CN108697485A - 操纵器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的操纵器系统(1)的目的在于,在发生弯曲时作用在贯通于管腔中的动力传递部件上的张力不会过度地增大,能够根据弯曲形态而使可动部恰当地动作,其包括操纵器(3)、操作部(2)和控制操纵器(3)的控制部(4),操纵器(3)包括可动部、产生对可动部供给的动力的驱动部、两端安装可动部和驱动部的细长且软性的长形引导部件和对可动部传递动力的动力传递部件,长形引导部件包括细长且软性的引导管和覆盖引导管的外周且刚性比引导管高的外鞘套,其中引导管具有可供动力传递部件在长度方向上贯通的管腔,外鞘套的根端被安装成能够相对于驱动部在引导管的长度方向上移动,控制部(4)根据外鞘套的移动量改变控制参数。
Description
技术领域
本发明涉及操纵器系统。
背景技术
已知一种利用操作线(wire)对配置在插入部前端的弯曲部或钳子等可动部进行驱动(例如,参考专利文献1和专利文献2)的内窥镜、导管或操纵器。
在该专利文献1、2中,作为细长的软性插入部,采用了在软性多腔管的外周覆盖弹簧管(coil tube)的结构,使操作线贯通在形成于多腔管内的管腔之中进行该操作线的引导,并且能够利用弹簧管传递扭矩。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2014-23721号公报
专利文献2:日本专利第5550150号说明书
发明内容
发明要解决的技术问题
不过,若使专利文献1、2的软性导管那样的、多腔管的外周由弹簧管覆盖的插入部发生了弯曲,则弹簧管以弯曲的内侧的簧圈保持紧贴而弯曲的外侧的簧圈分离的方式发生弯曲。所以,在发生弯曲的前后,弯曲的内侧的路径长度不变,而在配置于靠外侧的多腔管的各管腔中,贯通该各管腔的操作线等动力传递部件的路径长度增大,因此,可能会因弯曲而导致作用在操作线上的张力过度增大,造成插入部前端的可动部的动态特性降低或操作线断裂。
本发明是鉴于上述问题而完成的,其目的在于提供一种操纵器系统,在发生弯曲时作用在贯通于管腔中的动力传递部件上的张力不会过度地增大,能够根据弯曲形态而使可动部恰当地动作。
解决技术问题的技术手段
本发明的一个技术方案提供一种操纵器系统,其包括:操纵器;进行用于使该操纵器动作的输入的操作部;和基于该操作部上的输入控制上述操纵器的控制部,上述操纵器包括可动部、驱动部、细长且软性的长形引导部件和细长的动力传递部件,其中,上述驱动部用于产生对上述可动部供给的动力,上述长形引导部件的一端安装上述可动部,另一端安装上述驱动部,上述动力传递部件用于将上述驱动部的动力传递至上述可动部,上述长形引导部件包括细长且软性的引导管和刚性比该引导管高的外鞘套,其中上述引导管具有可供上述动力传递部件在长度方向上贯通的管腔,上述外鞘套覆盖上述引导管的外周,上述外鞘套的根端被安装成能够相对于上述驱动部在上述长形引导部件的长度方向上移动,上述控制部根据上述外鞘套的移动量改变控制参数。
采用该技术方案,当操作者操作操作部进行输入时,控制部基于操作部的输入控制操纵器,使操纵器动作。在操纵器中,利用驱动部的动作而在驱动部产生动力,将产生的动力经动力传递部件传递至可动部,使可动部动作。
在使长形引导部件发生了弯曲时,构成该长形引导部件的引导管和外鞘套弯曲,设置在引导管中的管腔也发生弯曲,因此动力传递部件在弯曲了的管腔内被引导以进行动力传递。并且,能够利用刚性比引导管高的外鞘套将驱动部一侧施加的绕长度方向轴的扭矩传递至可动部。
该情况下,在长形引导部件大幅弯曲时,配置在弯曲最内侧的最内径部分的高刚性外鞘套的长度尺寸不发生变化。因此,在假定外鞘套的两端被固定于可动部和固定部的情况下,弯曲后的长形引导部件的尺寸由最内径部分决定,而与最内径部分相比配置在弯曲的径向外侧的引导管会基于曲率半径之差而被拉伸,管腔的长度也被拉伸,导致动力传递部件的路径长度增大。
