JP2004337994A

JP2004337994A - マニピュレータおよび回転関節機構

Info

Publication number: JP2004337994A
Application number: JP2003134061A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Kishi; 宏亮岸; Fujio Tajima; 不二夫田島; Kazutoshi Suga; 和俊菅
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】回転関節機構を備えたマニピュレータにおいて、小型で操作性が良好なものとする。
【解決手段】マニピュレータ１は、複数の関節機構１０、２０を有するアーム５０と、アーム５０内を導かれる複数のワイヤ４１０〜４４０とを備える。複数の関節機構の先端側関節機構には回転関節機構１０が用いられている。回転関節機構１０を構成する支持側リンク３２０およびその先端側リンク１２０には、それぞれにワイヤ４１０〜４４０を支持する複数のワイヤ案内ガイド１３１〜１３４、３３１〜３３４が設けられている。回転関節機構１０のそれぞれのワイヤ案内ガイド１３１〜１３４、３３１〜３３４は関節軸中心に対して円周上に配置されている。回転関節機構１０は先端側リンク１２０を支持側リンク３２０に対して回転可能にかつ関節軸方向に移動可能となっている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレータおよび回転関節機構に係り、特にワイヤを用いて術具などを駆動する医療用マニピュレータおよびそれに適用する回転関節機構に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
先端部に位置する術具を操作する医療用マニピュレータでは、小型で複数の自由度を有することが求められるため、駆動部であるアクチュエータから複数のワイヤを介して先端部にある術具へ駆動力を伝達するようにしている。このような術具の操作にワイヤを用いるマニピュレータでは、ある関節の角度を変化させると、ワイヤの経路の長さが変化し、お互いのワイヤの動きに影響を及ぼしあい、動きに不具合が生じるおそれがあった。
【０００３】
そこで、従来の医療用マニピュレータとして、特開平７−３２８０２４号公報（特許文献１）や特開平８−２２４２４１号公報（特許文献２）に記載されているものが案出されている。
【０００４】
特許文献１に記載された医療用マニピュレータでは、術具である処置具をマニピュレータの延びる方向の軸心に対して回転させる時に、処置具を駆動する駆動部ごと回転させることにより、ワイヤがねじれるのを防ぐようにしている。
【０００５】
また、特許文献２の医療用マニピュレータでは、術具である処置具からアクチュエータが配置された駆動部までの長い直線的な挿入部を用意し、挿入部をマニピュレータの延びる方向の軸心に対して回転させる時に、処置具駆動用のワイヤを長い挿入部内でのねじれ状態とすることによりワイヤ経路の長さの変化を無視できるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−３２８０２４号公報
【特許文献２】
特開平８−２２４２４１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１では、処置具を駆動する駆動部ごと回転させるものであり、駆動部から術具までの間に複数の自由度を持たせるための関節を設けることが難しく、術具の操作性に問題が生ずるおそれがあった。
【０００８】
また、特許文献２では、処置具から駆動部までの長い直線的な挿入部を用意して挿入部を回転させるものであるため、処置具から駆動部までが一般に長くなってしまうと共に、その長い部分を回転させることによる術具の操作性の低下を招くという課題を有していた。
【０００９】
本発明の目的は、小型で操作性が良好なマニピュレータおよび回転関節機構を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のマニピュレータでは、複数の関節機構と、前記複数の関節機構内を導かれる複数のワイヤとを備え、前記複数の関節機構の先端側関節機構に回転関節機構を用い、前記回転関節機構の支持側リンクおよびその先端側リンクのそれぞれに前記ワイヤを支持する複数のワイヤ案内ガイドを設け、前記回転関節機構のそれぞれのワイヤ案内ガイドは関節軸心を中心とする円周上に配置され、前記回転関節機構は前記先端側リンクを前記支持側リンクに対して回転可能にかつ関節軸方向に移動可能としたものである。
