特許 6762280 鉗子システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6762280

(24)【登録日】2020年9月10日

(45)【発行日】2020年9月30日

(54)【発明の名称】鉗子システム

(51)【国際特許分類】

   A61B 17/29 20060101AFI20200917BHJP

【ＦＩ】

   A61B17/29

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-158330(P2017-158330)

(22)【出願日】2017年8月21日

(65)【公開番号】特開2019-34002(P2019-34002A)

(43)【公開日】2019年3月7日

【審査請求日】2019年6月13日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２９年７月５日開催２０１７ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ（ＡＩＭ）にて発表

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】317006683

【氏名又は名称】地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】学校法人慶應義塾

(74)【代理人】

【識別番号】100127384

【弁理士】

【氏名又は名称】坊野 康博

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】溝口 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】下野 誠通

(72)【発明者】

【氏名】大西 公平

【審査官】 高田 元樹

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００５／１０９１３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２８２７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０５９７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０４３３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０７６０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−００６７２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｂ １７／２９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機械的に接続されていない第１回転モータと第２回転モータとを有するヘッド部と、
前記ヘッド部に回転可能に支持され、前記第１回転モータと動力伝達機構を介して連結され、操作者によって操作される操作部と、
前記ヘッド部に設置され、操作者によって握られるグリップ部と、
前記ヘッド部に取り付けられた軸部と、
前記軸部の先端に設置され、対象物を挟む把持部と、
前記軸部を貫通し、一端がリンク機構を介して前記把持部と連結され、他端が前記第２回転モータと動力伝達機構を介して連結された操作部材と、
前記第１回転モータの動作と前記第２回転モータの動作とにおいてバイラテラル制御を実行する制御部と、を備え、
前記第１回転モータ及び前記第２回転モータは、前記ヘッド部において、前記グリップ部の設置位置に隣接して設置され、
前記制御部は、
前記第１回転モータの回転角度及び前記第２回転モータの回転角度を基に加速度を算出し、前記把持部における前記第２回転モータによる把持力及び前記操作部に対する前記第１回転モータによる反力を算出して、加速度基準のバイラテラル制御を実行することにより、前記第２回転モータによる前記把持部の把持動作と、前記第１回転モータによる前記操作部の反力の出力動作とを対応付けて制御し、
鉗子型の一体的な装置として構成されたことを特徴とする鉗子システム。

【請求項2】

前記第１回転モータと前記第２回転モータとは、操作者によって操作された前記操作部が回転する回転面に対して、反対側に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の鉗子システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記操作部の位置に対応する前記第１回転モータの回転角度から取得される加速度と、前記把持部の位置に対応する前記第２回転モータの回転角度から取得される加速度とに基づいて、前記第１回転モータの動作における回転角度及びトルクと、前記第２回転モータの動作における回転角度及びトルクとを対応付けて制御することにより、前記バイラテラル制御を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の鉗子システム。

【請求項4】

前記制御部は、前記第１回転モータ及び前記第２回転モータにおける電流リファレンスと、前記第１回転モータ及び前記第２回転モータが出力する回転角度とに基づいて外乱を推定し、推定した外乱を補償する制御を実行することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の鉗子システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉗子システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、医療分野において患者への負担が比較的少ない低侵襲手術（ＭＩＳ）が注目されている。ＭＩＳの典型的な方法である腹腔鏡手術は、患者の体に形成された穴から鉗子などの器具を挿入することによって行われる。この腹腔鏡手術を遠隔操作によって行う、Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ社製のダビンチなどの手術支援ロボットが開発されている。例えば、特許文献１や特許文献２には、操作者が操作する操作部（マスター側）と、遠隔地に設置され実際に対象物を把持する把持部（スレーブ側）と、から構成され、操作部の操作に応じて把持部を制御する鉗子システムが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２００５／１０９１３９号

