JP2003052716A

JP2003052716A - 医療用マニピュレータシステム

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Publication number: JP2003052716A
Application number: JP2001243430A
Authority: JP
Inventors: Makoto Jinno; 野誠神; Toyomi Miyagawa; 川豊美宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-02-25
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: JP3605057B2

Abstract

(57)【要約】【課題】動作範囲が広く、機構が単純で、軽量で操作
性に優れた支持機構を備える医療用マニピュレータシス
テムを提供する。【解決手段】医療用マニピュレータ（１）とこの医療
用マニピュレータを支持する支持機構（２）とを備える
医療用マニピュレータシステムであって、医療用マニピ
ュレータは、操作指令部（２０）と、一端側が操作指令
部に接続された連結部（２１）と、連結部の他端側に接
続された作業部（２０）とを備え、支持機構（２）は、
医療用マニピュレータの３次元位置が変化した状態にお
いても張力が概ね一定に保たれるように医療用マニピュ
レータをその所定位置で吊り下げ支持する可撓性部材
（３）を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医療用マニピュレ
ータシステムに係り、特に、動作範囲が広く、機構が単
純で、軽量で操作性に優れた状態で医療用マニピュレー
タを支持する支持機構を有する医療用マニピュレータシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、胆嚢摘出手術などの腹腔鏡下手術
においては、図２５に示すように、患者１５０の腹部に
小さな穴１５１，１５２，１５３をいくつか開け、それ
らにトラカール１５４を取り付け、トラカール１５４を
介して、それらの穴に内視鏡１６１、鉗子１７１，１７
２などを挿入し、術者（通常、外科医）１６０が内視鏡
１６１の映像をモニタ１６２で見ながら手術を行ってい
る。このような手術方法は、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。このため、このような手術方法は適
用分野の拡大が期待されている。前述の腹腔鏡下手術
は、患者１５０への負担が少ないという点で優れた手術
方法である。

【０００３】しかし、トラカール１５４を通過しての制
約された動作しかできなく、また、鉗子１７１，１７２
には、開閉するグリッパしか設けられておらず、グリッ
パの姿勢を自在に変えることは困難であり、操作性に乏
しい。以上の要因により、前記手術方法で適切な処置を
行えるのは、熟練した術者に限られている。また、手術
方法に熟練するまでには、非常に長期間を要する。

【０００４】このような問題点を解決するために、発明
者らは、図２６に示すような、操作指令部２０と、一端
側が前記操作指令部２０に接続された連結部２１と、前
記連結部２１の他端側に接続された作業部２２と、を備
えた医療用マニピュレータ１を提案している。医療用マ
ニピュレータ１は、不動点２３を有するように、支持装
置２によって、支持されている。支持装置２の構成は以
下のとおりである。医療用マニピュレータ１は、水平回
転部１０５および円弧ガイド１０６により２軸回りに回
転自在に支持されているとともに、連結支持部２４を介
して挿入方向（直動）とその軸回りに支持されている。
術者は、操作指令部２０を直接操作することで作業部２
１の位置・姿勢を誘導することが可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】連結部２１は、不動点
２３を中心に極座標系（２回転軸と１直動軸）に支持さ
れ、さらに連結部２１の軸回りに回転支持されているた
め、合計４自由度で支持されていることになる。この自
由度を実現する方法として、基本的には、図２７〜図２
９に示すように、回転軸、円弧ガイド、平行リンクなど
直動軸（挿入方向）を組合せた方式が採用されている。

【０００６】しかし、挿入方向の動作範囲が少ないとい
う問題がある。操作部２０が挿入方向に動かせる範囲
は、連結支持部２４（図２６の矢印３０まで）までであ
り、不動点２３から連結支持部２４まではデッドスペー
スとなる。このため、作業部２２の作業領域を十分確保
するためには、連結部２１の長さを長くしなければなら
ない。このため、医療用マニピュレータ１が不用意に大
きくなり、操作性を低下させる原因となる。不動点２３
から連結支持部２４までの距離を短くするという方法も
考えられるが、その場合、質量の集中している操作部２
０からの距離が長くなり、連結支持部２４にかかるモー
メント荷重が非常に大きくなり、機構上好ましくない。

