104及びカメラ106に代えてRFID610及び送受信器612を設け、白色LED105を省略した形態である。
図15に示すように、マニピュレータ10aの接続部15における後端部近傍にはRFID(Radio Frequency Identification(ID保持部))610が設けられている。RFIDとは微小なICチップに製品の個別情報を格納し、無線を利用して情報の読み取りや更新などを行う無線認証システムのことであり、無線タグ、ICタグ又はミューチップとも呼ばれる。RFID610には、前記のバーコード104に含まれる情報、つまり作業部16の個体情報、仕様、タイムスタンプ(製造日等)やシリアルナンバー、使用回数上限等の情報が含まれている。また、RFID610は書き込みが可能であり、使用回数、使用時間、エラー履歴、滅菌処理日、位相修正値(又は原点修正値)等の固有情報が記録されている。
アクチュエータブロック30において、接続部15が接続された状態におけるRFID610に対向する位置には送受信器(ID認識部、データ送信部)612が設けられており、電波を用いてRFID610に対して送信及び受信を行う。接続部15がアクチュエータブロック30に装着された状態では、RFID610と送受信器612との相対的な位置及び向きは固定されていることから、それぞれの電波の指向性を狭くするとともに、指向性のメインローブを相手の方向に指向させて、その方向の電波を強くすると省電力で送受信が確実に行われる。また、メインローブ以外の方向には電波が弱くなり、無用に広い範囲に電波が達することがなく、混信の恐れがない。図15においては、RFID610及び送受信器612が発信及び受信する電波の強度及び感度の最も強い軸を仮想線614で示す。RFID610と送受信器612の双方の電波の指向性の最も強い方向が完全に一致していることが望ましいが、実際上は、例えばメインローブにおけるビーム幅で電力パターンが−3dBの範囲が相互に相手方を向くように設定するとよい。
RFID610と送受信器612とは非常に接近しており、エネルギーの小さい短距離型を用いると、小電力化が図られるとともに混信の恐れがない。
このように、相対的な位置及び向きが固定されており、且つ近距離の通信をするためには、例えば13.56MHz帯、2.45GHz帯又は5GHz帯のRFIDを用いると好適である。
詳細な説明を省略するが、マニピュレータ10aを制御するコントローラ514は、RFID610及び送受信器612に対応した制御をする。また、RFIDはデータの書き込みが可能であることから、使用回数、使用時間、エラー履歴及び滅菌処理日等のデータを書き込んでもよい。RFIDにおける個体情報、シリアルナンバー、仕様等のデータについては、不用意に書き換えられることがないように所定の書換禁止手段を設けてもよい。
マニピュレータ10aを制御するコントローラ514では、図16に示すような制御を行う。図16におけるステップS101〜S103は、前記のステップS1〜S3(図14参照)に相当し、ステップS105〜S111は、ステップS4〜S10に相当する。ステップS102では前記のステップS2と異なり、バーコード104に代えてRFID610から所定の情報を読み取る。
ステップS104は、ステップS103とステップS105の間に行われる処理であって、RFID610に必要な情報を書き込む。この情報は、ホストコンピュータ602における使用履歴テーブル604(図12参照)の対応する個体情報の使用履歴データの全てとする。
このような変形例に係るマニピュレータ10aを備えるシステムでは、非接触のRFID610及び送受信器612を用いることにより、作業部16の個体情報を取得することができるとともに、電気的接点が存在せず、しかもバッテリ等の蓄電体もない。従って作業部16を簡便に洗浄及び滅菌することができる。また、RFID610及び送受信器612は、電波を用いて各信号を送受信し、非接触の通信を簡便に実現できる。RFID610は小型簡便構成であり、通信を簡便に行うことができる。RFID610は、使用履歴データを受信して記録することにより、作業部16ごとの使用履歴の管理が容易となる。
送受信器612はアンテナである。送受信器612に接続される電気回路は操作部14又はコントローラ514のいずれに設けてもよい。
作業部16と操作部14との間の情報の伝達には、バーコード104(つまり画像情報)やRFID610(つまり電波)以外にも、磁気、光(例えば赤外線通信)を用いると非接触で個体情報を伝達することができ、作業部16の清掃、洗浄が容易となる。
マニピュレータ10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、例えば、エネルギー機器等の狭隘部補修の用途や、患者から離れた箇所から電気通信手段等を介して手技を行う遠隔操作機構に好適に適用可能であることはもちろんである。
次に、第2の実施形態に係る医療用のマニピュレータシステム1100について説明する。先ず、マニピュレータシステム1100の各構成要素と前記マニピュレータシステム500における対応する構成要素とを示す。
