JP2010075242A - 医療用マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】先端動作部のロール軸をエンドレスに回転させる。
【解決手段】医療用マニピュレータ１０は、操作部１４と作業部１６とを有する。操作部１４は、モータ４０ａ及び４０ｂを備えるアクチュエータブロック３０を有する。作業部１６はアクチュエータブロック３０に対して接続部１５により着脱自在である。作業部１６は、接続部１５から延在する連結シャフト４８と、連結シャフト４８の先端部の先端動作部１２とを有する。先端動作部１２は、ヨー軸Ｏｙと、該ヨー軸よりも先端側で軸中心に回転するロール軸Ｏｒと、最先端のグリッパ６０の３軸構成である。ロール軸Ｏｒは、ヨー軸Ｏｙよりも先端に設けられたモータ４０ｃによって減速機４２ｃを介して駆動される。
【選択図】図６

Description

本発明は、基端モータを備えるアクチュエータ部と、該アクチュエータ部に対して接続部により着脱自在な作業部とを有する医療用マニピュレータに関し、特に、接続部から延在する連結シャフトの先端に先端動作部を有する医療用マニピュレータに関する。

内視鏡下外科手術（又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、器具の通過ポートとしてトラカール（筒状の器具）を挿入した後、シャフトを有する鉗子の先端部をトラカールを通じて体腔内に挿入して患部の手術を行っている。鉗子の先端部には、作業部として、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。

鉗子による内視鏡下外科手術は、作業空間である体腔内が狭くしかもトラカールを支点として鉗子を操作するため、一定のトレーニングが必要となる。また、従来使用されている鉗子では先端の作業部に関節がないため、自由度が小さく、先端動作部はシャフトの延長線上での動作しか行うことができない。従って、通常のトレーニングで実施可能な症例には限度があり、他の様々な症例に対して適用するためには相当に高度なトレーニング及び習熟が必要になる。

このような観点から、従来の鉗子を改良し、作業部に複数の関節を有する鉗子の開発が行われている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。特許文献１及び特許文献２に記載のマニピュレータは、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。このようなマニピュレータでは、従来の鉗子のような制約や不自由がなく、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなり、また、作業部の種類を交換することにより種々の手技に対応することができる。

特許文献１及び特許文献２記載のマニピュレータでは、操作部に設けられたモータと同軸上の基端プーリと、先端動作部に設けられた先端プーリとの間にワイヤが巻き掛けられており、基端プーリの回転が先端プーリに伝達されている。

また、これらのマニピュレータの先端動作部は、例えば３軸機構であって、ピボット軸を中心に揺動する揺動軸と、該揺動軸よりも先端側で軸中心に回転するロール軸と、該ロール軸よりも先端側の開閉軸とを有しており、様々な動作が可能となっている。

一方、このようなマニピュレータをロボットアームにより駆動する医療用ロボットシステムが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−１０５４５１号公報 特開２００８−３６７９３号公報 米国特許第６３３１１８１号明細書

特許文献１記載及び特許文献２記載のマニピュレータでは、基端プーリと先端プーリとの間にワイヤを巻き掛けているが、モータの回転を先端動作部に正確に対応させるためにはワイヤは各プーリに対して滑りが発生してはならない。そこでワイヤは、各プーリに対して１箇所を溶接等によって固定しておき、さらに適度な回転量を確保するために各プーリに対して１．５回転又は２．５回転程度巻き掛けておくとよい。

また、マニピュレータの先端動作部は、例えば揺動軸、ロール軸及び開閉軸を備える３軸機構として構成されている。このうち揺動軸は±９０°程度、グリッパ軸は０〜９０°程度の動作範囲が確保されていれば十分であるが、ロール軸に関してはエンドレスに回転可能であることが望ましい。しかしながら、上記の通り各プーリはワイヤに対して１箇所が固定されていることから、ワイヤの巻回数によって回転角度が制限される。特に、先端プーリは狭所に設けられていることから薄い形状であって、ワイヤの巻回数は２．５回転又は３．５回転程度が限度であり、±１８０°程度に制限されていることがある。

さらに、ワイヤは細い連結シャフト内に配設されることから相当に細径にしなければならず、モータトルクによって伸びが生じる場合があり、動力伝達効率が低下し、応答性が劣り、又は寿命が低下することがある。

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、先端動作部のロール軸をエンドレスに回転可能な医療用マニピュレータを提供することを目的とする。

本発明に係る医療用マニピュレータは、複数の基端モータを備えるアクチュエータ部と、該アクチュエータ部に対して接続部により着脱自在な作業部と、を有する医療用マニピュレータであって、前記作業部は、前記接続部から延在する中空の連結シャフトと、前記連結シャフトの先端部で、軸中心に回転するロール軸を含む３軸以上の構成の先端動作部と、前記先端動作部に設けられた先端モータとを有し、前記ロール軸は前記先端モータによって駆動され、前記先端動作部における残余の軸は前記基端モータによって駆動されることを特徴とする。