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の回転関節機構では、複数の関節機構と前記複数の関節機構内を導かれる複数のワイヤとを備えるマニピュレータの先端側関節機構に用いられる回転関節機構において、支持側リンクおよび先端側リンクのそれぞれに前記ワイヤを支持する複数のワイヤ案内ガイドを設け、前記支持側リンクおよび前記先端側リンクのそれぞれのワイヤ案内ガイドを関節軸心を中心とする円周上に配置し、前記先端側リンクを前記支持側リンクに対して回転可能にかつ関節軸方向に移動可能としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例を、図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。本発明は、各実施例に開示した形態に限られるものではなく、公知技術に基づく変更を許容するものである。
【００１３】
まず、本発明の第１実施例のマニピュレータを図１から図４を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例のマニピュレータの構成を示す斜視図、図２は図１のマニピュレータの要部構成を示す斜視図、図３は図２の回転関節機構の動作説明図、図４は図２の状態から１８０度回転した状態の回転関節機構の拡大図である。
【００１４】
図１に示すように、マニピュレータ１は、術具２、アーム５０および本体５６０を備えて構成されている。本実施例のマニピュレータ１は医療用マニピュレータである。
【００１５】
アーム５０は、回転関節機構１０、２０、駆動部５４０を備えて構成されている。駆動部５４０は、術具２および回転関節機構１０を駆動するためのアクチュエータ７１０〜７３０（図２参照）が収納されている。そして、アーム５０は、マニピュレータ本体５６０に設置されたジンバル機構５５０と、マニピュレータ本体５６０から伸ばされた保持アーム５７０が有するジンバル機構５３０とを介してマニピュレータ本体５６０に支持されている。マニピュレータ本体５６０は、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８の方向へジンバル機構５５０を動作させることが可能である。
【００１６】
ジンバル機構５５０が動作することによって、アーム５０はジンバル機構５７０を支点にして、アーム５０先端の回転関節機構１０を動作させることができる。このとき、Ｄ６方向は、ジンバル機構５５０と回転関節機構１０とで同方向に動作する。Ｄ７、Ｄ８方向については、ジンバル部５３０を中心に、ジンバル部５５０と回転関節機構１０とで逆方向に動作する。リンク５２０はＤ５方向の回転が可能であり、回転関節機構１０はリンク５２０に対してＤ４方向の首振り動作が可能である。
【００１７】
回転関節機構１０はＤ３方向に回転可能であり、術具ブレード１０５、１１０は回転関節機構１０と共に回転可能で且つアーム５０内を経由して導かれたワイヤ４１０〜４４０により、Ｄ１、Ｄ２方向に動くことができる。
【００１８】
医療現場において、これらＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８方向の動作を用いて、複雑な治療動作を実現することが可能となる。また、マニピュレータ１は、車輪５９０により移動可能で、医療現場において自由に配置できる。なお、本発明は、異なる方向の自由度が連続する構造だけでなく、同じ方向の自由度が連続する構造であっても同様の効果を得ることができる。
【００１９】
図２に示すように、術具２は、マニピュレータ１の先端部に位置して操作具を構成するものであり、術具プレード１０５および術具プレード１１０を備えて構成されている。術具プレード１０５および術具プレード１１０は、ピン１１５を介してリンク１２０に回動可能に保持され、ワイヤ４１０〜４４０の駆動により開閉駆動されるものであり、患者の患部の切開を行うことなどに用いられる。術具２としては、術具プレード１０５および術具プレード１１０以外の術具を用いることが可能である。