【特許文献2】国際公開第２０１５／０４１０４６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、遠隔操作型の手術支援ロボットは、外科医のパフォーマンスを飛躍的に向上させることができるものの、一般的に、装置が複雑で大型であることから、導入のために多くの費用がかかるとともに設置のための十分に広いスペースを確保する必要がある。また、このような遠隔操作型の手術支援ロボットを使いこなすには、操作者は長期にわたる操作トレーニングを積む必要があった。このため、より簡易で、特別なトレーニングをしなくても使用でき、かつ操作性に優れた医療器具に対する要望も多い。特に、組織や臓器などをつかんだり牽引したりするための鉗子は、手術以外にも検査や診断など、医療現場において日常的に使用されることから、遠隔操作型に限らず、簡易で、従来のものと同じ感覚で使用できることが望まれる。

【0005】

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、簡易で、従来のものと同じ感覚で使用でき、かつ操作性に優れた鉗子システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様にかかる鉗子システムは、第１回転モータおよび第２回転モータを有するヘッド部と、前記ヘッド部に軸支され、前記第１回転モータと動力伝達機構を介して連結され、操作者によって操作される操作部と、前記ヘッド部に取り付けられた軸部と、
前記軸部の先端に配設され、対象物を挟む把持部と、前記軸部を貫通し、一端がリンク機構を介して前記把持部と連結され、他端が前記第２回転モータと動力伝達機構を介して連結された操作部材と、前記第１回転モータおよび前記第２回転モータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、加速度基準のバイラテラル制御により、前記第１回転モータと前記第２回転モータの角度偏差に応じて、前記第１回転モータと前記第２回転モータの角度応答を制御し、前記第１回転モータと前記第２回転モータのトルク偏差に応じて、前記第１回転モータと前記第２回転モータのトルク応答を制御するものである。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、簡易で、従来のものと同じ感覚で使用でき、かつ操作性に優れた鉗子システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施の形態にかかる鉗子システムの概略構成を示す模式図である。

【図2】図１の破線で示す領域Ａにおける軸部の内部構造を示す図である。

【図3】本実施の形態にかかる鉗子システムのプロトタイプを示す図である。

【図4】図３に示す鉗子システムのプロトタイプにおけるヘッド部の内部構造を示す図である。

【図5】図３に示す鉗子システムのプロトタイプが操作者Ｕによって保持された状態を示す図である。

【図6】本実施の形態にかかる鉗子システムの制御部における制御の概略を示すブロック図である。

【図7】図６に示すブロック図における、ＤＯＢおよびＲＴＯＢの制御の概略を示すブロック図である。

【図8】実験１を行ったときの、マスターとスレーブにおける、トルク応答と角度応答についての測定結果を示すグラフである（スケーリングなし）。

【図9】実験１を行ったときの、マスターとスレーブにおける、トルク応答と角度応答についての測定結果を示すグラフである（スケーリングあり）。

【図10】実験２における実験手順について説明する図である。

【図11】実験２における実験手順について説明する図である。

【図12】実験２における実験手順について説明する図である。

【図13】実験２における実験手順について説明する図である。

【図14】実験２を行っている間の、マスターおよびスレーブにおける、トルク応答と角度応答についての測定結果を示すグラフである。

【図15】鉗子システムによって測定されたデータを携帯端末において表示させた画面の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、図１を参照して本実施の形態にかかる鉗子システムの概略構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる鉗子システム１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、鉗子システム１は、軸部（シャフト）２と、把持部（エンドエフェクタ）３と、ヘッド部４と、制御部５と、を備えている。

【0010】

軸部２および軸部２の先端に設けられた把持部３は、患者の体内に挿入される部分で、既存の鉗子と同様のものを用いることができる。図２は、図１の破線で示す領域Ａにおける軸部２の内部構造を示す図である。図２に示すように、把持部３は、軸部２内を貫通する操作部材１８とリンク機構１９を介して接続されている。図２の上段に示すように、操作部材１８を把持部３の方に移動させるとリンク機構１９が開いて把持部３が開く。また、図２の下段に示すように、操作部材１８を把持部３とは反対の方に移動させるとリンク機構１９が閉じて把持部３が閉じる。