このように、先端モータによって先端動作部のロール軸を駆動させると、先端モータには回転の制限がないことから、ロール軸をエンドレスに回転可能となる。

前記先端動作部は、前記ロール軸よりも基端側にヨー軸を有し、前記先端モータは、前記ヨー軸よりも先端側に設けられていてもよい。先端モータがヨー軸よりも先端側に設けられていると、該先端モータがヨー軸の回転にともなって回動し、ロール軸を適切に駆動することができる。

前記ロール軸の回転軸と同軸で、前記ヨー軸の軸中心に軸支された筒体を有し、前記先端モータは前記筒体に設けられていてもよい。これにより、先端モータは筒体によって安定して保持されて、ヨー軸を軸心として回動可能である。

前記先端モータは、出力軸が前記ロール軸の回転中心に配置されていてもよい。これにより、ロール軸の回転機構が簡便になる。

前記先端モータの外側に、両端にフェイスギアが設けられた同軸状の動力伝達筒体が設けられ、前記先端動作部は、前記ロール軸よりも先端側にグリッパ軸を有し、前記グリッパ軸の開閉は、前記動力伝達筒体の回転によって駆動されてもよい。このような機構により、ロール軸よりも先端のグリッパ軸を適切に駆動することができる。

前記作業部は、前記基端モータによって回転する基端回転体と、前記先端動作部に設けられ、前記ロール軸以外の軸を駆動する先端回転体と、前記基端回転体と前記先端回転体に巻き掛けられて動力を伝達する可撓性部材とを有してもよい。このような可撓性部材によれば、簡便、軽量、廉価に動力伝達機構を構成できる。

前記連結シャフト内に設けられ、前記基端モータによって回転され、前記ロール軸以外の軸を駆動する円筒部材を有してもよい。このような円筒部材によれば、歪みが発生しにくいため動力伝達を高効率で行うことができる。

本発明に係る医療用マニピュレータによれば、連結シャフトよりも基端側に基端モータを備え、先端動作部に先端モータを備えており、ロール軸は先端モータによって駆動され、先端動作部における残余の軸は基端モータによって駆動される。このように、先端モータによって先端動作部のロール軸を駆動させると、先端モータには回転の制限がないことから、ロール軸をエンドレスに回転可能となる。

以下、本発明に係る医療用マニピュレータについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１１を参照しながら説明する。

図１、図２及び図３に示すように、医療用マニピュレータ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。

医療用マニピュレータ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とを備え、操作部１４に対してコネクタ２４を介して着脱自在なコントローラ（制御部）２７を有するマニピュレータシステムとして構成されている。

医療用マニピュレータ１０は、基本構成として操作部１４と作業部１６とを有しており、コントローラ２７は当該医療用マニピュレータ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６２に対してコネクタ２４を介して接続されている。制御部であるコントローラ２７の機能の一部又は全部を、例えば操作部１４に一体的に搭載することもできる。

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医療用マニピュレータ１０が基準姿勢（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、医療用マニピュレータ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。

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。

次に、操作部１４について詳細に説明する。

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。

接続部１５は、左右側面の係合片２００と、上下面に開口する３つの嵌合孔２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃとを有する。３つの嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃは、Ｚ１方向及びＺ２方向の端部近傍に設けられており、Ｙ方向に延在する孔である。

アクチュエータブロック３０には、先端動作部１２が有する機構に対応してモータ（基端モータ）４０ａ及び４０ｂがＺ方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ４０ａ及び４０ｂは、操作部１４の操作に基づき、コントローラ２７の作用下に回転をする。モータ４０ａ及び４０ｂ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。

なお、詳細については後述するが（図７参照）、先端動作部１２にもモータ（先端モータ）４０ｃが設けられており、モータ４０ａ〜４０ｃが単独又は協働動作をして先端動作部１２の３軸構成の機構を駆動することができる。モータ４０ａ〜４０ｃは、例えばＤＣモータである。

モータ４０ａ〜４０ｃには、減速機４２ａ〜４２ｃが内蔵されている。減速機４２ａ〜４２ｃは、例えば遊星式であり、減速比は１：１００〜１：３００程度である。

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。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４０ａ及び４０ｂを格納する場所に限定されず、ブリッジ２８との接続面３０ａ（図３参照）を含む。

モータ４０ａ〜４０ｃには、回転角度を検出することのできるロータリ式のエンコーダ４４ａ、４４ｂ、４４ｃが設けられており、検出した角度信号はコントローラ２７に供給される。

