JP2003061969A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 動力伝達にワイヤを用いて、処置部の姿勢変
更と開閉動作が行える作業部の構造を簡素化して、低コ
ストで組立性とメンテナンス性に優れる医療用マニピュ
レータを提供する。 【解決手段】 処置部を２自由度以上に姿勢変更可能に
支持する支持部１２、１３とを有する作業部３と、姿勢
操作部２１からの操作指令を支持部１２、１３に送って
処置部１１の姿勢を変更させるとともに、処置操作部２
２からの操作指令を処置部１１に送って処置部１１を作
動させる作動制御部４０と、作動制御部４０からの動力
をワイヤＴ２で作業部３に伝える伝達部Ｄ１とを有する
マニピュレータにおいて、伝達部Ｄ１を中央断面が同一
平面内に設置された２つのプーリ５１、５３と、作業部
３の姿勢変更の基点と同軸上Ｂで、プーリ５１、５３の
中央断面と同一平面内に設置されたワイヤ案内部材５２
とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マニピュレータに
係わり、特に腹腔鏡下手術等に用いられる医療用マニピ
ュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】腹腔鏡下手術は患者の腹部に小さな穴を
複数個あけて、それにトラカールという細い筒を取り付
けて、内視鏡や鉗子等を挿入して、術者が内視鏡からの
映像をテレビに映し、その画面を見ながら手術を行って
いる。このような手術法は、開腹を必要としないため、
患者への負担が少なく、術後の回復も早く、入院日数が
大幅に低減されている。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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】腹腔鏡下手術は、患者
への負担が少ないという点で優れた手術方法であるが、
術者が術部の実像を見られないという問題、また、鉗子
には開閉するグリッパ等の機能しかなく操作性がよくな
いという問題点がある。そのため、前述の手術方法で適
切な処置により腹腔鏡下手術を行える術者は熟練した技
術を身につけた医師に限定されていた。

【０００４】このような課題に対して、マスタースレー
ブマニピュレータ等の遠隔操作型ロボット技術を医療分
野へ応用することが研究されている。遠隔操作型ロボッ
ト技術は、術者が操作するマスターアームと、実際に術
部に処置を施すスレーブアームとが、完全に分離したロ
ボットシステムであり、マスターアームの指令値が電気
信号等としてスレーブアームに伝わるものである。

【０００５】通常、マスターアームとスレーブアームと
は、ともに６自由度以上の関節数を有しており、それぞ
れの自由度に対応してコントローラが設けられており、
電気的に多数の制御系、部品、配線を有する複雑なシス
テムとなっている。複雑なシステムのため、マスタース
レーブマニピュレータシステムの操作に関する信頼性は
高いレベルになく、メンテナンス費用が高価である。ま
た、術者は処置に適切な処置部を複数使用して手術を行
うことから、処置部の機能が異なるスレーブアームが複
数必要になる。そのためスレーブアームが非常に高価な
ものになり、さらに複数のスレーブアームのメンテナン
スにも手間がかかるという問題がある。

【０００６】一方、スレーブアームは細径である必要が
あり、その動力伝達にはワイヤとプーリを用いた方式が
主であり、動力源から先端の駆動部までワイヤを連結さ
せなければならず、姿勢が変化してもワイヤの張力が変
化しないようにプーリに巻き付けながらワイヤを複雑に
引き回している。複雑に配置されることでそこに使用さ
れるプーリ幅は、ワイヤが巻き付く幅以上にすることが
必須であり、プーリ幅を小さくすることが困難あった。
また、ワイヤをプーリに巻き付け回数が多くなると、ワ
イヤメンテナンスは細径であることから、作業に時間が
かかるとともに専門的技術を要求される作業となり、シ
ステムが高価なものになっていた。

【０００７】本発明は、このような点を考慮してなされ
たものであり、機構を単純化して組立性とメンテナンス
性を向上させ、高信頼性のマニピュレータを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、姿勢操作部と処置操作部とを有する操作
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処置部と前記処置部
を２自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有
する作業部と、前記姿勢操作部からの操作指令を前記支
持部に送って前記処置部の姿勢を変更させるとともに、
前記処置操作部からの操作指令を前記処置部に送って前
記処置部を作動させる作動制御部と、前記作動制御部か
らの動力を前記作業部に伝える伝達部とを備え、前記伝
達部は、前記作動制御部から動力を受けるための第１プ
ーリと、前記作業部に動力を伝達するための第２プーリ
と、前記第１プーリと前記第２プーリとの間に掛け渡さ
れたワイヤと、前記第１プーリから前記ワイヤを掛け渡
され前記第２プーリへ前記ワイヤを案内するワイヤ案内
部材と、を有し、前記ワイヤ案内部材の中心部は、前記
作業部の姿勢を変更するときの基準となる基準軸のほぼ
軸線上に配設されていることを特徴とする。