【０００７】また、術者１６０の操作性を向上するため
には、医療用マニピュレータ１の重量補償を行うことが
必要である。重力補償を行う方法としては、各関節軸に
カウンタウエイトやばね、アクチュエータを配置する方
法が一般的である。従来の方法では、重力の影響を受け
る直動方向（挿入方向）と、極座標系の２回転軸方向ま
たはその一方の１回転軸方向に対する合計２方向ないし
３方向の重力補償が必要であった。従って、機構が複雑
になり、また、質量が大きくなるという問題があった。
さらに、連結支持部２４に対して挿入方向に対する重力
補償が、動作範囲やスペースの観点から非常に困難であ
った。

【０００８】さらに、一般的に直動軸や円弧ガイド軸は
回転軸に対して摩擦力が大きく、術者が操作する場合の
操作力が大きいため、医療用マニピュレータ１の操作性
を低下させてしまうことになる。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の
有する問題を解消し、動作範囲が広く機構が単純であ
り、軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータシステ
ムを提供することである。

【００１０】

【課題を解決しようとする手段】上記目的を達成させる
ために、本発明の医療用マニピュレータシステムは、医
療用マニピュレータとこの医療用マニピュレータを支持
する支持機構とを備える医療用マニピュレータシステム
であって、前記医療用マニピュレータは、操作指令部
と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前
記連結部の他端側に接続された作業部とを備え、前記支
持機構は、前記医療用マニピュレータの３次元位置が変
化した状態においても張力が概ね一定に保たれるように
前記医療用マニピュレータをその所定位置で吊り下げ支
持する可撓性部材を有することを特徴とする。

【００１１】また、前記所定位置は、前記医療用マニピ
ュレータの患者への最大挿入状態において、前記医療用
マニピュレータの患者への挿入部の位置と前記医療用マ
ニピュレータの重心位置との間の中間点より前記操作指
令部側の位置であることを特徴とする。

【００１２】また、前記医療用マニピュレータは、前記
連結部の軸回りに回転自在な部材を介して前記可撓性部
材に吊り下げ支持されていることを特徴とする。

【００１３】また、前記支持機構を手術室天井面に設置
し、前記可撓性部材の上端を手術室天井近傍に設けたこ
とを特徴とする。

【００１４】また、前記医療用マニピュレータと前記可
撓性部材を着脱可能にしたことを特徴とする。

【００１５】本発明によれば、従来のような極座標系を
用いた支持機構の構成でないため、例えば連結支持部２
４（図２６参照）を介して挿入方向（直動）とその軸回
りに支持する構成をとらず、したがって、動作範囲が広
く、また、重力補償が容易な構成が可能になり、機構が
単純で、軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータシ
ステムを提供することが可能になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の態様について説明する。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施の形態による
医療用マニピュレータシステムの構成を示す斜視図であ
る。

【００１８】本発明の実施の形態による医療用マニピュ
レータシステムにおいて、医療用マニピュレータ１は操
作指令部２０と、一端が操作指令部２０に接続された連
結部２１と、連結部２１の他端側に接続された作業部２
２とを備え、医療用マニピュレータ１が可撓性部材３を
有する支持機構２により吊り下げ支持されている。ま
た、医療用マニピュレータ１の３次元位置が変化した状
態においても、可撓性部材３はそのの張力が概ね一定に
保たれるように支持機構２に支持されている。

【００１９】支持機構２は、支持装置２の固定部１０に
水平方向に回転支持された第１の回転軸１０１と、第１
の回転軸１０１の出力軸側１１に固定された第１アーム
１２と、第１アーム先端部１３に水平方向に回転支持さ
れた第２の回転軸１０２と、第２の回転軸１０２の出力
軸側１４に固定された第２アーム１５と、第２アーム５
上に配置された一定荷重バネ１６と、一定荷重バネ１６
の端部に固定された可撓性部材３と、アイドラプーリ１
７とから構成されている。なお、図２のように、一定荷
重バネ１６と可撓性部材３などが一体化されて形成され
た一定荷重バネ１８を用いても良い。一定荷重バネ１６
は概ね医療用マニピュレータ１の重力と一致する値とな
っている。

【００２０】術者が操作部２０を操作した場合、医療用
マニピュレータ１の３次元位置が変化するが、水平方向
の位置は、第１アーム１２と第２アーム１５で、鉛直方
向の位置は、一定荷重バネ１６または１８により、可撓
性部材３の張力は常に一定の荷重で医療用マニピュレー
タ１を支持することが可能となっている。