図２及び図３に示すように、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、該グリップハンドル２６の近傍には先端動作部１２の動作等に供される入力手段が設けられている。すなわち、このような入力手段として、グリップハンドル２６に近接したＺ１方向にトリガーレバー３２及びスイッチ３６が設けられ、Ｙ１方向に複合入力部３４及び作動スイッチ３５が設けられている。

作動スイッチ３５のＺ１方向でブリッジ２８の上面における視認しやすい箇所にはＬＥＤ２９が設けられている。ＬＥＤ２９は、医療用マニピュレータ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、且つ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。

グリップハンドル２６の下端には、コントローラ２７に接続されるケーブル６２が設けられている。グリップハンドル２６とケーブル６２とはコネクタにより接続されていてもよい。

作動スイッチ３５は、医療用マニピュレータ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。ＬＥＤ２９は、医療用マニピュレータ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、且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おり、作動スイッチ３５と並んで配置されていることから、例えば、作動スイッチ３５によるＯＮ操作に同期して点灯等をするため、操作者は作動スイッチ３５の操作をしながらその入力状態をＬＥＤ２９により確実に認識することができる。

この場合、コントローラ２７は、作動スイッチ３５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４０ａ〜４０ｃ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。動作モードは、操作部１４の操作指令を有効にしてモータ４０ａ〜４０ｃ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４０ａ〜４０ｃを停止させるモードである。これらのモード及び動作はコントローラ２７によって区別されて制御され、ＬＥＤ２９の点灯状態が切り換えられる。

すなわち、ＬＥＤ２９は、動作モードのときに緑に点灯、停止モードのときに赤に点灯し、動作モードから停止モードに移る自動原点復帰モードのときには赤の点滅をする。

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６０（図１及び図５参照）に開閉指令を与える入力手段である。

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、検出した動作信号をコントローラ２７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。アーム９８はグリップハンドル２６内で入力センサ３９ｃに接続されており、トリガーレバー３２の進退量が該入力センサ３９ｃによって計測されてコントローラ２７に供給される。トリガーレバー３２は、指を当て、グリップハンドル２６の方向（つまり、Ｚ２方向）に向かって引き込む操作と、グリップハンドル２６からＺ１方向に押し出す操作とが可能に構成され、これにより、グリッパ６０へと開閉指令を与えることができる。

なお、トリガーレバー３２のＹ２方向に設けられたスイッチ３６は、オルタネート式であって、該スイッチ３６を操作することによりトリガーレバー３２により所定の開閉状態とされたグリッパ６０の状態、例えば、閉じ状態を保持しておくことができる。

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であるＬＥＤ１０７ａと受光器であるフォトダイオード１０７ｂとからなるフォトインタラプタの構成とされており、該ＬＥＤ１０７ａと該フォトダイオード１０７ｂとの間に接続部１５の後端の遮光片１０９（図２参照）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。ＬＥＤ１０７ａとフォトダイオード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。

上面３０ｂには、さらに、コントローラ２７に接続され、Ｙ１方向を指向するコネクタ１１１が設けられている。

アクチュエータブロック３０には、さらに作業部１６の接続部１５を保持する２つの独立した係合部２１０と、該接続部１５の位置決め機能及び保持機構を有する３本のアライメントピン２１２ａ、２１２ｂ及び２１２ｃとが設けられる。

２つの係合部２１０は、アクチュエータブロック３０の左右側面（Ｘ１及びＸ２側面）で対称位置に設けられており、操作面２０４と、該操作面２０４からＹ１方向に延在するレバー２０６とを有する。レバー２０６はアクチュエータブロック３０の上面よりもＹ１方向に向かってやや突出しており、先端内側がテーパ形状になっている。係合部２１０は、図示しない弾性部材によってレバー２０６が内側に向かう方向に弾性付勢されている。

アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃに対向する位置で、アクチュエータブロック３０の上面におけるＺ１方向端の近傍に２本、Ｚ２方向端の近傍に１本設けられ、それぞれＹ１方向に延在している。Ｚ１方向端の近傍に２本のアライメントピン２１２ａ、２１２ｂがＸ方向に並んで設けられている。

このように、アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは３本設けられていることから、接続部１５は３点で支持され、簡便且つ確実に位置決めを行うことができる。また、３本のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは直線状配列ではないため、いずれの方向のねじれに対しても、接続部１５を安定して保持することができる。アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、このうち２本以上設けられていれば、接続部１５は確実に位置決めがなされて、安定して保持される。この場合、Ｚ方向に離間した２本を選択すると一層安定する。

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３０ｂの３本のアライメントピン２１２が、回転部収納体２５０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。

操作部１４の接続面３０ａには、接続された作業部１６のＩＤ部１０４（図４参照）のＱＲコードを読み取ってコントローラ２７に供給するカメラ１０６と、接続された作業部１６のＩＤ部１０４を照明するための２つのＬＥＤ１０５が設けられている。カメラ１０６は、作業部１６のＩＤ部１０４を臨む位置に取り付けられており、該カメラ１０６の左右にＬＥＤ１０５が設けられている。ここで、ＩＤ部１０４のＩＤ（識別符号）の読取器としては、カメラ１０６に代替してバーコードリーダー、バーコードスキャナを用いることができる。