【０００９】また、前記ワイヤ案内部材は、前記第１プ
ーリから掛け渡された前記ワイヤをほぼ前記第２プーリ
の周上で交差させて前記第２プーリへ案内することを特
徴とする。

【００１０】また、前記ワイヤ案内部材は、前記基準軸
を中心に回転自在に支持された円筒形状部材から構成さ
れていることを特徴とする。

【００１１】また、前記ワイヤ案内部材は、前記基準軸
を中心に、放射状に配置された複数の円筒部材で構成さ
れていることを特徴とする。

【００１２】上述の発明において、ワイヤ案内部材の中
心部が作業部の姿勢を変更するときの基準となる基準軸
のほぼ軸線上に配設されているので、ワイヤ案内部材の
中心部が基準軸に位置したまま、第１プーリが作動制御
部から受けた動力をワイヤを介して第２プーリへ伝達さ
せることができ、伝達部のワイヤ案内部材を小形化する
ことができ、作業部の構造が簡素になり、組立性とメン
テナンス性に優れるマニピュレータを実現することがで
きる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。

【００１４】図１は、医療用マニピュレータの全体概略
構成を示す図である。医療用マニピュレータ１は、操作
指令部２と作業部３とに接続された連結部４とを備えて
いる。術者は、患者の腹部に取り付けたトラカール５に
医療マニピュレータ１を挿入して、操作指令部２を操作
して手術を行う。作業部３は術部に処置を施す処置部と
してのグリッパ１１と、グリッパ１１を２自由度で姿勢
変更可能に支持するＡ軸支持部１２、Ｂ軸支持部１３と
を有している。グリッパ１１は開閉動作する構成になっ
ている。Ａ軸支持部１２は、グリッパ１１の開閉軸部を
支持するともにＡ軸周りにグリッパ１１全体を回転する
構成になっている。Ｂ軸支持部１３は、Ａ軸支持部１２
の全体を支持するとともに、Ｂ軸周りにＡ軸支持部１２
を回転するようになっている。

【００１５】操作指令部２は、姿勢操作部としてのハン
ドル２１と処置操作部としての指操作部２２を有してい
る。指操作部２２はハンドル２１を握る手の指で操作さ
れる２つの指操作部２２ａ、２２ｂを有している。指操
作部２２ａ、２２ｂは指の動きにあうように回転する構
成になっている。指操作部２２ａ、２２ｂには、開閉の
移動量を検出するセンサ（図示せず）が設けられてい
る。ハンドル２１は連結部４側に配置される台座部２５
に固定されており、指操作部２２を、２自由度で姿勢変
更させるＣ軸回転部２３、Ｄ軸回転部２４とを有してい
る。Ｃ軸回転部２３は、指操作部２２の開閉軸部を支持
するともにＣ軸周りに指操作部２２全体を回転する構成
になっている。Ｄ軸回転部２４は、Ｃ軸回転部２３の全
体を支持するとともに、Ｄ軸周りにＣ軸回転部２３を回
転するようになっている。更に、操作指令部２で、医療
用マニピュレータ１をＥ軸周りに回転させることが可能
であり、作業部３の姿勢を自由に変えることが可能とな
る。

【００１６】図示しないがＣ軸回転部２３と、Ｄ軸回転
部２４には回転角センサが備えられている。指操作部２
２ａ、２２ｂの開閉による当該センサ値を、グリッパ１
１ａ、１１ｂの開閉動作に対応させている。同様に、Ｃ
軸回転部２３のセンサ値をＡ軸の回転角度に、Ｄ軸回転
部２４のセンサ値をＢ軸の回転角度にそれぞれ対応させ
ている。

【００１７】また、本実施の形態では、連結部４と台座
部２５との間に駆動部３０を設けている。駆動部３０は
前述の各軸センサからの検出信号に基づいて、対応する
駆動部３１、３２、３３から動力を作業部３のグリッパ
１１、Ａ軸支持部１２、Ｂ軸支持部１３に伝達する構造
になっている。