【００２１】可撓性部材３は、理想的には医療用マニピ
ュレータ１の重心位置の近傍を支持する。手術時にはト
ラカール２３の部分でも支持される構成になるため、厳
密に重心を支持する必要は無いが、重心近傍を支持する
ことで、トラカール２３に不必要な荷重を生じることを
防ぐことが可能となる。

【００２２】本発明による実施例では、医療用マニピュ
レータ１の患者１５０へ最大挿入状態においても、挿入
部（トラカール）２３の位置と医療用マニピュレータ１
の重心位置の中間点より操作指令部２０側に、可撓性部
材３による医療用マニピュレータ１の吊り下げ位置がく
るように支持している。

【００２３】吊り下げ位置について図３により説明す
る。医療用マニピュレータ１の自重による荷重をＦＧ、
トラカール２３の位置をＯ、トラカール２３の位置Ｏか
ら可撓性部材３の吊り下げ位置Ｘまでの距離をＬ１、ト
ラカール２３の位置Ｏから医療用マニピュレータ１の重
心位置Ｇまでの距離をＬ２とすると、可撓性部材３の張
力ＦＸとトラカール２３の位置Ｏに加わる荷重ＦＯは、
力とモーメントの吊り合いから、ＦＯ／ＦＧ＝Ｌ２／Ｌ１−１ＦＸ／ＦＧ＝Ｌ２／Ｌ１となる。吊り下げ位置Ｘの変化に対する荷重の変化を調
べるために、横軸にＬ２／Ｌ１として、ＦＯ／ＦＧ、Ｆ
Ｘ／ＦＧを図示すると、図４のように表せる。

【００２４】同図から、Ｌ２／Ｌ２＝１すなわち、重心
位置Ｇ近傍を支持することで、トラカール２３の位置を
Ｏに加える荷重ＦＯを、０（ゼロ）とすることができ
る。

【００２５】一方、Ｌ１／Ｌ２＜０．５すなわち、ＯＧ
間の中点よりＸがＯ側になると、トラカール２３の位置
Ｏに加わる荷重ＦＯは、医療用マニピュレータ１の自重
による荷重がＦＧより大きくなることを示している。し
たがって、トラカール２３の位置Ｏに過大な荷重が加わ
ることになる。この荷重は、患者に対して加わることに
なる。基本的に支える荷重より大きい荷重がトラカール
２３の位置Ｏに加わるということは、支持装置として好
ましくない。

【００２６】支持装置Ｘが最もトラカール２３の位置Ｏ
に近づくのは、最大挿入状態の時である。したがって、
本発明による実施例では、医療用マニピュレータ１の患
者１５０への最大挿入状態においても、医療用マニピュ
レータ１の患者１５０への挿入部（トラカール）２３の
位置Ｏと医療用マニピュレータ１の重心位置Ｇの中間点
より操作指令部２０側に、可撓性部材３による医療用マ
ニピュレータ１の吊り下げ位置Ｘが位置するようにして
いる。これにより、トラカール２３の位置Ｏに、医療用
マニピュレータ１の自重による荷重をＦＧより大きな荷
重が加わることを防止することができる。

【００２７】さらに、重心位置Ｇより、操作指令部２０
側に、可撓性部材３による医療用マニピュレータ１の吊
り下げ位置Ｘが位置するようにすることが望ましい。こ
れにより、トラカール２３の位置Ｏの荷重だけでなく、
可撓性部材３の張力も、医療用マニピュレータ１の自重
による荷重ＦＧより大きな荷重が加わることを防止する
ことができる。

【００２８】もちろん、トラカール２３に生じる反力が
許容できる荷重の範囲内であれば、可撓性部材３によっ
て支持する位置は制限されるものではなく、重心から離
れた位置であっても問題はない。

【００２９】図５、図６は、一定荷重バネ１６ではな
く、カウンタウエイト１９を用いた例を示す。図７は、
一定荷重バネ１６ではなくコイルバネ３１を用いた例を
示す。コイルバネ３１を用いた場合、一定荷重バネに比
べて荷重の変化が大きいが、バネ定数の小さいバネを用
いることで荷重の変化を低減させることが可能である。