操作部１４は多くの電気部品が設けられていて、作業部１６と比較してコスト高であるが長寿命である。

次に、作業部１６について詳細に説明する。作業部１６は、手技の終了後には操作部１４から取り外されて洗浄することができ、さらには、作業部１６だけを定期的に新しい物に交換して十分な信頼性を確保することができる。作業部１６は弱電部品がなく廉価であり、しかも体腔２２内で先端動作部１２が動作をして負荷を受けることから機械的寿命や、蒸気及び熱の洗浄によるダメージ等を考慮して適度な時期に新しい物に交換することになっている。総合的な寿命を考慮して、製造者によって作業部１６の使用制限回数が設定され、医療従事者は作業部１６毎の使用回数のカウント及び管理を行い、基本的には使用制限回数に達したらその作業部１６は規定の手順に基づいて処分する。

図１、図２及び図４に示すように、作業部１６の接続部１５は、樹脂のカバー３７に覆われており、モータ４０ａに接続されて回転される基端プーリ（基端回転体）５０ａ、モータ４０ｂに接続されて回転される駆動軸５０ｂ及び該駆動軸５０ｂの同軸上に設けられた従動軸５３をそれぞれ回転自在に保持している。基端プーリ５０ａ、駆動軸５０ｂ及び従動軸５３は、回転部収納体２５０に収納されている。

接続部１５を構成する基端プーリ５０ａ及び駆動軸５０ｂのＹ２方向下端にはそれぞれ十字状の結合凸部５１ａ及び５１ｂが設けられ、アクチュエータブロック３０を構成するモータ４０ａ及び４０ｂの回転軸には十字状の結合凹部４１ａ及び４１ｂが設けられている。結合凸部５１ａ及び５１ｂと結合凹部４１ａ及び４１ｂとは互いに係合可能であり、すなわち、アクチュエータブロック３０に接続部１５が装着された状態において、モータ４０ａ及び４０ｂの回転が基端プーリ５０ａ、駆動軸５０ｂに対して確実に伝達される。これらの係合部は十字形状に限られない。

基端プーリ５０ａと後述する先端プーリ３３０との間には、同芯状の連結シャフト４８及び円筒部材５０２内を延在するワイヤ（可撓性部材）５４が巻き掛けられて動力を伝達する。基端プーリ５０ａ及び先端プーリ３３０に対してそれぞれ１．５回転巻き掛けられて十分な回転角度が確保されており、且つ、一部が溶接固定されていて滑りが生じない。このようなワイヤ５４によれば、簡便、軽量、廉価に動力伝達機構を構成できる。

一方、駆動軸５０ｂの回転は、円筒部材５０２（図６参照）によって先端動作部１２に伝達される。

図４に示すように、接続部１５における後端部近傍には、作業部１６を個体識別することのできるＩＤ（識別符号）が付けられたＩＤ部１０４が設けられている。

ＩＤ部１０４には、作業部１６毎に識別が可能なように異なる２次元バーコードであるＱＲコードが付けられている。ＩＤ部１０４のＱＲコードには、作業部１６のそれぞれに対応した型式、仕様、シリアルナンバーの他、製造所、製造日、商品名等の各種情報が含まれる。

回転部収納体２５０の側面下方部には、モータ体３６３に接続され、Ｙ２方向を指向するコネクタ１１３が設けられている。コネクタ１１３と前記のコネクタ１１１は、接続部１５のアクチュエータブロック３０に対する装着動作によって互いに嵌合して、モータ体３６３の信号をコントローラ２７に伝達することができるとともにモータ４０ａを駆動することができる。操作者は、接続部１５の着脱に際して、コネクタ１１１及び１１３を特に意識し、又は特別の操作をする必要はない。

図５に示すように、連結シャフト４８の先端部には先端方向に突出している一対の舌片部３１４が連結シャフト４８の中心軸に対面して配設されている。この一対の舌片部３１４には、対抗する位置に軸孔３１６、３１６が設けられている。舌片部３１４の先端はそれぞれ円弧形状に形成されている。また、一対の舌片部３１４の対抗する内側面は平行な平面に形成されている。２つの軸孔３１６、３１６は中心軸を挟むように設けられている。

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ヨー軸機構に関する第１自由度と、Ｚ方向の第２回転軸Ｏｒを中心にしてロール方向に回動するロール軸機構に関する第２自由度と、第３回転軸Ｏｇを中心として先端のグリッパ６０を開閉させる開閉軸機構に関する第３自由度とを有する合計３自由度の機構となっている。先端動作部１２は、ヨー軸機構部３００と、駆動機構部３０２と、グリッパ６０とを有する。