つまり、マニピュレータシステム1100における次の主な構成要素、
マニピュレータ1102(a)、コントロールユニット1104(b)、外科器具1106(c)、外科器具コントロールユニット1112(d)、動作部コントローラ1107(e)、動作部1122(f)、シャフト1116(g)、ハンドル1110(h)、ボタン1114(i)、送信機1210(j)、モータ1212(k)、交信回路1216(l)、ドライブアセンブリ1204(m)、個体識別子1300(n)、個体信号読取器1302(o)は、順に前記のマニピュレータシステム500における次の構成要素、
マニピュレータ10(a)、コントローラ541(b)、作業部16(c)、アクチュエータブロック30(d)、接続部15(e)、先端動作部12(f)、連結シャフト48(g)、グリップハンドル26(h)、トリガーレバー32(i)、RFID610(j)、モータ41〜42(k)、送受信器612(l)、プーリ50a〜50c(m)、バーコード104(n)、カメラ106(o)に対応する。なお、括弧付きの符号は対比が容易となるように参考に付したものである。
図18には第2の実施形態に係るマニピュレータシステム1100が示される。マニピュレータシステム1100は医療用のマニピュレータ1102とコントロールユニット1104を含む。マニピュレータ1102は外科器具(作業部)1106と外科器具コントロール機構1108を含む。外科器具1106は動作部コントローラ1107、動作部1122とシャフト1116を含む。シャフト1116は第一端1118とその反対側の第二端1120を持つ。動作部1122はシャフト1116の第一端1118にマウントされ、現在そして将来に亘り当業者に知られる様々な動作を行う。動作部コントローラ1107はシャフト1116の第二端1120にマウントされ、現在そして将来に亘り当業者に知られる様々な動作を行う。本明細書中で使用されるマウントという表現は、一緒にする(join)、係合する(engage)、一体化する(unite)、接続する(connect)、関係付ける(associate)、挿入する(insert)、吊るす(hang)、保持する(hold)、固定する(affix)、添付する(attach)、締める(fasten)、束ねる(bind)、貼る(paste)、留める(secure)、締める(bolt)、ねじる(screw)、留める(rivet)、はんだ付けする(solder)、溶接する(weld)、そして他の類似の用語を含む。
外科器具コントロール機構1108は、現在から将来に亘って当業者に知られる機械的、電気機械的、電気的な機構である。外科器具コントロール機構1108はハンドル1110と外科器具コントロールユニット(アクチュエータ部)1112を含む。外科医は現在そして将来において知られる低侵襲外科手術を動作部1122を使って行うためハンドル1110を操作する。ハンドル1110は回転、抑え付け、トグル等、動作部1122に所望の動作を行わせるための機構を含む。例えば、ハンドル1110は動作部1122を開けたり閉じたりするボタン1114を持つ。外科器具コントロール機構1108はハーネス1115を通して電気的にコントロールユニット1104と接続されている。
コントロールユニット1104は、電気的信号をハーネス1115を通して、外科器具コントロール機構1108から受けたりあるいは送ったりする。これにより動作部コントローラ1107を通して動作部の動きをコントロールする。例えば、コントロールソフトウエアがボタン1114の動作が示す電気信号を受け、これを動作部1122を動かすための適切な信号へ変換する。電気信号はアナログでもデジタルでもよい。動作部1122をコントロールする外科器具コントロール機構1108へ送られるコントロール指令を決定するために、ハンドル1110にマウントされているトランスデューサから受けた角度測定値をコントロールユニット1104はさらに変換する。
図19において、動作部コントローラ1107は、複数のドライブアセンブリ1204、複数のワイヤ1206、複数のコネクタ1208そして送信機(ID保持部)1210を含む。送信機1210はRFIDを含む。一般的にシャフト1116はその中に複数のワイヤ1206が延びる細長い管を含む。複数のワイヤ1206は、動作部1122と動作部コントローラ1107とを操作可能につなぐ。動作部1122は切断、剥離、縫合、把持等の目的のため様々なタイプの器具を持つ。
図18において、外科器具コントロール機構1108は、外科器具コントロールユニット1112内に複数のモータ1212、複数の電気ケーブル1214、交信回路(ID認識部)1216、コントロールケーブル1218をマウントする。交信回路1216は受信機を持つ。外科器具1106が外科器具コントロール機構1108にマウントされたとき、送信機1210は固体認識信号を交信回路1216へ送る。個体認識信号は動作部1122の型を特定し、そしてマニピュレータシステム1100は所望の動作を行う。交信回路1216は固体認識信号を受け取り、ハーネス1115内のコントロールケーブル1218を通してその固体認識信号をコントロールユニット1104へ送る。