【００１８】図２は本発明の医療用マニピュレータ１の
駆動部３０から作業部３への動力伝達系統図を、図３は
作業部３の概略断面図を示したものである。作業部３の
グリッパ１１ａは、駆動部３２のモータＭ２の動力で駆
動される。モータＭ２の動力は、プーリ５１とワイヤＴ
２とワイヤ案内部材５２とプーリ５３からなる伝達部Ｄ
１でプーリ５３に回転動力を伝える。ワイヤＴ２は連結
部４の軸心と垂直なＮ軸周りに回転して、ワイヤ案内部
材５２を介して、プーリ５３を回転させる。プーリ５３
には、同じ軸心上に歯車５３ａが設けられている。そし
て、歯車５３ａは、グリッパ１１ａが取り付けられてい
る歯車５４と噛み合っており、歯車５４をＡ軸周りに回
転させて、グリッパ１１ａをＡ軸周りに回転させる。同
様に、作業部３のグリッパ１１ｂも駆動部３３のモータ
Ｍ３によって駆動される。モータ３３の回転動力は、伝
達部Ｄ２（プーリ５５、ワイヤＴ３、ワイヤ案内部材５
６、プーリ５７）で、歯車５７ａへ伝えられ、グリッパ
１１ｂが取り付けられている歯車５８をＡ軸周りに回転
させて、グリッパ１１ｂの回転を実現させている。グリ
ッパ１１ａとグリッパ１１ｂは、Ａ軸周りに回転可能に
構成されていることから、グリッパ１１ａとグリッパ１
１ｂを共に同じ方向に回転させることで、グリッパ１１
のＡ軸周りの回転が実現できる。グリッパ１１ａとグリ
ッパ１１ｂの回転方向を逆にすることで、グリッパ１１
の開閉が実現できる。歯車５３ａと歯車５４、歯車５７
ａと歯車５８は回転軸が直交するために使用できる歯車
形態は、平歯車とフェースギヤで組み合わせたものか、
あるいは、かさ歯車とかさ歯車で組み合わせたものの２
つに限定される。しかしながら、本発明の医療用マニピ
ュレータ１は、処置部３の外径を１２ｍｍ以下にするこ
とが必須であることから、歯車形態は平歯車とフェース
ギヤを用いている。更に、フェースギヤは軸方向を調整
することでバックラッシュを調整できる機構であるた
め、作業部３の精密な位置決めを行うための医療用マニ
ピュレータ１には最適な組み合わせである言える。

【００１９】Ａ軸支持部１２は、Ａ軸周り、Ｂ軸周り回
転の２軸の自由度を持ち、Ｂ軸周りの回転は、駆動部３
１のモータＭ１によって駆動される。モータＭ１の回転
動力は、プーリ４１、ワイヤＴ１、プーリ４２へ伝えら
れる。このプーリ４２とＡ軸支持部１２を連結させるこ
とで、Ａ軸支持部１２のＢ軸周りの回転を可能にしてい
る。Ｂ軸周りの回転を可能にする部材の配置は、図２に
限定されるものでは無く、ワイヤＴ２とワイヤＴ３の間
に配置することも可能である。

【００２０】作業部３のＢ軸周りの回転は、図３に示す
ようになり、その一例が示されている。図３の（１）の
状態で、プーリ５５がワイヤＴ３ａに張力が作用するよ
うに回転した場合、プーリ５７は回転（自転）しなが
ら、Ｂ点を中心に公転し、図３（２）のようになる。プ
ーリ５５に接続されているワイヤＴ３がワイヤ案内部材
５６を介してプーリ５７に接続させる際に、ワイヤ案内
部材５６とプーリ５７の間でワイヤＴ３を交差させるこ
とで、プーリ５７が回転しても、ワイヤＴ３ａ側の位置
の変化が小さく、かつ、コンパクトな構成で２自由度の
動作が実現できる。

【００２１】従来の方式は、図５に示すような構成のも
のがほとんどである。グリッパ８５を、Ｔ軸周りとＳ軸
周りに回転させる機構において、モータ８１の動力を駆
動プーリ８２に伝える。駆動プーリ８２に接続されたワ
イヤＣ１、Ｃ２は、Ｓ軸上にあるワイヤ案内部材８３に
巻き付けられて、Ｔ軸上にあるプーリ８４に接続されて
いる。プーリ８２の回転はガイドワイヤ８３を介してプ
ーリ８４に伝達させて、グリッパ８４の回転を実現させ
ている。先端部８６がＳ軸周りに回転しても、ワイヤＣ
１、Ｃ２の位置には変化が生じにくい。ワイヤＣ１、Ｃ
２の挿通位置は、先端部８６のＳ軸周りの回転には関係
なく、常に一定である。しかしながら、Ｔ軸回りの回転
とＳ軸回りの回転を独立にするためにワイヤ案内部材８
３に２回転以上巻き付けなければならず、ワイヤ案内部
材８３の軸方向の長さ（図５における上下方向のプーリ
幅）を短くすることが困難である。上記の例ではプーリ
幅はワイヤ直径の４倍以上は必要となり、細径構造が要
求される医療用マニピュレータ１への適用が困難であ
る。

【００２２】これに対して、本発明の実施の形態では、
ワイヤ案内部材５２，５６は回転動力を伝えるためのプ
ーリ（従車プーリ）５３，５７ヘワィヤを導くためのガ
イド機能をもったものであることから、プーリ幅をワイ
ヤ直径とほぼ同じにできる。よって、ワイヤ案内部材５
２，５６を薄くでき、結果的に２自由度の動作が可能な
コンパクトな処置部３を提供できる。