図５、図６、図７及び図８を参照しながら、ヨー軸機構部３００、駆動機構部３０２及びグリッパ６０について詳細に説明する。

ヨー軸機構部３００は、一対の舌片部３１４の間に設けられている。ヨー軸機構部３００は、軸孔３１６、３１６に挿入されるシャフト３１２とを有する。シャフト３１２は、軸孔３１６に対して、例えば圧入により固定される。シャフト３１２は第１回転軸Ｏｙの軸上に配置される。

ヨー軸機構部３００は、Ｙ１方向からＹ２方向に向かって順に、シャフト３１２に対して回転自在に軸支される歯車体３２６と、モータ保持筒（筒体）３２８と、先端プーリ（先端回転体）３３０とを有する。モータ保持筒３２８と先端プーリ３３０は一体構成となっている。

歯車体３２６は、筒体３３２と、該筒体３３２の上部に同心状に設けられた歯車３３４とを有する。歯車３３４は適度に薄い。歯車体３２６は、モータ４０ｂの回転が円筒部材５０２によって歯車３３４に伝達されることにより回転する。

モータ保持筒３２８は、モータ体３６３を保持する中空の筒体である。先端プーリ３３０は、ワイヤ５４の一部が固定されて巻き掛けられる短い円柱体である。モータ保持筒３２８はＺ方向に延在し、先端プーリ３３０はモータ保持筒３２８の後端近傍におけるＹ２方向に設けられている。モータ保持筒３２８及び先端プーリ３３０には、シャフト３１２が挿通される孔３３６が設けられている。

次に、駆動機構部３０２は、駆動ベース３５０と、歯車リング（動力伝達筒体）３５２と、歯車付きピン３５４と、固定ナット３５８と、カバー３６０と、ロール軸駆動機構としてのモータ体３６３とを有する。固定ナット３５８には、スパナ等の回転工具を係合可能な平行面３５８ａが設けられている。

モータ体３６３は、モータ４０ｃと、モータ４０ｃに内蔵されて回転を減速する減速機４２ｃと、モータ４０ｃの回転角度を計測するエンコーダ４４ｃとを有する。モータ体３６３は、Ｚ２方向からＺ１方向に向かってエンコーダ４４ｃ、モータ４０ｃ及び減速機４２ｃの順に配置された円柱状の一体構成体である。

モータ体３６３のＺ２方向端には出力軸３６３ａが設けられ、該出力軸３６３ａの側面には孔３６３ｂが設けられている。モータ４０ｃを駆動する複数の動力線及びエンコーダ４４ｃの複数の信号線は、線体３６５として、モータ体３６３のＺ２方向端から延在して連結シャフト４８を通って接続部１５のコネクタ１１３に達している。

駆動ベース３５０は、モータ体３６３の出力軸３６３ａに回動自在に挿入される筒体３６４と、該筒体３６４の左右両端からＺ１方向に向かって突出している一対の支持アーム３６６とを有する。各支持アーム３６６はグリッパ６０を支持する部分であり、Ｘ方向に並んだ孔３６６ａが設けられている。

筒体３６４の後端部は、モータ保持筒３２８に外嵌して回転自在に配置される。筒体３６４の内腔部には、モータ保持筒３２８に対して外嵌する挿入量を規定する段差部３６８（図７参照）が設けられている。筒体３６４をモータ保持筒３２８に挿入した後に、固定ピン３５６を筒体３６４の孔３６４ａと出力軸３６３ａの孔３６３ｂに圧入させることにより、駆動ベース３５０は出力軸３６３ａを中心とした（つまり、第２回転軸Ｏｒを中心とした）ロール方向に、回動自在に軸支される。

歯車リング３５２は薄い筒体であって、Ｚ２方向の面に設けられたフェイスギア３７０と、Ｚ１方向の面に設けられたフェイスギア３７２とを有する。歯車リング３５２は駆動ベース３５０の筒体３６４に嵌装され、該筒体３６４の周面に対して摺動回転自在となる。フェイスギア３７０は歯車３３４に噛合し、歯車リング３５２は歯車体３２６の回転に伴って第２回転軸Ｏｒを中心として回転可能である。

歯車付きピン３５４は、フェイスギア３７２に噛合する歯車３７４と、該歯車３７４の中心からＸ１方向に延在するピン３７６とを有する。ピン３７６の先端部には雄ねじが設けられている。ピン３７６は２つの孔３６６ａを通って雄ねじが反対側の支持アーム３６６から突出し、固定ナット３５８が螺着される。これにより、歯車付きピン３５４は、歯車３７４がフェイスギア３７２に噛合するとともに、支持アーム３６６に対して回動自在に軸支される。また、ピン３７６はグリッパ６０の一部に係合するようにＤカット形状となっている。