【００２０】
アーム５０は、駆動部５４０の駆動力を用いて術具２を所定位置に移動すると共に術具２を操作する機能を有している。そして、アーム５０は、複数の関節機構１０、２０と、関節機構１０、２０内を導かれる複数のワイヤ４１０〜４６０とを備えて構成されている。関節機構２０はリンク３２０、関節５１０及びリンク５２０により構成されている。なお、本発明の関節機構において、術具２側を先端側、その反対側（本体側）を支持側と定義して説明する。
【００２１】
駆動部５４０は複数のアクチュエータ７１０〜７３０を備えて構成されている。アクチュエータ７１０は、ワイヤ４１０、４３０を往復動するように駆動し、術具プレード１０５を操作するものである。アクチュエータ７２０は、ワイヤ４２０、４４０を往復動するように駆動し、術具プレード１１０を駆動するものである。アクチュエータ７３０は、ワイヤ４６０を往復動するように駆動し、リンク１２０を回転させるためにプーリ２４０を駆動するものである。
【００２２】
回転関節機構１０は、アーム５０の複数の関節機構における先端側に設けられた関節機構であり、アーム５０が延びる軸心に対して回転可能な回転関節で構成されている。回転関節機構１０は、本実施例では最先端側の術具２を装備した回転関節機構であるが、回転関節機構１０より更に先端側に関節機構がある場合にも適用可能である。
【００２３】
そして、回転関節機構１０は、関節５１０に連結された円筒状のリンク３２０と、このリンク３２０に対して回転可能にかつリンク３２０の軸方向に移動可能に嵌合された円筒状のリンク１２０とを備えて構成されている。回転関節機構１０において、関節機構の軸心および軸方向と、リンク３２０およびリンク１２０の軸心および軸方向とは同一である。なお、リンク３２０は支持部側リンクを構成し、リンク１２０は先端側リンクを構成する。
【００２４】
術具ブレード１０５を駆動するためのワイヤ４１０、４３０は、リンク１２０に配置されたワイヤ案内ガイド１３１、１３３を通って、リンク３２０内部に配置されたワイヤ案内ガイド３３１、３３３に導かれ、ワイヤ案内ガイド３３１、３３３を通って、さらに関節５１０、リンク５２０を経由して、駆動部５４０内のアクチュエータ７１０に導かれている。
【００２５】
術具ブレード１１０を駆動するためのワイヤ４２０、４４０は、リンク１２０に配置されたワイヤ案内ガイド１３２、１３４を通って、リンク３２０内部に配置されたワイヤ案内ガイド３３２、３３４に導かれ、ワイヤ案内ガイド３３２、３３４を通って、さらに関節機構５１０、リンク５２０を経由して、駆動部５４０内のアクチュエータ７２０に導かれている。
【００２６】
ワイヤ案内ガイド１３１〜１３４は、リンク１２０の内部に一体または別体に設けられ、リンク１２０の軸心（回転軸心）を中心とした円の円周上に配置されている。ワイヤ案内ガイド３３１〜３３４は、リンク３２０の内部に一体または別体に設けられ、リンク３２０の軸心を中心とした円の円周上に配置されている。ワイヤ案内ガイド１３１〜１３４とワイヤ案内ガイド３３１〜３３４とは、同一円で同一位置に対応して配置されている。
【００２７】
ワイヤ４６０は、リンク１２０の内部に配置されたプーリ２４０から関節５１０、リンク５２０を経由して、ベース５４０内のアクチュエータ７３０のプーリに導かれている。プーリ２４０は、リンク１２０に回転可能に支持されたピン２３５を介して、リンク１２０の外部に配置されたプーリ２３０と連結されている。従って、プーリ２３０は、ピン２３５を共通の軸としているプーリ２４０が回転することにより、一緒に回転される。
【００２８】
プーリ２３０とプーリ２２０とはワイヤ４５０により閉ループを作って構成されている。従って、プーリ２２０は、プーリ２３０が回転することにより、一緒に回転される。プーリ２２０は、支持部３１０に回転可能に支持されたピン２１５を介して、リンク１２０の溝１６０内に配置された歯車２１０と連結されている。従って、歯車２１０は、ピン２１５を共通の軸としているプーリ２２０が回転することにより、一緒に回転される。支持部３１０は、リンク３２０の端部から先端側に突出して形成されている。
【００２９】