采用该技术方案,在长形引导部件弯曲前后,使外鞘套的根端相对于驱动部在引导管的长度方向上移动,从而能够利用外鞘套的移动量补偿最内径部分的压缩量,能够抑制引导管的拉伸,进而抑制动力传递部件的路径长度的变动。由此,能够在防止动力传递部件的张力随路径长度的变动而发生过度的变动的同时,使长形引导部件弯曲。
该情况下,外鞘套的根端相对于驱动部的移动量,与长形引导部件的总弯曲角度成正比。而且,接触管腔内壁的动力传递部件与管腔之间的摩擦力,由长形引导部件的总弯曲角度决定。因而,通过根据外鞘套的移动量改变控制参数,能够在考虑了管腔与动力传递部件之间的摩擦力的前提下恰当地控制操纵器。
上述技术方案可以构成为,上述引导管的根端被安装成能够相对于上述驱动部在上述长形引导部件的长度方向上移动。
通过采用这样的结构,在将外鞘套的根端与引导管根端固定的情况下,通过使长形引导部件相对于驱动部在引导管的长度方向上移动,能够利用外鞘套的移动量补偿最内径部分的压缩量,能够抑制引导管因与穿过其内部的操作线摩擦而导致伸长,能够稳定地传递驱动力。由此,能够在抑制因对操作线进行驱动而引起的动力传递的不稳定性的同时,使长形引导部件弯曲。
上述技术方案可以构成为,包括:标示上述外鞘套的移动量的移动量标示部;和用于输入上述外鞘套的移动量的移动量输入部,上述控制部根据从上述移动量输入部输入的移动量改变上述控制参数。
通过采用这样的结构,当长形引导部件弯曲时,外鞘套的根端相对于驱动部移动,其移动量由移动量标示部标示。通过由操作者将移动量标示部所标示的移动量输入到移动量输入部,并由控制部根据所输入的移动量改变控制参数,能够在考虑了管腔与动力传递部件之间的摩擦力的前提下恰当地控制操纵器。
上述技术方案可以构成为,包括检测上述外鞘套的移动量的移动量检测部,上述控制部根据上述移动量检测部检测到的移动量改变上述控制参数。
通过采用这样的结构,当长形引导部件弯曲时,外鞘套的根端相对于驱动部移动,其移动量能够由移动量检测部检测出来。于是,通过由控制部根据检测到的移动量改变控制参数,能够在考虑了管腔与动力传递部件之间的摩擦力的前提下恰当地控制操纵器。
上述技术方案可以构成为,上述外鞘套以相对于上述驱动部可移动的方式设置,包括将上述外鞘套和上述驱动部以任意的相对位置固定的锁定机构。
操纵器例如被插入到因插入体腔内而弯曲的内窥镜的通道内,长形引导部件适应于内窥镜的通道的形状而发生弯曲,但完成插入之后长形引导部件的形状不会大幅变化。因此,当使长形引导部件弯曲时,外鞘套的根端向靠近配置在根端侧的驱动部的方向移动。在完成将操纵器插入内窥镜的通道内之后,利用锁定机构的动作,在外鞘套靠近驱动部的状态下将二者的相对位置锁定。由此,引导管被刚性更高的外鞘套更长地覆盖,在利用驱动部驱动可动部时,能够由外鞘套承受施加在引导管上的压缩力。
上述技术方案可以构成为,上述管腔具有绕上述引导管的长度方向轴扭曲的形状。
通过采用这样的结构,当使细长且软性的引导管弯曲时,管腔的形状也会随引导管的弯曲而发生变化,不过,具有绕引导管的长度方向轴扭曲的形状的管腔的内表面与贯通于该管腔内的驱动力传递部件的接触状态不会因插入部的弯曲状态而大幅变化。其结果是,无需根据弯曲状态而大幅改变驱动部产生的动力,因此能够提高可动部的操作便利性或控制性。
发明效果
采用本发明能够获得这样的效果,即,能够使插入部弯曲而不会过度增大作用在贯通于管腔中的动力传递部件上的张力,能够根据弯曲形态而使可动部恰当地动作。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的操纵器系统的整体结构图。