カバー３６０は、駆動機構部３０２における上記の各部品を保護するためのものであって、歯車リング３５２、歯車３７４は径方向に露呈されないように覆われる。カバー３６０は、Ｚ２方向の短筒３８０と、該短筒３８０の左右両端からＺ１方向に向かって突出している一対の耳片部３８２とを有する。耳片部３８２は、短筒３８０の周壁の一部が同径のままＺ１方向に延在している形状である。カバー３６０はピン３９６によってグリッパ６０の一部に固定されている。カバー３６０は正面視で連結シャフト４８と同径又は小径に設定されている。

このような駆動機構部３０２では、モータ４０ｃの回転作用下に、駆動ベース３５０及び該駆動ベース３５０に接続されるグリッパ６０を第２回転軸Ｏｒを中心として回転させることができる。また、歯車３３４の回転作用下に、フェイスギア３７０、フェイスギア３７２及び歯車３７４を介してピン３７６に回転が伝達され、歯車付きピン３５４を回転させることができる。

次に、グリッパ６０は、第１エンドエフェクタ部材３９０と、第２エンドエフェクタ部材３９２と、リンク３９４と、ピン３９６とを有する。ピン３９６は第３回転軸Ｏｇの軸上に配置される。

第１エンドエフェクタ部材３９０は、左右に対向して設けられた一対のサイドウォール４００と、サイドウォール４００の先端部にそれぞれ設けられた孔４００ａと、サイドウォール４００の後端部にそれぞれ設けられた孔４００ｂと、サイドウォール４００の先端下部からＺ１に突出した第１グリッパ４０２と、サイドウォール４００の後端下部に設けられたカバー固定部４０４とを有する。孔４００ａはピン３９６が、例えば圧入されるのに適した径に設定されている。第１グリッパ４０２はＺ１方向に向かってやや幅狭となって、先端部が円弧状となる形状であり、Ｙ１方向の全面には小さい錐上突起がほぼ隙間なく設けられている。

各サイドウォール４００の先端部は円弧状に形成されており、後端部の両外側面には前記の支持アーム３６６が嵌り込む凹部４００ｃが設けられている。第１グリッパ４０２とカバー固定部４０４との間には、第２エンドエフェクタ部材３９２の後端部に対する干渉を防止する孔３９０ａ（図８参照）が設けられている。カバー固定部４０４には、ピン３９６が、例えば圧入される孔が設けられている。

第２エンドエフェクタ部材３９２は、ベース部４１０と、ベース部４１０の先端からＺ１方向に延在する第２グリッパ４１２と、ベース部４１０の左右後端からＺ２方向に延在する一対の耳片部４１４と、ベース部４１０の先端下部に設けられた軸支筒４１６とを有する。軸支筒４１６はピン３９６が挿入可能な程度の内径の孔４１６ａを有している。ピン３９６が軸支筒４１６に挿入されて孔４００ａに対して、例えば圧入されることにより、第２エンドエフェクタ部材３９２は第３回転軸Ｏｇを中心として揺動自在となる。第２グリッパ４１２は第１グリッパ４０２と同形状で上下反転に配置されており、第２エンドエフェクタ部材３９２が第３回転軸Ｏｇを中心として回動したときに第１グリッパ４０２に対して当接し、湾曲針等を把持することができる。耳片部４１４にはそれぞれ長孔４１４ａが設けられている。

リンク３９４は、一方の端部に設けられた孔４２０と、他方の端部に設けられて左右に突出する一対の係合部４２２とを有する。各係合部４２２は長孔４１４ａに対して摺動可能に係合している。孔４２０はピン３７６が係合するに適したＤカット形状に形成されており、該ピン３７６に対する位置決め機能及び回り止め機能を有する。ピン３７６が孔３６６ａ、孔４００ｂ及び４２０に挿入されるとともに、先端部に固定ナット３５８が螺着されることにより、リンク３９４はピン３７６を中心として揺動自在となる。

次に、モータ４０ｂの回転を歯車体３２６に伝達する円筒部材５０２及びその周辺機構について説明する。

円筒部材５０２の外径は、連結シャフト４８の内面略接する径であり、軸中心に回転可能である。円筒部材５０２は、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属や、炭素繊維樹脂等の高強度の材質で形成され、しかもワイヤ等の細い線体と比較して断面積が大きく、歪みが小さく、高い剛性を有する。したがって、円筒部材５０２は、高い動力伝達効率、高い応答性、及び高寿命を実現できる。

円筒部材５０２の先端部には、歯車体３２６の歯車３３４に対してＺ２方向側で噛合するフェイスギア５０８が設けられている。円筒部材５０２は、連結シャフト４８に対して滑り軸受５１４によって支持されている。