リンク１２０の外周部には溝１６０が形成されている。溝１６０は、リンク３２０の端部に近い位置で支持部３１０に対向して形成されている。また、溝１６０は軸心に垂直な面に対して角度を有して全周にわたって形成されている。溝１６０の側壁面には、歯を刻むことによってラック１５０、１５５が形成されている。歯車２００は、歯車２１０と噛み合うと共にラック１５０とも噛み合うように溝１６０内に配置され、ピン２０５を介して支持部３１０に回転可能に支持されている。また、歯車２１０はラック１５５と噛み合うように配置されている。
【００３０】
上述した構成により、アクチュエータ７３０を動かすことにより、プーリ２４０、２３０、２２０、歯車２１０、２０５を回転させ、ラック１５０、１５５を通してリンク１２０を回転および軸方向に移動させることができる。なお、本実施例では、ラック１５０、１５５と歯車２００、２１５との歯車による噛み合わせによりリンク１２０を駆動するようにしているが、すべりのない転がり接触を用いて駆動するようにしてもよい。
【００３１】
回転関節機構１０の回転軸中心に垂直な面に対して角度を持って溝１６０を形づくっている理由を説明する。図３はリンク１２０が回転関節機構１０の回転軸中心に垂直な面で回転する場合における一本の駆動ワイヤ４３０の動きを示す模式図である。具体的には、図３はリンク３２０のワイヤ案内ガイド３３３およびリンク１２０のワイヤ案内ガイド１３３が同一の半径ｒの円周上に配置されており、ワイヤ案内ガイド１３３がθ度回転した時のワイヤ案内ガイド間を導かれたワイヤ４３０の経路を示したものである。
【００３２】
ワイヤ案内ガイド３３３、１３３間の距離をｈ、ワイヤ４３０の経路長をＬとした時、ワイヤ４３０の経路長Ｌは、次の数１式で表せる。
【００３３】
【数１】

このワイヤ４３０の経路長Ｌが、どんなθの値になっても、距離ｈと同じ長さになれば、ワイヤ４３０の経路長Ｌの変化はおきないことになる。よって、関節回転角θ時のワイヤ案内ガイド間距離Ｌをｈ（θ）として、次の数２式となるようなリンク３２０とリンク１２０のワイヤ案内ガイド３３３、１３３間距離を実現するように、溝１６０を形づくる。
【００３４】
【数２】

このように溝１６０を形づくることにより、ワイヤ案内ガイド３３１と１３１、３３２と１３２、３３３と１３３、３３４と１３４の間をそれぞれ通っているワイヤ４１０、４２０、４３０、４４０の長さを変えないように、リンク１２０がリンク３２０に対し回転しながらリンク３２０に近づくことができる。なお、図４はリンク１２０を図１の状態から９０度回転させた状態である。
【００３５】
次に、本発明の第２実施例のマニピュレータを、図５を用いて説明する。図５は本発明の第２実施例のマニピュレータの関節機構部の斜視図である。なお、図５ではワイヤなどを省略して示す。この第２実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００３６】
この第２実施例は、カム機構を用いてリンク１２０ｂを回転および軸方向に移動させる例である。支持側のリンク３２０ｂ内には、プーリ２２０と軸を同じくする転がり部材２１０ｂが取り付けられている。また、リンク３２０ｂには、カムフォロア２５０が取り付けられている。リンク１２０ｂには、リンク１２０につけた溝１６０と同様に、リンク１２０ｂが回転してもワイヤ案内ガイド間距離を変化させないように、溝１７０および転がり面１８０が形づくられている。リンク１２０ｂの端面１８０に対し、転がり部材２１０ｂは、すべりのない転がり接触を行う。
【００３７】
プーリ２２０を回転させることにより、転がり部材２１０ｂは、転がり面１８０に対しすべりなく転がる。転がり部材２１０ｂが回転すると、リンク１２０ｂは、リンク３２０ｂの内周およびカム１７０によるカムフォロア２５０をガイドとして、ワイヤ案内ガイド間を導かれたワイヤの長さを変えないようにリンク３２０ｂに対し回転および軸方向に移動される。
【００３８】
上述した各実施例では、回転関節機構１０を経由するワイヤ４１０、４２０、４３０、４４０は４本であるが、回転関節機構１０の中を経由するワイヤの本数は何本でもかまわない。ワイヤの本数によらず、上述した回転関節機構１０を用いることにより、回転関節機構１０よりも先に導かれるワイヤの長さに影響を与えない。ただし、ワイヤの太さ、関節内部を通り関節先端へ導くワイヤの本数により、駆動できるワイヤ同士が干渉せずに回転できる角度が規定される。
【００３９】