【００２３】更に、ワイヤ案内部材５６の位置を従動プ
ーリ５７の近傍に設けることで、ワイヤＴ３の配設位置
を規制するためのガイド機構も必要なく、従来例と同じ
ように、ワイヤＴ３の配設位置が常に一致に保たれてい
る。このことは、ワイヤＴ３に作用している張力が常に
一定であることと等価であり、ワイヤによる動力伝達方
式の条件が満たされている。構造的にも、Ｂ軸上に、プ
ーリ４２、ワイヤ案内部材５２、５６を設けることがで
き、構造が簡素になり、組立性、メンテナンス性に優れ
たものとなる。

【００２４】次に、ワイヤ案内部材の他の実施形態を図
４に示す。駆動部３３からの動力を処置部３のプーリ６
１に伝えるワイヤＴ３のガイドに、細いピン形状のワイ
ヤ案内部材６２、６３を用いる。ワイヤＴ３が交差する
点の位置Ｘが、ほぼＢ点を中心とする円周上に位置する
ようにワイヤ案内部材６２、６３を配置することで、Ｂ
軸支持部１３と一体化して製作することができ、部品点
数が削減されて、メンテナンスは簡素となる。ここで、
細いピン形状のワイヤ案内部材は、２本に限定されるも
のではなく、複数本配置されていても、かまわない。

【００２５】以上のように、本発明の実施の形態によれ
ば、作業部３を駆動するためのワイヤの配設方法とワイ
ヤ案内部材の配置を工夫することで、ワイヤＴ２，Ｔ３
の引き回しが低減でき、作業部３の構造が簡素化し、組
立性とメンテナンス性を大幅に向上させることができ
る。

【００２６】また、作業部３の細径化も可能となり、小
形、軽量の医療用マニピュレータを提供することが可能
となる。

【００２７】更に、ワイヤ案内部材６２，６３をＢ軸支
持部１３と一体化することも可能であり、部品点数の削
減や組立工数の低減は、医療用マニピュレータの信頼
性、安全性に寄与する部分が多く、その面からも効果も
ある。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
伝達部のワイヤ案内部材を小形化することができ、作業
部の構造が簡素になり、組立性とメンテナンス性に優れ
るマニピュレータを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す全体構成図。

【図２】本発明の実施の形態を示す動力伝達系統図。

【図３】本発明による作業部の概略断面図。

【図４】本発明によるワイヤ案内部材の別の実施の形態
を示す概略図。

【図５】従来のワイヤ伝達機構を示す概略図。

【符号の説明】

１ 医療マニピュレータ ２ 操作指令部 ３ 作業部 ４ 連結部 １１ａ、１１ｂ 処置部 １２、１３ 支持部 ２１ ハンドル ２２ 指操作部 ３０ 駆動部 ４１、４２、５１、５３、５５、５７ プーリ ５４、５８ 歯車 ５３ａ、５７ａ 歯車 ５２、５６、６２、６３ ワイヤ案内部材 Ｄ１、Ｄ２ 伝達部 Ｍ１〜Ｍ３ モータ Ｔ１〜Ｔ３ ワイヤ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】姿勢操作部と処置操作部とを有する操作指
   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処置部と前記処置部を２
   自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部とを有する
   作業部と、 前記姿勢操作部からの操作指令を前記支持部に送って前
   記処置部の姿勢を変更させるとともに、前記処置操作部
   からの操作指令を前記処置部に送って前記処置部を作動
   させる作動制御部と、 前記作動制御部からの動力を前記作業部に伝える伝達部
   とを備え、 前記伝達部は、 前記作動制御部から動力を受けるための第１プーリと、 前記作業部に動力を伝達するための第２プーリと、 前記第１プーリと前記第２プーリとの間に掛け渡された
   ワイヤと、 前記第１プーリから前記ワイヤを掛け渡され前記第２プ
   ーリへ前記ワイヤを案内するワイヤ案内部材と、を有
   し、 前記ワイヤ案内部材の中心部は、前記作業部の姿勢を変
   更するときの基準となる基準軸のほぼ軸線上に配設され
   ていることを特徴とするマニピュレータ。
2. 【請求項２】前記ワイヤ案内部材は、前記第１プーリか
   ら掛け渡された前記ワイヤをほぼ前記第２プーリの周上
   で交差させて前記第２プーリへ案内することを特徴とす
   る請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 【請求項３】前記ワイヤ案内部材は、前記基準軸を中心
   に回転自在に支持された円筒形状部材から構成されてい
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載のマニピュレ
   ータ。
4. 【請求項４】前記ワイヤ案内部材は、前記基準軸を中心
   に、放射状に配置された複数の円筒部材で構成されてい
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載のマニピュレ
   ータ。