图2A是表示使图1的操纵器系统中的操纵器的长形引导部件呈直线状伸展的状态的纵截面图。
图2B是表示使图1的操纵器系统中的操纵器的长形引导部件弯曲的状态的纵截面图。
图3是表示图1的操纵器系统的操纵器中设置的移动量标示部的局部放大侧视图。
图4是表示图1的操纵器系统的框图。
图5是说明图1的操纵器系统的操纵器的长形引导部件在弯曲前后的移动量的图。
图6A表示作为图2A的操纵器之变形例的包括锁定机构的操纵器,是表示锁定解除状态的侧视图。
图6B是表示图6A的操纵器的锁定状态的侧视图。
图7A是用于说明图6A的锁定机构的正视图。
图7B是用于说明图6B的锁定机构的正视图。
图8是表示图1的操纵器系统的变形例的框图。
图9A是表示图8的操纵器系统中设置的传感器之一例的图。
图9B是表示图9A的操纵器的锁定状态的侧视图。
图10A是表示图8的操纵器系统中设置的传感器之另一例的图。
图10B是表示图10A的操纵器的锁定状态的侧视图。
图11是表示图2A的操纵器的变形例的局部纵截面图,该变形例中作为引导管设置有管腔发生扭曲的多腔管。
图12是表示图2A的操纵器的变形例的局部纵截面图,该变形例中引导管的根端与外鞘套的根端连接。
具体实施方式
下面,参考附图对本发明的一个实施方式的操纵器系统1进行说明。
本实施方式的操纵器系统1如图1和图4所示,包括由操作者A操作的主机装置(操作部)2、可插入到患者P的体腔内的操纵器3、基于主机装置2上的操作输入来控制操纵器3的控制部4、输入部(移动量输入部)20和存储部30。在图中,标记5是用于显示内窥镜图像等的监视器。
操纵器3如图2所示,例如包括细长且软性的长形引导部件6、可动部7、驱动部8和操作线(动力传递部件)9a、9b,其中,长形引导部件6可经插入在患者P的体腔内的内窥镜12的通道被插入到患者P的体腔内,可动部7配置在长形引导部件6的前端,驱动部8配置在长形引导部件6的根端并由控制部4控制而使可动部7动作,操作线9a、9b将驱动部8产生的驱动力传递至可动部7。
可动部7包括可对体内的患部作用的钳子等处置部10,和对该处置部10进行支承的至少1个关节部11。在图示例子中,为便于说明,表示了关节部11具有单个使处置部10绕与长形引导部件6的长度方向轴正交的轴线摆动的摆动关节的情况。
驱动部8包括滑轮13和壳体14,其中滑轮13与产生驱动力的电机(省略图示)连接,壳体14将滑轮13以可旋转的方式支承。2根操作线9a、9b绕设在滑轮13上,当滑轮13因电机的动作而旋转时,取决于滑轮13的旋转方向,张力作用在绕设于滑轮13的任一根操作线9a、9b上,在操作线9a、9b所传递的张力的作用下,关节部11在任一方向上受到驱动。
在本实施方式中,长形引导部件6包括多腔管(引导管)16、弹簧管(外鞘套)17和滑动件18,其中,多腔管16具有供操作线9a、9b贯通的2个管腔15a、15b,弹簧管17以覆盖多腔管16的外周面的方式配置,滑动件18被固定在弹簧管17的根端。
多腔管16由容易变形且刚性低的软性树脂材料构成。而弹簧管17由刚性比多腔管16高的金属材料构成。弹簧管17如图2A所示,是在长形引导部件6呈直线状伸展的状态下,线材间无间隙地紧贴在一起的密圈弹簧(tightly wound coil)。
多腔管16的前端被固定于关节部11,多腔管16的根端被固定于驱动部8的壳体14。弹簧管17的前端也被固定于关节部11。
滑动件18被设置成能够相对于驱动部8的壳体14在多腔管16的长度方向上移动。由此,弹簧管17的根端以能够在多腔管16的长度方向上移动的方式被支承。即,驱动部8的壳体14和滑动件18构成引导机构19,该引导机构19支承弹簧管17的根端以使其能够在多腔管16的长度方向上移动。