コントロールユニット1104は固体認識信号を交信回路1216から受け取る。コントロールユニット1104は認識された外科器具の種類に従ってその動きを理解し、ハーネス1115の中にある複数の電気ケーブル1214を通して複数のモータ1212へ制御信号を送る。外科器具1106は外科器具コントロール機構1108から離脱可能であり、複数の異なった種類の外科器具が簡単に迅速に取り付け換えられる。外科器具コントロール機構1108と外科器具1106を物理的に接続する複数のコネクタ1208を介して複数のモータ1212は取り外し可能に複数のドライブアセンブリ1204に結合している。
複数のドライブアセンブリ1204はコントロールユニット1104から動作部1122の機械的動作へ信号を伝える機械的構成部分を含む。例えば、複数のモータ1212は複数のドライブアセンブリ1204を回転させる回転トルクを発生する。複数のドライブアセンブリ1204の回転は動作部1122の動きを起こす複数のワイヤ1206の動きとなる。動作部1122は複数の異なった、例えば切断、解体、縫合等の器具を持つので、複数のワイヤ1206は動作部1122の異なった動きに対応する。よって、コントロールユニット1104は、動作部の種類を認識し、それに基づき適当なコントロール信号を発生する。
図19で示されるように、動作部コントローラ1107は複数のドライブアセンブリ1204、複数のワイヤ1206、複数のコネクタ1208そして個体識別子(ID保持部)1300を含む。個体識別子1300は外科器具1106の外側表面にマウントされる。例えば、個体識別子1300は外科器具コントロール機構1108に隣接する動作部コントローラ1107の外側表面にマウントされる。個体識別子1300は現在または将来において当業者に知られるバーコード等を含む。外科器具コントロール機構1108は外科器具コントロールユニット1112にマウントされている複数のモータ1212、複数の電気ケーブル1214、個体信号読取器(ID認識部)1302そしてコントロールケーブル1218を含む。個体信号読取器1302は、赤外線を使って個体識別子1300の個体信号を読み取るバーコードリーダを含む。外科器具1106が外科器具コントロール機構1108にマウントされたとき、個体信号読取器1302は、個体識別子1300の個体信号を読み取り、ハーネス1115内のコントロールケーブル1218を通してコントロールユニット1104へ個体識別子1300の個体信号を伝える。コントロールユニット1104は、個体信号を個体信号読取器1302から受け取る。コントロールユニット(制御部)1104は動作部の種類を認識し、その動きを理解し、図19で説明したようにハーネス1115の中の複数の電気ケーブル1214を通して複数のモータ1212へコントロール信号を送る。
このような、マニピュレータシステム1100によれば、動作部コントローラ1107と外科器具コントロール機構1108との間で個体情報を非接触で伝達することができ、動作部コントローラ1107は電気的接点のない構成となり、洗浄及び滅菌を容易に行うことができる。
作業部16は、人手で操作をする操作部14に接続されるものとして説明したが、例えば図20に示すような手術用ロボットシステム700に適用してもよい。
手術用ロボットシステム700は、ロボットアーム702と、コンソール704とを有し、作業部16はロボットアーム702の先端に接続されている。ロボットアーム702の先端には前記のアクチュエータブロック30と同じ機構を設けることにより、作業部16を接続及び駆動可能である。この場合のマニピュレータ10は、ロボットアーム702と作業部16とからなる。ロボットアーム702は、作業部16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704は、テーブル型、制御盤型等の構成を採りうる。
ロボットアーム702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、作業部16の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のアクチュエータブロック30は、ロボットアーム702の先端部708と一体化している。
アクチュエータブロック30には、カメラ106(又は送受信器612)、白色LED105及び作業部検出手段107が設けられ、作業部16の接続部15には、バーコード104(又はRFID610)及び被検出片109が設けられている。
ロボットアーム702は、コンソール704の作用下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール704に設けられたジョイスティック(ロボット操作部)706に倣った動作、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704は、前記のコントローラ514の機能を含んでいる。