【0011】

図１に戻り、ヘッド部４は、操作部６と、グリップ部７と、第１回転モータ８および第２回転モータ９と、を有する。また、軸部２はヘッド部４に取り付けられている。

【0012】

操作部６は、操作者が鉗子システム１を操作するためのレバーであり、ヘッド部４において、回転軸６ａにより回転可能に軸支されている。また、操作部６には、操作者が指を掛けて操作するための穴６ｂが形成されている。操作部６は、ヘッド部４に収容された動力伝達機構としてのギヤ類を介して第１回転モータ８と連結されている。すなわち、操作部６の回転軸６ａに取り付けられたピニオンギヤ１３ａが、第１回転モータ８の回転軸８ａに取り付けられたピニオンギヤ１３ｂに係合している。

【0013】

操作者が操作部６を回動すると、第１回転モータ８には操作部６に及ぼされた操作力が伝達される。反対に、操作者には、操作部６を介して第１回転モータ８のトルクが反力として伝達される。なお、当然のことながら、ピニオンギヤ１３ａがピニオンギヤ１３ｂと直接係合する場合に限らず、ピニオンギヤ１３ａが幾つかの他のピニオンギヤを介してピニオンギヤ１３ｂと係合するように構成してもよい。

【0014】

操作部材１８は、ヘッド部４に収容された動力伝達機構としてのギヤ類を介して第２回転モータ９と連結されている。すなわち、操作部材１８において、把持部３とリンク機構１９（図２参照）を介して連結された一端と反対側の他端に取り付けられたラックギヤ１４ａが、第２回転モータ９の回転軸９ａに取り付けられたピニオンギヤ１４ｂに係合している。ラックギヤ１４ａおよびピニオンギヤ１４ｂは、第２回転モータ９の回転運動を直線運動に変換する。すなわち、第２回転モータ９が回転すると操作部材１８が直線運動し、この直線運動によりリンク機構１９が駆動して把持部３を開閉させる。

【0015】

第２回転モータ９は、第１回転モータ８とは機械的に接続されていない。第１回転モータ８および第２回転モータ９は、それぞれ、制御部５に電気的に接続されている。第１回転モータ８と第２回転モータ９とは、制御部５において相互に制御される。制御部５における第１回転モータ８と第２回転モータ９の制御の詳細については後述する。

【0016】

図３は、本実施の形態にかかる鉗子システム１のプロトタイプを示す図である。なお、図３における上段には、比較のため、既存の鉗子５０１についても併せて示す。図３に示すように、鉗子システム１のプロトタイプでは、２つの回転モータ（第１回転モータ８、第２回転モータ９）を含むヘッド部４の大きさだけ、従来の鉗子よりも外形寸法が大きくなっている。第１回転モータ８および第２回転モータ９は、配線１５を介して制御部５（図１参照）と接続されている。

【0017】

軸部２は、ヘッド部４に接続部１２を介して着脱可能に取り付けられている。なお、ヘッド部４に対して軸部２を着脱可能に構成する場合、図１および図２に示す操作部材１８は継ぎ手を介して分割できるようにする。このように構成すると、鉗子システム１において、形状の異なる把持部３が設けられた軸部２を複数用意すれば、軸部２を付け替えすることにより、状況にあった形状の把持部３を適宜選択することができる。

【0018】

一方、既存の鉗子５０１は、鉗子システム１と同様に、軸部５０２と、把持部５０３と、を備え、さらに、把持部５０３を開閉操作するための取手部５０４，５０５を備えている。把持部５０３を開閉するための機構は、図２に示した、鉗子システム１の把持部３を開閉するための機構と同様である。既存の鉗子５０１では、軸支された取手部５０５を操作者が動かして軸部５０２の内部の操作部材を直線運動させることにより把持部５０３を開閉する。