如图2A所示,在长形引导部件6呈直线状伸展的状态下,在滑动件18与驱动部8的壳体14之间,在多腔管16的长度方向上形成有间隙。
在本实施方式中,如图3所示,滑动件18上设置有刻度(移动量标示部)21。当滑动件18移动时,滑动件18逐渐收纳至壳体14内,设置在滑动件18上的刻度21依次被遮住。因此,通过观察与壳体14的端面一致的位置处的刻度21,能够读取滑动件18的移动量。
输入部20是由读取了刻度21的操作者输入读取到的移动量的装置,能够采用鼠标、键盘等任意的输入装置。
存储部30将移动量与控制参数对应地存储。控制参数是针对通过主机装置2输入的操作输入,计算应由操纵器3的驱动部8产生的驱动力的系数。
这里,对滑动件18的移动量与长形引导部件6的形状的关系进行说明。
如图2A和图2B所示,当长形引导部件6弯曲时,沿中心配置的柔性高的多腔管16发生弯曲。由于多腔管16的两端被固定于可动部7和驱动部8,因此若多腔管16在沿其中心线的长度不发生伸缩的状态下弯曲,则形成在多腔管16中的管腔15a、15b也不会大幅伸缩,配置在管腔15a、15b内的操作线9a、9b的路径长度也不会大幅变动。
当多腔管16弯曲时,覆盖其外周的弹簧管17也发生弯曲。弹簧管17由刚性比多腔管16足够高的材料构成,因此在长形引导部件6弯曲时,弹簧管17以这样的方式弯曲,其中,配置在弯曲的内径一侧的部分保持线材紧贴的状态,长度不发生变化,而配置在弯曲的外径一侧的部分的线材的间隔扩大。
依照本实施方式的操纵器3,如图2A和图2B所示,弹簧管17的根端被固定在能够相对于驱动部8的壳体14在多腔管16的长度方向上移动的滑动件18上。因此,当长形引导部件6弯曲时,滑动件18相对于壳体14移动,使弹簧管17的根端向驱动部8一侧移动。
即,在发生弯曲的前后,虽然配置在弯曲的内径一侧的弹簧管17的长度不变动,但由于弹簧管17的根端不固定,所以弹簧管17的根端以缩小滑动件18与壳体14的间隙的方式移位。
对如图5所示的那样,长形引导部件6发生了2个方向的弯曲的情况进行说明。
由于弹簧管17中弯曲的内径一侧的尺寸在弯曲前后不发生变化,因此令其长度在第一弯曲部分、第二弯曲部分分别为长度L1、L2,并令第一弯曲部分和第二弯曲部分的角度分别为角度θ1、θ2。令从长形引导部件6的中心轴至构成弹簧管17的线材的中心位置为止的半径为半径r,则长形引导部件6在第一弯曲部分和第二弯曲部分沿中心轴的长度分别为长度L1+rθ1、L2+rθ2。
即,弹簧管17在弯曲前后伸长了
(L1+rθ1+L2+rθ2)-(L1+L2)=r(θ1+θ2),
该伸长的量为滑动件18的移动量。即,滑动件18的移动量为长形引导部件6的总弯曲角度乘以半径r而得的值。由于半径r为常数,因此能够根据滑动件18的移动量求取长形引导部件6的总弯曲角度。
这一点不限于弯曲部分为2个的情况,能够应用于弯曲部分为任意多个的情况下。
即,总弯曲角度θflex由数学式1给出。
[数学式1]
通过使用该总弯曲角度θflex,施加在操作线9a、9b上的摩擦力Ff能够利用
Ff=Fp×(1-exp-1×μθflex))
计算得到。这里,Fp是施加在操作线9a、9b上的张力。
即,与长形引导部件6的各弯曲部分的曲率半径、弯曲方向和弯曲角度无关,能够仅利用总弯曲角度θflex计算施加在操作线9a、9b上的摩擦力。从而,能够根据滑动件18的移动量唯一地求取用于恰当地控制可动部7的控制参数。
对使用上述结构的本实施方式的操纵器系统1进行患者P体内的处置的情况进行说明。
为了使用图1的操纵器系统1对体内的患部进行处置,需要经从患者P的体外插入到体腔内的内窥镜12的插入部的通道,将本实施方式的操纵器3从前端的可动部7一侧插入,使可动部7从配置于体内的内窥镜12的插入部前端面的钳子通道的开口伸出。