上述した実施例によれば、回転関節機構１０におけるリンク１２０、３２に設置されたワイヤ案内ガイド１３１〜１３４と１３３〜１３４間の距離を回転と共に近づけることにより、ワイヤ案内ガイド１３１〜１３４と１３３〜１３４間を導かれるワイヤ４１０〜４４０の長さの変化を小さくすることができるため、ワイヤ４１０〜４４０の経路長を回転関節機構１０の角度変化によらず一定に保持できる。
【００４０】
また、アクチュエータ７１０〜７３０を含めたマニピュレータごと回転させる必要がなく、装置全体の小型化が可能である。また、ワイヤ４１０〜４４０のねじれを無視するために回動するリンクを長くするという必要がないので、回転関節機構１０自体の小型が可能である。
【００４１】
さらに、多関節の途中の関節での術具軸回転を可能とするため、処置具軸を軸方向に回転するという動作でも、アクチュエータの根元から関節全体を協調させて動かす必要がなく、マニピュレータ全体の動く変位を小さくすることができる。
【００４２】
さらに、ワイヤ案内ガイド１３１〜１３４と１３３〜１３４を、リンクｎ上の関節ｎの回転軸を中心とした円の円周上、およびリンクｎ＋１上の関節ｎの回転軸を中心とした円の円周上に配置することにより、関節ｎ＋１以降のための駆動ワイヤ４１０〜４４０を複数本同時に経路長の補正を行うことができる。また、複数のワイヤ４１０〜４４０を関節中心に通すということがないため、複数のワイヤ４１０〜４４０同士が中心で干渉するという問題も生じない。
【００４３】
【発明の効果】
上述した実施例の説明から明らかなように、本発明によれば、小型で操作性が良好なマニピュレータおよび回転関節機構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実施例のマニピュレータの構成を示す斜視図。
【図２】図１のマニピュレータの要部構成を示す斜視図。
【図３】図２の回転関節機構の動作説明図。
【図４】図２の状態から１８０度回転した状態の回転関節機構の拡大図。
【図５】本発明の第２実施例のマニピュレータの関節機構部の斜視図。
【符号の説明】
１…マニピュレータ、２…術具（操作具）、１０、２０…回転関節機構、５０…アーム、１０５、１１０…術具ブレード、１１５、２０５、２１５、２３５…ピン、１２０、１２０ｂ、３２０、３２０ｂ、５２０…リンク、１３１〜１３４、３３１〜３３４…ワイヤ案内ガイド、１５０、１５５…ラック、１６０、１７０…溝、１８０…転がり面、２００、２１０…歯車、２１０ｂ…転がり部材、２２０、２３０、２４０…プーリ、２５０…カムフォロア、３１０…支持部、４１０〜４６０…ワイヤ、５１０…関節、５２０…リンク、５３０…ジンバル部、５４０…駆動部、５５０…ジンバル機構、５６０…マニピュレータ本体、７１０〜７３０…アクチュエータ。

Claims

複数の関節機構と、前記複数の関節機構内を導かれる複数のワイヤとを備え、
前記複数の関節機構の先端側関節機構に回転関節機構を用い、
前記回転関節機構の支持側リンクおよびその先端側リンクのそれぞれに前記ワイヤを支持する複数のワイヤ案内ガイドを設け、
前記回転関節機構のそれぞれのワイヤ案内ガイドは関節軸心を中心とする円周上に配置され、
前記回転関節機構は前記先端側リンクを前記支持側リンクに対して回転可能にかつ関節軸方向に移動可能としたマニピュレータ。
前記回転関節機構を複数の関節機構の中の途中に用いると共に、この回転関節機構の先端側リンクに操作具を取り付けた請求項１に記載のマニピュレータ。
前記先端側リンクと前記支持側リンクとを円筒状に形成すると共に回転可能に嵌合し、前記先端側リンクの前記ワイヤ案内ガイドと前記支持側リンクの前記ワイヤ案内ガイドとを関節軸心を中心とする円に対応して設けた請求項１に記載のマニピュレータ。
前記先端側リンクの回転軸心と垂直な面に角度を有する前記壁面を前記先端側リンクの外面に周方向に形成し、前記壁面に当接して前記先端側リンクを回転させる駆動具を設けた請求項３に記載のマニピュレータ。
前記駆動具を駆動するワイヤを設けた請求項４に記載のマニピュレータ。
複数の関節機構と前記複数の関節機構内を導かれる複数のワイヤとを備えるマニピュレータの先端側関節機構に用いられる回転関節機構において、
支持側リンクおよび先端側リンクのそれぞれに前記ワイヤを支持する複数のワイヤ案内ガイドを設け、
前記支持側リンクおよび前記先端側リンクのそれぞれのワイヤ案内ガイドを関節軸心を中心とする円周上に配置し、
前記先端側リンクを前記支持側リンクに対して回転可能にかつ関節軸方向に移動可能とした回転関節機構。