【0019】

図４は、図３に示す鉗子システム１のプロトタイプにおけるヘッド部４の内部構造を示す図である。なお、図４には、図３の矢印Ｂの方向から見たヘッド部４の内部構造を示している。図４に示すように、第１回転モータ８と第２回転モータ９とは、軸部２の長手方向の中心軸を通り、操作部６の回動する平面と平行な仮想面を隔てて対向し、夫々の回転軸が同軸線上になるように配置されているが、機械的には接続されていない。このように、第１回転モータ８と第２回転モータ９を配置することにより、グリップ部７を握る操作者Ｕに余分なモーメントが加わりにくくなるために操作性が向上して好ましいが、これに限定されず、他の配置とすることも可能である。第１回転モータ８に連結されたピニオンギヤ１３ａやピニオンギヤ１３ｂなどの動力伝達機構、および、第２回転モータ９に連結されたラックギヤ１４ａやピニオンギヤ１４ｂなどの動力伝達機構は、部品点数も少なく、ヘッド部４においてコンパクトに収納することができる。

【0020】

図３および図４に示すように、鉗子システム１のプロトタイプでは、第１回転モータ８および第２回転モータ９が、総重量において大きな割合を占めている。しかしながら、鉗子システム１のプロトタイプの総重量は、約０．６２５ｋｇで、実際の医療現場において大きな支障なく使用できるレベルに抑えられている。本プロトタイプでは、第１回転モータ８および第２回転モータ９として、Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ製のＭＤＨ−４００６を用いている。今後、第１回転モータ８および第２回転モータ９の軽量化を進めていくことなどにより、鉗子システム１のさらなる軽量化が可能である。

【0021】

図５は、鉗子システム１のプロトタイプが操作者Ｕによって保持された状態を示す図である。図５に示すように、グリップ部７を握り、操作部６に形成された穴に指をかけて操作する。グリップ部７は手のひら全体で握ることができる大きさにする。グリップ部７をこのように構成することで、操作者Ｕは、鉗子システム１を安定して保持することができるため、鉗子システム１の重量を意識することなく、既存の鉗子５０１（図３参照）と同様の感覚で鉗子システム１を使用することができる。

【0022】

次に、図１に示した制御部５における、第１回転モータ８と第２回転モータ９の制御について説明する。
第１回転モータ８と第２回転モータ９とは、制御部５において、加速度基準のバイラテラル制御方式により相互に制御される。ここで、バイラテラル制御とは、一般的な制御方式の１つであり、対象物の位置と対象物に作用する力を応答性良く制御し、繊細な作業を実現するものである。すなわち、加速度基準のバイラテラル制御では、操作者がマスター（操作側）を動かすことによってスレーブ（作業側）にマスターの動きに対応する動きをさせることができるとともに、スレーブが対象物から受けた反力をマスターの操作者にフィードバックすることができる。本実施の形態にかかる鉗子システム１では、操作者が実際に操作する操作部６と、動力伝達機構を介して操作部６に連結された第１回転モータ８と、がマスターである。また、対象物に作用する把持部３と、動力伝達機構や操作部材１８などを介して把持部３に連結された第２回転モータ９と、がスレーブである。また、加速度基準とは、トルクではなく角加速度を制御量として用いることを意味する。

【0023】

制御部５に適用される加速度基準のバイラテラル制御において、スケーリング機能を有していてもよい。ここで、スケーリング機能とは、入力された位置や力に対して、出力される位置や力のスケールを拡大または縮小する機能である。制御部５に適用されるバイラテラル制御において、トルクおよび角度の少なくとも一方にスケーリングゲインを導入し、第１回転モータ８と第２回転モータ９との間において、トルクおよび角度の少なくとも一方にスケーリングを生じさせる。例えば、繊細な作業を行う場合には、操作者がマスターから入力したトルクや力に対し、スレーブで出力されるトルクや力のスケールを縮小する。このようにすることで、操作性をより向上させることができる。