コンソール704には、前記操作部14のうちアクチュエータブロック30を除いた機構の操作部としての2つのジョイスティック706と、モニタ710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706により、2台のロボットアーム702を個別に操作が可能である。2つのジョイスティック706は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ710には、内視鏡による画像等の情報が表示される。
ジョイスティック706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ロボットアーム702を動かすことができる。ジョイスティック706はマスターアームであってもよい。ロボットアーム702とコンソール704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わせでよい。
本発明に係るマニピュレータシステムは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
本形態に係るマニピュレータシステムの概略構成図である。 本形態に係るマニピュレータシステムの構成の組合わせに係る説明図である。 作業部と操作部とを分離したマニピュレータの側面図である。 操作部の斜視図である。 接続部の一部断面斜視図である。 操作部の一部拡大斜視図である。 先端動作部の斜視図である。 先端動作部の分解斜視図である。 コントローラの正面図である。 コントローラのブロック構成図である。 複数のコントローラとホストコンピュータとがLANにより接続された状態を示すブロック構成図である。 使用履歴テーブルの内容を示す図である。 モニタに表示される接続情報テーブルを示す図である。 マニピュレータを制御するコントローラの処理手順を示すフローチャートである。 変形例に係るマニピュレータの一部断面斜視図である。 変形例に係るマニピュレータを制御するコントローラの処理手順を示すフローチャートである。 第2の実施形態に係るロボット外科装置全体の斜視図である。 第2の実施形態に係るロボット外科装置の第1変形例を示す図である。 第2の実施形態に係るロボット外科装置の第2変形例を示す図である。 作業部をロボットアームの先端に接続した手術用ロボットシステムの概略斜視図である。
符号の説明
10、1102…マニピュレータ 12…先端動作部
14、14a〜14d…操作部 15…接続部
16、16a〜16d…作業部 30…アクチュエータブロック
37…カバー 40、41、42、1212…モータ
48…連結シャフト 104…バーコード(ID保持部)
105…LED(投光手段) 106…カメラ(ID認識部)
107…作業部検出手段 107a…投光器
107b…受光器 109…被検出片
300…プーリ格納体 500、1100…マニピュレータシステム
514…コントローラ 600…LAN
602…ホストコンピュータ 604…使用履歴テーブル
606…接続情報テーブル 610…RFID(ID保持部)
612…送受信器(ID認識部) 700…手術用ロボットシステム
1104…コントロールユニット 1106…外科器具(作業部)
1107…動作部コントローラ(接続部)
1108…外科器具コントロール機構(操作部)
1112…外科器具コントロールユニット(アクチュエータ部)
1116…シャフト 1122…動作部
1210…送信機(ID保持部) 1216…交信回路(ID認識部)
1300…個体識別子(ID保持部)
1302…個体信号読取器(ID認識部)

Claims (14)

  1. マニピュレータ及び該マニピュレータを制御する制御部とを備えるマニピュレータシステムにおいて、
    前記マニピュレータは、
    アクチュエータが備えられたアクチュエータ部と、
    前記アクチュエータ部に対して着脱自在で、シャフトの先端に前記アクチュエータに連動して前記シャフト軸と非平行な軸を基準として回動する先端動作部を備える作業部と、
    を有し、
    前記作業部は、固体識別用の個体信号を保持するID保持部を備え、
    前記アクチュエータ部は、前記ID保持部に対して非接触で、該ID保持部の前記個体信号を認識し前記制御部へ供給するID認識部を備え、
    前記制御部は、供給された前記個体信号に基づいて前記作業部の制御をし、
    前記アクチュエータ部は、前記作業部の有無を検出する作業部検出手段を有し、
    前記作業部検出手段は、前記ID認識部とは独立した構成として設けられ、