連結シャフト４８と円筒部材５０２との間にはＯリング（シール部材）５１６が設けられている。

Ｏリング５１６は滑り軸受５１４よりも先端側に設けられており、滑り軸受５１４の摺動面に異物や固化した体液が噛み込むことがない。

図９及び図１０に示すように、接続部１５の回転部収納体２５０内で、円筒部材５０２の基端部には環状の傘歯車５２２が設けられている。

駆動軸５０ｂ及び従動軸５３は、それぞれ回転部収納体２５０に対して軸受５２８で軸支されるとともに、Ｏリング５３０によってシールされている。円筒部材５０２は、回転部収納体２５０に対して滑り軸受５３２によって支持されるとともに、Ｏリング５３４によってシールされている。Ｏリング５３４は滑り軸受５３２よりも先端側に設けられており、モータ４０ｂによって発生しうる曲げ荷重等がＯリング５３４に加わることがない。

また、円筒部材５０２は、先端側と基端側で滑り軸受５１４及び５３２によって軸支されており、安定した回転が可能である。滑り軸受５１４及び５３２によれば簡便且つ廉価に円筒部材５０２を支持することができる。

駆動軸５０ｂのＹ１方向端部には、駆動傘歯車５３６が設けられ、従動軸５３のＹ２方向端部には、従動傘歯車５３８が設けられている。駆動傘歯車５３６と従動傘歯車５３８は対向する位置に設けられている。

円筒部材５０２は、Ｚ方向に関して、駆動軸５０ｂの軸中心よりやや先端よりの位置まで延在している。傘歯車５２２は、互いに対向する駆動傘歯車５３６及び従動傘歯車５３８に対して９０°交差する向きで噛合して、円筒部材５０２が支持されている。

このように、円筒部材５０２は駆動傘歯車５３６と従動傘歯車５３８によってＹ１方向及びＹ２方向を支持されていることからバランスがよく、滑り軸受５３２に偏荷重がかからない。また、駆動傘歯車５３６と傘歯車５２２との接触部の面圧を適度に高めることができ、動力が確実に伝達される。

次に、このように構成される医療用マニピュレータ１０の動作について説明する。

操作者が、手技に応じて操作部１４のトリガーレバー３２及び複合入力部３４等の操作を行うと、コントローラ２７ではこれらの操作信号を読み取り、ヨー軸、ロール軸及びグリッパ軸の目標角度を求め、先端動作部１２の各機構がこれに応じた角度となるようにモータ４０ａ〜４０ｃの角度制御を行う。

開閉軸としてのグリッパ６０を開閉させる場合には、モータ４０ｂの回転作用下に円筒部材５０２、歯車３３４、歯車リング３５２を介して歯車３７４を駆動させる。

グリッパ６０やはさみ等の開閉機構は、実作業を行う部分であって比較的大きい力が要求される場合があるが、円筒部材５０２を介して駆動されることから高い動力伝達効率によって大きい力を発生させることができる。

ロール軸の回転をさせる場合には、モータ４０ｃの回転作用下に駆動ベース３５０を駆動させるとともに、グリッパ６０の動作干渉を相殺するようにモータ４０ｂを協働させる。

このとき、モータ４０ｃは回転の制限がないことから、ロール軸をエンドレスに回転させることができるとともに、円筒部材５０２は回転の制限がないことからロール軸動作に合わせてグリッパ６０の動作干渉を無制限に相殺させることができる。

また、モータ４０ｃは減速機４２ｃ及び固定ピン３５６を介して駆動ベース３５０に直結されており、この間の動力伝達における損失は実質的にゼロであることから、高効率であり、応答性が高い。

ヨー軸を動作させる場合には、モータ４０ａの回転作用下に基端プーリ５０ａ、ワイヤ５４及び先端プーリ３３０を介してモータ保持筒３２８を揺動させるとともに、グリッパ６０及びヨー軸の動作干渉を相殺するようにモータ４０ｂ及び４０ｃを協働させる。

理解を容易にするために、グリッパ６０、ロール軸及びヨー軸の単独動作について説明をしたが、同時複合的な動作が可能であることはもちろんである。

上述したように、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０によれば、先端のモータ４０ｃによってロール軸を駆動させると、該モータ４０ｃには回転の制限がないことから、ロール軸をエンドレスに回転可能となる。モータ４０ｃには減速機４２ｃが設けられていることにより、モータ４０ｃが小型であっても高トルクが得られるとともに、ロール軸の角度制御が容易になる。

モータ４０ｃはヨー軸よりも先端側に設けられていることから、該モータ４０ｃがヨー軸の回転にともなって回動し、ロール軸を適切に駆動することができる。

モータ４０ｃが固定されているモータ保持筒３２８は、ロール軸の回転軸と同軸で、ヨー軸の軸中心のシャフト３１２に軸支されていることから、モータ４０ｃはモータ保持筒３２８によって安定して保持されて、ヨー軸を軸心として回動可能である。