【0024】

図６は、鉗子システム１の制御部５における制御の概略を示すブロック図である。ここで、αは角度応答のスケーリングゲイン、βはトルク応答のスケーリングゲイン、Ｃ_ｐは位置制御器、Ｃ_ｆは力制御器を表す。マスター、スレーブにおける角度応答を、それぞれ、θ_Ｍ^ｒｅｓ、θ_Ｓ^ｒｅｓで表す。また、マスター、スレーブにおける反作用トルクを、

【数1】

で表す。

【0025】

図６に示すように、マスターとしての第１回転モータ８およびスレーブとしての第２回転モータ９における角度、トルクは、外乱オブザーバ（ＤＯＢ：Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ）、および、反力トルク推定オブザーバ（ＲＴＯＢ：Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｔｏｒｑｕｅ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ）を用いて制御される。

【0026】

図７は、ＤＯＢおよびＲＴＯＢの制御の概略を示すブロック図である。ここで、θ^ｒｅｓは角度応答、Ｉ^ｒｅｆは電流リファレンス、Ｔ^ｒｅａｃは反作用トルク、Ｔ^ｄｉｓは外乱トルク、Ｋ_ｔｎはトルク定数、ｇ_ｄｉｓは外乱トルクに対するローパスフィルタのカットオフ周波数、ｇ_ｒｅａｃは反作用トルクに対するローパスフィルタのカットオフ周波数、Ｄは粘性、Ｊ_ｎは慣性、Ｆ_ｃはクーロン摩擦を表す。

【0027】

ＤＯＢは、外乱を、迅速に推定し補償を行うように設計されている。ロバストな加速度制御は、ＤＯＢによって、外乱トルクの総和を推定し、推定された外乱トルクを用いた補償を行うことにより達成される。図７に示すように、推定される外乱トルクの総和は、電流リファレンスおよび角加速度応答によって得られる。また、角加速度応答は、通常、エンコーダによって得られた角度応答の二次微分によって計算される。すなわち、外乱トルクの総和は以下の式で表される。

【0028】

【数2】

【0029】

ＲＴＯＢは、トルクセンサを用いないで反作用トルクを推定するために適用される。ＲＴＯＢは、ＤＯＢに基づいて対象物から各回転モータ（第１回転モータ８、第２回転モータ９）に加えられる反作用トルクを推定する。すなわち、ＲＴＯＢでは、ＤＯＢにより推定された外乱トルクの総和から、予め推定できる内部摩擦などの他の力を差し引くことにより反作用トルクを推定する。

【0030】

図６に示したバイラテラル制御では、鮮明な触覚を伝達するために２つの目標を同時に満たす必要がある。一つは、マスターとスレーブの位置応答を互いに追跡することである。もう一つは、マスターとスレーブとの間における作用反作用の法則を人工的に達成することである。これらの目標は、以下の式で表される。
θ_Ｍ^ｒｅｓ−θ_Ｓ^ｒｅｓ＝０・・・（式２）
Ｔ_Ｍ^ｒｅａｃ＋Ｔ_Ｓ^ｒｅａｃ＝０・・・（式３）
すなわち、第１回転モータ８と第２回転モータ９の角度偏差に応じて、第１回転モータ８と第２回転モータ９の角度応答を制御する。また、第１回転モータ８と第２回転モータ９のトルク偏差に応じて第１回転モータ８と第２回転モータ９のトルク応答を制御する。モードの概念に基づく加速度基準のバイラテラル制御によれば、（式２）および（式３）を同時に実現することができる。