该情况下,体腔大多是弯弯曲曲的,故内窥镜12的插入部和设置于该插入部的通道随体腔的形状而弯曲地被插入体腔内。因此,在经这样的通道插入操纵器3的情况下,操纵器3在长形引导部件6适应于通道而弯曲的同时,被插入通道中。
在本实施方式的操纵器3中,当长形引导部件6弯曲时,滑动件18相对于壳体14移动,使弹簧管17的根端向驱动部8一侧移动。即,在发生弯曲的前后,虽然配置在弯曲的内径一侧的弹簧管17的长度不变动,但由于弹簧管17的根端不固定,所以弹簧管17的根端以缩小滑动件18与壳体14的间隙的方式移位。其结果是,能够防止多腔管16的张力增大,能够维持多腔管16的长度,防止操作线9a的路径长度延伸。
即,即使长形引导部件6发生弯曲,操作线9a、9b的路径长度也不变动,因此能够防止可动部7与驱动部8的动作无关地动作,并能够防止过度的张力施加在操作线9a、9b上,能够高精度地控制可动部7。
并且,通过由操作者根据刻度21读取滑动件18的移动量并经输入部20输入该移动量,控制部4读取与移动量对应地存储在存储部30中的控制参数,使用读取出的控制参数控制操纵器3。
即,在长形引导部件6发生了复杂的弯曲的情况下,由于总弯曲角度θflex增大,因此多腔管16的管腔15a、15b的内壁与操作线9a、9b的摩擦增大。因而,控制部4为了克服增大了的摩擦力而使可动部7动作,需要使驱动部8产生更大的驱动力。
依照本实施方式的操纵器系统1,能够利用滑动件18的移动量计算长形引导部件6的总弯曲角度θflex并基于该总弯曲角度θflex改变控制参数,因此具有这样的优点:即使施加在操作线9a、9b上的摩擦力增大,也能够使驱动部8产生恰当的驱动力,从而使可动部7顺利地动作。
本实施方式也可以如图6A~图7B所示的那样设置锁定机构27,在通过使长形引导部件6弯曲而使滑动件18向靠近壳体14的方向移动了的状态下,利用锁定机构27将二者的相对位置锁定。即,在内窥镜12的通道因内窥镜12被插入体腔内而发生了弯曲的情况下,在插入到通道内的本实施方式的操纵器3中,长形引导部件6适应于通道的形状而发生弯曲,但完成插入之后长形引导部件6的形状不会大幅变化。
因此,利用锁定机构27的动作在滑动件18靠近壳体14的状态下将二者的相对位置锁定,从而能够由弹簧管17承受施加在多腔管16上的压缩力。
作为锁定机构27可以如图6A和图6B所示的那样采用横截面为大致C字形的抓持部件28,使抓持部件28从圆筒形滑动件18的径向外侧靠近滑动件18,以将滑动件18的外周面覆盖大致半周的方式收纳滑动件18。
该情况下,可以采用以下所述的结构:将用于对驱动部8供给动力的电机单元29构成为与驱动部8分体且可拆装,并将抓持部件28固定在电机单元29上,从而如图6B和图7B所示,在将驱动部8安装到电机单元29上时,抓持部件28抓持滑动件18,利用滑动件18外周面与抓持部件28的内周面之间的摩擦,限制滑动件18沿多腔管16的长度方向的移动。图中标记31是由用于增大摩擦的材料构成的涂层。
在本实施方式中,根据刻度21读取滑动件18的移动量并经输入部20输入移动量,但是也可以代替这样的方式,如图8所示的那样配置用于检测滑动件18的移动量的传感器(移动量检测部)32。
作为传感器32,可以如图9A和图9B所示,采用直接检测固定在滑动件18上的板部件33的移动量的测距传感器。由此,能够将一次性部分与可重复利用部分分开,在作为可重复利用部分的电机单元29一侧配置测距传感器。此外,也可以采用编码器(省略图示),设置与滑动件18的移动联动的滑轮(省略图示),所述编码器通过检测该滑轮的旋转角度,来间接地检测滑动件18的移动量。
此外,也可以如图10A和图10B所示的那样,作为传感器32采用获取滑动件18的图像的摄像机,例如,通过图像处理对设置在滑动件18上的标志物34的位置进行检测,来检测滑动件18的移动量。