モータ４０ｃの出力軸３６３ａはロール軸の回転中心に配置されていることから、ロール軸の回転機構が簡便になる。

モータ４０ｃの外側には、両端にフェイスギア３７０、３７２が設けられた同軸状の動力伝達筒体としての歯車リング３５２が設けられ、先端動作部１２は、ロール軸よりも先端側にグリッパ６０を有しており、グリッパ６０の開閉は、歯車リング３５２の回転によって駆動されている。このような機構により、ロール軸よりも先端のグリッパ６０を適切に駆動することができる。

上記の各実施形態は、例えば図１１に示すような医療用ロボットシステム７００に適用してもよい。

医療用ロボットシステム７００は、多関節型のロボットアーム７０２と、コンソール７０４とを有し、作業部７０６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の先端には前記の医療用マニピュレータ１０と同様な機構を有するマニピュレータ７０８が設けられている。ロボットアーム７０２は、作業部７０６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７０６の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のマニピュレータ７０８は、ロボットアーム７０２の先端部７１０と一体化している。マニピュレータ７０８は、前記のアクチュエータブロック３０（図１参照）の代わりに、基端側が前記先端部７１０に連結されると共に、内部にモータ４０ａ、４０ｂを収納したアクチュエータブロック７１２を有する。

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７１４に倣った操作、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７０４は、前記のコントローラ２７（図１参照）の機能を含んでいる。作業部７０６には、前記の先端動作部１２が設けられている。先端動作部１２にはロール軸を駆動するモータ４０ｃが設けられている。

コンソール７０４には、操作指令部としての２つのジョイスティック７１４と、モニタ７１６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７１４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７１４は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ７１６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７１４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７１４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。

本発明に係る医療用マニピュレータは、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。

本実施の形態に係る医療用マニピュレータの斜視図である。 作業部と操作部とを分離した医療用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。 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。 先端動作部の断面側面図である。 先端動作部の断面平面図である。 接続部の断面側面図である。 動力伝達機構の基端側の斜視図である。 マニピュレータをロボットアームの先端に接続した医療用ロボットシステムの斜視図である。

符号の説明

１０…医療用マニピュレータ １２…先端動作部
１４…操作部 １５…接続部
１６…作業部 ３０、７１２…アクチュエータブロック
４０ａ、４０ｂ…（基端）モータ ４０ｃ…（先端）モータ
４８…連結シャフト ５４…ワイヤ
１１１、１１３…コネクタ ３００…ヨー軸機構部
３０２…駆動機構部 ３２８…モータ保持筒
３５０…駆動ベース ３５２…歯車リング
３６３…モータ体 ３６３ａ…出力軸
３６８…段差部 ３７０、３７２、５０８…フェイスギア

Claims (7)

1. 複数の基端モータを備えるアクチュエータ部と、
   該アクチュエータ部に対して接続部により着脱自在な作業部と、
   を有する医療用マニピュレータであって、
   前記作業部は、前記接続部から延在する中空の連結シャフトと、
   前記連結シャフトの先端部で、軸中心に回転するロール軸を含む３軸以上の構成の先端動作部と、
   前記先端動作部に設けられた先端モータと、
   を有し、
   前記ロール軸は前記先端モータによって駆動され、前記先端動作部における残余の軸は前記基端モータによって駆動されることを特徴とする医療用マニピュレータ。
2. 請求項１記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記先端動作部は、前記ロール軸よりも基端側にヨー軸を有し、
   前記先端モータは、前記ヨー軸よりも先端側に設けられていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
3. 請求項２記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記ロール軸の回転軸と同軸で、前記ヨー軸の軸中心に軸支された筒体を有し、
   前記先端モータは前記筒体に設けられていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記先端モータは、出力軸が前記ロール軸の回転中心に配置されていることを特徴とする医療用マニピュレータ。
5. 請求項４記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記先端モータの外側に、両端にフェイスギアが設けられた同軸状の動力伝達筒体が設けられ、
   前記先端動作部は、前記ロール軸よりも先端側にグリッパ軸を有し、
   前記グリッパ軸の開閉は、前記動力伝達筒体の回転によって駆動されることを特徴とする医療用マニピュレータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記作業部は、前記基端モータによって回転する基端回転体と、
   前記先端動作部に設けられ、前記ロール軸以外の軸を駆動する先端回転体と、
   前記基端回転体と前記先端回転体に巻き掛けられて動力を伝達する可撓性部材と、
   を有することを特徴とする医療用マニピュレータ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
   前記連結シャフト内に設けられ、前記基端モータによって回転され、前記ロール軸以外の軸を駆動する円筒部材を有することを特徴とする医療用マニピュレータ。

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