【0031】

さらに、加速度基準のバイラテラル制御により動きのスケーリングが実現される。バイラテラル制御のスケーリングの目標は次のように表される。
θ_Ｍ^ｒｅｓ−αθ_Ｓ^ｒｅｓ＝０・・・（式４）
Ｔ_Ｍ^ｒｅａｃ＋βＴ_Ｓ^ｒｅａｃ＝０・・・（式５）
これらの目標は、斜交座標で記述することができる。バイラテラル制御は、斜交座標制御によって実現される。環境インピーダンスの再現性は、スケーリングゲインα、βを変更することにより任意に設定することができる。

【0032】

次に、本実施の形態にかかる鉗子システム１の力覚伝達の機能を評価する実験について以下に説明する。なお、以下の説明では、鉗子システム１の構成については図１を、鉗子システム１の制御については図６および図７を適宜参照する。

【0033】

図３に示した鉗子システム１のプロトタイプを用いて、力覚伝達の機能を評価するために２つの実験（実験１、実験２）を行った。バイラテラル制御の位置制御器Ｃｐ（ｓ）＝Ｋｐ＋Ｋｖｓ、力制御器Ｃｆ＝Ｋｆにおいて、各パラメータは、Ｋｐ＝２５００、Ｋｖｓ＝１００．０、Ｋｆ＝０．８０００、ｇ_ｄｉｓ＝４７２．１、ｇ_ｒｅａｃ＝４７２．１にそれぞれ設定した。

【0034】

＜実験１＞
まず、本実施の形態にかかる鉗子システム１の環境の剛性を認識する能力を検証するために行った実験について説明する。
実験１では、鉗子システム１を用いて、何も把持しない開閉動作、柔らかい対象物（低剛性の環境）の把持、硬い対象物（高剛性の環境）の把持の順に操作される。柔らかい対象物としてスポンジを、硬い対象物としてアルミニウム製ブロックを使用した。

【0035】

把持部３で何も把持しない場合に対し、把持部３で対象物を把持する場合には、対象物から受ける反力によってトルク応答が大きくなるはずである。また、対象物としてのスポンジを把持部３でつかんだ場合には、対象物がつぶれるのに対し、対象物としてのアルミニウムブロックを把持部３でつかんだ場合には、対象物が非常に硬くほとんどつぶれない。このため、把持部３により、硬い対象物であるアルミニウムブロックをつかんだ場合には、柔らかい対象物であるスポンジをつかんだ場合よりも角度応答は小さくなるはずである。

【0036】

図８は、バイラテラル制御でスケーリングをせず（α=１、β=１）に実験１を行ったときの、マスターとしての第１回転モータ８およびスレーブとしての第２回転モータ９における、トルク応答と角度応答についての測定結果を示すグラフである。ここで、図８（ａ）では、横軸は経過時間［ｓ］、縦軸はトルク応答［Ｎｍ］を表す。図８（ｂ）では、横軸は経過時間［ｓ］、縦軸は角度応答［ｒａｄ］を表す。また、図８（ａ）において、実線はマスター（Ｍａｓｔｅｒ）におけるトルク応答を、破線はスレーブ（Ｓｌａｖｅ）におけるトルク応答を示す。同様に、図８（ｂ）において、実線はマスター（Ｍａｓｔｅｒ）における角度応答を、破線はスレーブ（Ｓｌａｖｅ）における角度応答を示す。

【0037】

図８に示すように、経過時間が０秒から５秒の間においては、把持部３で何も把持しない開閉動作が行われる。マスターとしての第１回転モータ８、スレーブとしての第２回転モータ９は、マスターに作用する操作力に応じて回転する。このため、経過時間が０秒から５秒の間は、把持部３で何も把持していないためトルク応答は小さい。経過時間が５秒から１０秒の間においては、把持部３でスポンジをつかむ。スポンジからの反力のため、何も把持しない開閉動作の場合よりもトルク応力が大きくなっている。経過時間が１２秒から１８秒の間においては、把持部３でアルミニウムブロックをつかむ。トルク応答はスポンジをつかんだ場合とほぼ同じだが、角度応答はスポンジをつかんだ場合よりも小さくなっている。