【００３０】図８は、医療用マニピュレータ１を可撓性
部材３で直接、吊り下げた状態を示している。この支持
方法では、医療用マニピュレータ１を連結部２１の軸回
りに回転させる場合、可撓性部材３が操作を妨げる場合
がある。より操作性を良くするためには、図１等で示す
ように、医療用マニピュレータ１と可撓性部材３の間に
連結部２１の軸回りに回転自在な部材１８を介して支持
することが望ましい。軸受けなどでしっかり回転自在に
支持してもよいが、単に医療用マニピュレータ１が連結
部２１の軸回りに容易に回転できる構成になっていれば
良い。これにより、可撓性部材３が操作を妨げることを
防ぐことが可能となる。

【００３１】なお、回転自在な部材１８は、連結部２１
の軸回りとほぼ同軸上に回転自在となるように支持され
ていれば、連結部２１にではなく操作部２ｃ近傍に設け
てもよい。

【００３２】図９は、可撓性部材３の動作範囲を規制す
る機構を設けたものである。ストッパ３３ａ，３３ｂの
位置を適宜調整することでドグ３２の移動できる範囲が
変化するため、医療用マニピュレータ１の鉛直方向の動
作範囲を任意に設定することが可能である。

【００３３】医療用マニピュレータ１の詳細の構成例と
手術時のイメージ図を、図１０、図１１に示す。医療用
マニピュレータ１は、操作指令部２０と、一端側が前記
操作指令部２０に接続された連結部２１と、前記連結部
２１の他端側に接続された作業部２２とを備えている。
作業部２２は、２つの回転軸（ヨー軸３４とロール軸３
５）とグリッパ軸３６から構成されている。同様に、操
作指令部２０は、２つの回転軸（ヨー軸３７とロール軸
３８）とグリッパ軸３９から構成されている。術者は、
操作指令部２０を把持し、作業部２２の位置姿勢を操作
する。

【００３４】なお、医療用マニピュレータ１の構成は必
ずしも図１０に示すものと同じである必要はない。

【００３５】図１２は、手術室４０内の手術台４１に、
医療用マニピュレータ１と支持機構２を設置した図であ
る。手術台４１の端部や周囲に固定台４２を設け、支持
機構２を固定している。手術台４１の広範囲にわたって
動作範囲をカバーすることができる。図１３は、移動台
車４４に搭載した図である。必要に応じて医療用マニピ
ュレータシステムを手術台４１の近傍に配置し、使用し
ない時には邪魔にならない位置に保管しておくことが可
能である。

【００３６】図１４、図１５は、回転軸１０１と直動軸
１０４を組み合わせた実施例である。もちろん、直動軸
１０１だけの組み合わせでも良い。

【００３７】図１６は、回転軸１０１と第１アーム１２
で構成した場合である。回転軸１０２と第２アーム１５
をなくすことで、動作に制約が生じるが、十分高い位置
から可撓性部材３を吊り下げることで、その影響を低減
することができる。

【００３８】図１７は、３つの回転軸１０１〜１０３を
組み合わせた実施例である。この場合、カウンタウエイ
ト３３により医療用マニピュレータ１の自重を釣り合い
状態で支持している。図１等に示した先の実施例の場合
は、可撓性部材３が鉛直方向に伸縮する構成となってい
たが、本実施例は、可撓性部材３の長さは一定であって
もよい。したがって、図１８に示すように、可撓性部材
３を極力短くすることも可能である。可撓性部材３を短
くすることで、操作者の操作力が直接的に支持機構２に
加わるため、支持機構２と医療用マニピュレータ１の水
平面内の位置のずれを最小限にすることが可能である。
図１９、図２０は、回転軸ないし直動軸を組み合わせた
他の例である。

【００３９】図２１〜図２４は、本発明の第２の実施の
形態による医療用マニピュレータシステムの構成を示す
斜視図である。支持機構２を手術室天井面４２に設置
し、可撓性部材３の上端を手術室４２の天井近傍に設け
ている。支持装置２の構成は、基本的には、図１等に示
した先の実施例と同様である。直動軸と回転軸の組み合
わせにより構成されている。図２４は双腕とした場合で
ある。支持機構２を手術室４２の天井面４２に設置し、
可撓性部材３の上端を手術室４２の天井近傍に設けるこ
とで、手術台４１の周囲に支持機構２がなくなり、手術
に十分なスペースを確保できる。