通过采用传感器32,能够将传感器32检测到的滑动件18的移动量直接输入至控制部4,能够省略由操作者进行输入所需的时间、精力。
在本实施方式中,作为多腔管16给出了多个管腔15a、15b沿多腔管16的长度方向笔直形成的例子。但本实施方式并不限定于此,也可以如图11所示的那样,采用管腔34a、34b绕多腔管16的长度方向轴扭曲的结构。
通过采用这样的方式,即使因使用了较粗的多腔管16导致弯曲时曲率半径的差异变大,也能够抑制因弯曲而引起的各管腔34a、34b的长度的变动,防止操作线9a、9b的路径长度的变动。
此外,作为本实施方式的操纵器3,使用了将多腔管16的根端固定于壳体14的结构,但是也可以代替这样的结构,如图12所示的那样,使用将多腔管16的根端固定于弹簧管17的根端的结构。
通过采用这样的结构,多腔管16的根端被安装成可相对于驱动部8的壳体14在长形引导部件6的长度方向上移动。该情况下,通过使长形引导部件6相对于驱动部8在多腔管16的长度方向上移动,能够利用固定在弹簧管17的根端的滑动件18的移动量来补偿最内径部分的压缩量。而且,通过抑制多腔管16因与穿过其内部的操作线9a、9b发生摩擦而导致伸长,能够稳定地传递驱动力。即,能够在抑制因对操作线进行驱动而引起的动力传递的不稳定性的同时,使长形引导部件6弯曲。
此外,作为本实施方式的操纵器3,说明了引导管16为多腔管的情况,但是也可以代替这样的结构,使用由多个弹簧管17构成的引导管16。
附图标记说明
1 操纵器系统
2 主机装置(操作部)
3 操纵器
4 控制部
6 长形引导部件
7 可动部
8 驱动部
9a、9b 操作线(动力传递部件)
15a、15b、34a、34b 管腔
16 多腔管(引导管)
17 弹簧管(外鞘套)
20 输入部(移动量输入部)
21 刻度(移动量标示部)
27 锁定机构
32 传感器(移动量检测部)
Claims (6)
1.一种操纵器系统,其特征在于,包括:
操纵器;
进行用于使该操纵器动作的输入的操作部;和
基于该操作部上的输入控制所述操纵器的控制部,
所述操纵器包括可动部、驱动部、细长且软性的长形引导部件和细长的动力传递部件,其中,所述驱动部用于产生对所述可动部供给的动力,所述长形引导部件的一端安装所述可动部,另一端安装所述驱动部,所述动力传递部件用于将所述驱动部的动力传递至所述可动部,
所述长形引导部件包括细长且软性的引导管和刚性比该引导管高的外鞘套,其中所述引导管具有可供所述动力传递部件在长度方向上贯通的管腔,所述外鞘套覆盖所述引导管的外周,
所述外鞘套的根端被安装成能够相对于所述驱动部在所述长形引导部件的长度方向上移动,
所述控制部根据所述外鞘套的移动量改变控制参数。
2.如权利要求1所述的操纵器系统,其特征在于:
所述引导管的根端被安装成能够相对于所述驱动部在所述长形引导部件的长度方向上移动。
3.如权利要求1或2所述的操纵器系统,其特征在于,包括:
标示所述外鞘套的移动量的移动量标示部;和
用于输入所述外鞘套的移动量的移动量输入部,
所述控制部根据从所述移动量输入部输入的移动量改变所述控制参数。
4.如权利要求1或2所述的操纵器系统,其特征在于:
包括检测所述外鞘套的移动量的移动量检测部,
所述控制部根据所述移动量检测部检测到的移动量改变所述控制参数。
5.如权利要求3或4所述的操纵器系统,其特征在于:
所述外鞘套以相对于所述驱动部可移动的方式设置,
包括将所述外鞘套和所述驱动部以任意的相对位置固定的锁定机构。
6.如权利要求1~5中任一项所述的操纵器系统,其特征在于:
所述管腔具有绕所述引导管的长度方向轴扭曲的形状。
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