【0038】

図９は、バイラテラル制御でスケーリングをして（α=２、β=２）実験１を行ったときの、マスターとしての第１回転モータ８およびスレーブとしての第２回転モータ９における、トルク応答と角度応答についての測定結果を示すグラフである。ここで、図９（ａ）では、横軸は経過時間［ｓ］、縦軸はトルク応答［Ｎｍ］を表す。図９（ｂ）では、横軸は経過時間［ｓ］、縦軸は角度応答［ｒａｄ］を表す。また、図９（ａ）において、実線はマスター（Ｍａｓｔｅｒ）におけるトルク応答を、破線はスレーブ（Ｓｌａｖｅ）におけるトルク応答を示す。同様に、図９（ｂ）において、実線はマスター（Ｍａｓｔｅｒ）における角度応答を、破線はスレーブ（Ｓｌａｖｅ）における角度応答を示す。

【0039】

図９（ａ）に示すように、角度応答のスケーリングゲインα、トルク応答のスケーリングゲインβをともに２に設定したので、マスターのトルク応答、角度応答は、それぞれ、スレーブのトルク応答、角度応答の約２倍になっている。すなわち、鉗子システム１において、力覚伝達のスケーリングが正しく実現されていることが確認できた。また、図９に示したスケーリングを行った場合のトルク応答、角度応答の挙動は、図８に示したスケーリングをしなかった場合のトルク応答、角度応答の挙動とほぼ同じである。

【0040】

以上より、スケーリングをした場合、スケーリングをしなかった場合のいずれについても、鉗子システム１を介して、環境の剛性の違いを操作者が認識できることが確認できた。

【0041】

＜実験２＞
次に、本実施の形態にかかる鉗子システム１が既存の鉗子と同じように使用できるかどうかを確認するための実験２について説明する。実験２では、実際のＭＩＳを模擬するために、器官を模擬したパッドに糸のついた針を挿入し、結び目を作る動作を行った。

【0042】

図１０から図１３は、実験２における実験手順について説明する図である。実験２では、図１０から図１３に示すように、右手（図１０では左側）で本実施の形態にかかる鉗子システム１を使用し、左手（図１０では右側）で既存の鉗子５０１を使用した。糸３２と針３３は、実際の手術で使用されるものと同じものを用いた。また、パッド３１は、患者の器官を模擬したもので、適度な柔らかさを有する部材である。

【0043】

まず、図１０に示すように、鉗子システム１における把持部３で針３３を保持し、針３３の先端をパッド３１に挿入する。続いて、図１１に示すように、鉗子システム１における把持部３によりパッド３１から針３３を引き出す。続いて、図１２に示すように、鉗子システム１の把持部３で糸３２を保持し、既存の鉗子５０１で針３３を保持し、既存の鉗子５０１を動かして、糸３２で作ったループを作り、そのループに針３３を通す。最後に、図１３に示すように、鉗子システム１の把持部３に保持された糸３２と、既存の鉗子５０１に保持された針３３を互いに反対方向に引っ張って結び目を作る。

【0044】

本実施の形態にかかる鉗子システム１で結び目を作る動作を行ったときの操作者の使用感は、既存の鉗子５０１で当該動作を行ったときのものとほぼ同様であった。すなわち、本実施の形態にかかる鉗子システム１をＭＩＳなどの実際の医療行為に使用可能であることが確認できた。