【００４０】また、医療用マニピュレータ１と可撓性部
材３を容易に着脱可能にすることにより、必要に応じ
て、可撓性部材３の下端に医療用マニピュレータ１を取
り付けたりはずしたりすることで、手術に応じた医療用
マニピュレータ１に適宜交換して使用することが可能で
ある。着脱は可撓性部材３の部分のみあるいは回転自在
な部材１８を含めて着脱しても良い。

【００４１】以上説明したように、本発明の実施の形態
によれば、極座標系の機構で支持した場合の連結支持部
２４（図２６参照）を無くすることができるため、連結
部２１の挿入方向の動作範囲を十分広く取ることが可能
になる。また、支持機構２を少ない機構要素で構成でき
るため、軽量コンパクトで、操作性に優れた支持装置か
ら構成される医療用マニピュレータシステムを提供する
ことが可能になる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、動作範囲が広く機構が単純であり、軽量で操作性
に優れた医療用マニピュレータシステムを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による医療用マニピ
ュレータシステムを示す概略斜視図。

【図２】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜
視図。

【図３】医療用マニピュレータの支持位置と荷重の関係
を示す図。

【図４】医療用マニピュレータの支持位置と荷重の関係
を示すグラフ。

【図５】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜
視図。

【図６】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜
視図。

【図７】医療用マニピュレータのコイルバネによる支持
方法の例を示す図。

【図８】医療用マニピュレータの吊り下げ部の例を示す
図。

【図９】可撓性部材の動作制限方法の例を示す図。

【図１０】医療用マニピュレータの概略斜視図。

【図１１】医療用マニピュレータシステムの手術時のイ
メージ図。

【図１２】医療用マニピュレータシステムを手術台に設
置したことを示す図。

【図１３】医療用マニピュレータシステムを台車に設置
したことを示す図。

【図１４】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略
斜視図。

【図１５】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略
斜視図。

【図１６】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略
斜視図。

【図１７】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略
斜視図。

【図１８】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略
斜視図。

【図１９】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略
斜視図。

【図２０】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略
斜視図。

【図２１】本発明の第２の実施の形態による医療用マニ
ピュレータシステムを示す概略斜視図。

【図２２】本発明の第２の実施形態による医療用マニピ
ュレータシステムを示す概略斜視図。

【図２３】本発明の第２の実施形態による医療用マニピ
ュレータシステムを示す概略斜視図。

【図２４】本発明の第２の実施形態による医療用マニピ
ュレータシステムを示す概略斜視図。

【図２５】従来の腹腔鏡手術の様子を示す図。

【図２６】本発明者らがすでに提案している医療用マニ
ピュレータシステムを示す図。

【図２７】従来の支持機構を示す図。

【図２８】従来の支持機構を示す図。

【図２９】従来の支持機構を示す図。

【符号の説明】

１医療マニピュレータ２支持機構３可撓性部材１２第１アーム１４第２アーム１６一定荷重バネ１９カウンタウエイト２０操作指令部２１連結部２２作業部２３不動点、トラカール２４支持連結部３１コイルバネ１５０患者１６０医師

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3C007 AS35 BS29 BS30 CY22 CY23 XF03 4C060 GG22 GG24 GG40 MM24 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】医療用マニピュレータとこの医療用マニピ
ュレータを支持する支持機構とを備える医療用マニピュ
レータシステムであって、前記医療用マニピュレータは、操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続された作業部とを備え、前記支持機構は、前記医療用マニピュレータの３次元位置が変化した状態
においても張力が概ね一定に保たれるように前記医療用
マニピュレータをその所定位置で吊り下げ支持する可撓
性部材を有することを特徴とする医療用マニピュレータ
システム。
【請求項２】前記所定位置は、前記医療用マニピュレー
タの患者への最大挿入状態において、前記医療用マニピ
ュレータの患者への挿入部の位置と前記医療用マニピュ
レータの重心位置との間の中間点より前記操作指令部側
の位置であることを特徴とする請求項１記載の医療用マ
ニピュレータシステム。
【請求項３】前記医療用マニピュレータは、前記連結部
の軸回りに回転自在な部材を介して前記可撓性部材に吊
り下げ支持されていることを特徴とする請求項１に記載
の医療用マニピュレータシステム。
【請求項４】前記支持機構を手術室天井面に設置し、前
記可撓性部材の上端を手術室天井近傍に設けたことを特
徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータシステ
ム。
【請求項５】前記医療用マニピュレータと前記可撓性部
材を着脱可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の
医療用マニピュレータシステム。