    前記制御部は、前記作業部検出手段から得られる信号に基づいて、前記作業部が前記アクチュエータ部に装着されているか否かを認識し、前記作業部が前記アクチュエータ部に装着されていないときには、前記ID認識部の動作を停止するよう制御し、前記作業部が前記アクチュエータ部に装着されたときに、前記作業部検出手段から得られる信号に基づいて、前記ID認識部を制御して前記ID保持部の前記個体信号を取得することを特徴とするマニピュレータシステム。
  2. 請求項1記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記ID保持部は、電波を用いて前記個体信号を送信する送信機であり、
    前記ID認識部は、前記保持部が送信する前記個体信号を受信する受信機であることを特徴とするマニピュレータシステム。
  3. 請求項2記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記ID保持部は、RFIDであることを特徴とするマニピュレータシステム。
  4. 請求項3記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記RFIDは、13.56MHz帯、2.45GHz帯又は5GHz帯の仕様であり、電波の指向性の最も強いメインローブのビーム幅で電力パターンが−3dBの範囲が前記ID認識部を指向していることを特徴とするマニピュレータシステム。
  5. 請求項3記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記アクチュエータ部は、マニピュレータシステムに係る使用履歴データを電波で送信するデータ送信部を有し、
    前記RFIDは、前記使用履歴データを受信して記録手段に記録することを特徴とするマニピュレータシステム。
  6. 請求項1記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記ID保持部は、前記個体信号を画像情報として保持する表示手段であり、
    前記ID認識部は、前記表示手段を撮像する撮像手段であることを特徴とするマニピュレータシステム。
  7. 請求項6記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記表示手段は、バーコードであることを特徴とするマニピュレータシステム。
  8. 請求項6記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記作業部及び(又は)前記アクチュエータ部は、前記作業部と前記アクチュエータ部とが接続されたときに前記表示手段及び前記撮像手段が略閉空間内となるように前記ID保持部及び前記撮像手段を覆うカバーを有することを特徴とするマニピュレータシステム。
  9. 請求項6記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記撮像手段は、赤外線を検出する手段であることを特徴とするマニピュレータシステム。
  10. 請求項6記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記アクチュエータ部は、前記表示手段を照明する投光手段を有することを特徴とするマニピュレータシステム。
  11. 請求項記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記作業部検出手段は、対向する位置に設けられた投光器と受光器とからなり、該投光器と該受光器との間に前記作業部の一部が挿入されて遮光することにより該作業部が装着されたことを検出することを特徴とするマニピュレータシステム。
  12. 請求項1記載のマニピュレータシステムにおいて、
    複数の前記制御部と通信可能な使用履歴管理手段を有し、
    前記アクチュエータ部は、前記作業部の有無を検出する作業部検出手段を有し、
    前記制御部は、前記作業部検出手段から得られる信号に基づいて、前記作業部が前記アクチュエータ部に装着されたときに前記ID認識部を制御して前記ID保持部の前記個体信号を取得し、該個体信号に対応した使用履歴データを前記使用履歴管理手段から取得し、前記作業部が前記アクチュエータ部から取り外された後に前記使用履歴データを更新して前記使用履歴管理手段に供給し、該使用履歴管理手段は取得した使用履歴データを前記個体信号に応じて記録手段に記録することを特徴とするマニピュレータシステム。
  13. 請求項12記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記使用履歴管理手段は、複数の前記制御部のうちいずれか1つ、若しくは全部に備えられていることを特徴とするマニピュレータシステム。
  14. 請求項1記載のマニピュレータシステムにおいて、
    前記作業部は、前記先端動作部と前記アクチュエータ部に接続される接続部とが前記シャフトにより連結され、
    前記ID保持部は前記接続部に設けられていることを特徴とするマニピュレータシステム。
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