【0045】

図１４は、実験２を行っている間の、マスターおよびスレーブにおける、トルク応答と角度についての測定結果を示すグラフである。図１４（ａ）では、横軸は経過時間［ｓ］、縦軸はトルク応答［Ｎｍ］を表す。図１４（ｂ）では、横軸は経過時間［ｓ］、縦軸は角度応答［ｒａｄ］を表す。また、図１４（ａ）において、実線はマスター（Ｍａｓｔｅｒ）におけるトルク応答を、破線はスレーブ（Ｓｌａｖｅ）におけるトルク応答を示す。同様に、図１４（ｂ）において、実線はマスター（Ｍａｓｔｅｒ）における角度応答を、破線はスレーブ（Ｓｌａｖｅ）における角度応答を示す。なお、実験２では、鉗子システム１のバイラテラル制御におけるスケーリングゲインα、βを１とした。すなわち、マスターとスレーブとで、トルク応答および角度応答はほぼ等しくなる。さらに、グラフ中において（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉＶ）で示された期間は、それぞれ、図１０、図１１、図１２、図１３に示す手順を行っている期間に対応する。

【0046】

図１４に示すように、期間（ｉ）（図１０の手順の期間）では、経過時間８秒においてトルク応答が増加している。これは、操作者がパッド３１に針３３を挿入する瞬間に針３３を強く把持したためである。期間（ｉｉ）（図１１の手順の期間）では、経過時間２２秒において約０．２Ｎｍの大きなトルク応答になっている。これは、パッド３１から針３３を引き出すために強い把持力が必要とされたことを示している。

【0047】

期間（ｉｉｉ）（図１２の手順の期間）では、鉗子システム１では糸３２を保持しているだけであり、既存の鉗子５０１の方を動かして糸３２でループを作り、そのループに針３３を通した。このため、鉗子システム１におけるトルク応答および角度応答は一定となっている。期間（ｉＶ）（図１３の手順の期間）では、経過時間６４秒においてトルク応答が約０．１Ｎｍに増加している。これは、作業者が、鉗子システム１の把持部３にて保持された糸３２を引っ張って結び目を作ったためである。このように、実験２において鉗子システム１により取得したデータは、一連の挙動と一致していることが確認できた。

【0048】

実験１および実験２の間に鉗子システム１によって測定された結果は、メモリなどの記憶媒体に保存することができる。記憶媒体は、鉗子システム１に設けられていても、鉗子システム１とは別体の外部解析装置に設けられていてもよい。外部解析装置は、例えば、パーソナルコンピュータ、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）やｉＰａｄ（登録商標）などの携帯端末である。記憶媒体が鉗子システム１とは別体として設けられている場合、鉗子システム１は、送信手段をさらに備え、送信手段が、制御部５から、第１回転モータ８および第２回転モータ９のそれぞれにおける、トルクおよび角度のデータを取得し、当該データを携帯端末に送信する。送信手段は、電線及び光ファイバ等の有線通信を行うものであっても、無線通信を行うものであってもよい。

【0049】

図１５は、鉗子システム１によって測定されたデータを外部解析装置において表示させた画面の一例を示す図である。図中の表示について、Ｍｏｔｏｒ０は第１回転モータ８（図１参照）を、Ｍｏｔｏｒ１は第２回転モータ９（図１参照）を表している。図１５に示すように、鉗子システム１の操作中に、第１回転モータ８および第２回転モータ９における、位置（Ｐｏｓｉｓｉｔｉｏｎ）、速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）、操作力（Ｆｏｒｃｅ）をリアルタイムで確認することができる。また、Ｓｔａｒｔ Ｒｅｃｏｒｄボタンを押して測定データを記録すれば、測定データを別途解析することもできる。これにより、例えば、手術中の外科医の鉗子操作における繊細な力加減を定量化することなどが可能になり、外科医のスキルを向上させることができる。

【0050】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

【符号の説明】

【0051】

１ 鉗子システム
２ 軸部
３ 把持部
４ ヘッド部
５ 制御部
６ 操作部
６ａ、８ａ、９ａ 回転軸
６ｂ 穴
７ グリップ部
８ 第１回転モータ
９ 第２回転モータ
１２ 接続部
１３ａ、１３ｂ、１４ｂ ピニオンギヤ
１４ａ ラックギヤ
１５ 配線
１８ 操作部材
１９ リンク機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】