JP2004351231A - Manipulator for medical use - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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。 The present invention relates to a medical manipulator used for laparoscopic surgery and the like.
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。
In laparoscopic surgery, several small holes are made in the abdomen of a patient, a thin tube called a trocar is attached to the hole, an endoscope or forceps are inserted, and the operator displays the video from the endoscope on a television. I am performing surgery while looking at the screen. Since such a surgical method does not require laparotomy, the burden on the patient is small, the postoperative recovery is quick, and the number of hospital stays is significantly reduced. For this reason,
Such a surgical method is expected to expand its application field.
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、また、鉗子には開閉するグリッパ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。
Laparoscopic surgery is an excellent surgical method in that the burden on the patient is small.However, the surgeon cannot see the real image of the operative site, and the forceps have only a gripper function that opens and closes, making it easy to operate. There is a problem that there is no. Therefore, the surgeon who can perform laparoscopic surgery by an appropriate procedure according to the above-mentioned surgical method is limited to doctors having skilled skills.
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としてスレーブアームに伝わ
るものである。
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、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。
Normally, each of the master arm and the slave arm has a joint number of 6 degrees of freedom or more, a controller is provided corresponding to each degree of freedom, and electrically has many control systems, parts, and wiring. It is a complicated system. Due to the complexity of the system, the reliability of the operation of the master-slave manipulator system is not high and the maintenance costs are high.
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。
In addition, since the surgeon performs an operation using a plurality of treatment units suitable for the treatment, a plurality of slave arms having different functions of the treatment units are required. Therefore, there is a problem that the slave arm becomes very expensive, and furthermore, maintenance of a plurality of slave arms is troublesome.
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、動力源から駆動部までの間にはワイヤが連結されていることから、
先端部分のみを取り外すことは機構的に不可能であった。複雑に配置されたワイヤの伸び
による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
求される作業であることから、システムが高価なものになっていた。
On the other hand, the slave arm must have a small diameter, and its power transmission is mainly performed using a wire and a pulley.Because the wire is connected between the power source and the drive unit,
It was mechanically impossible to remove only the tip part. The maintenance due to the elongation of the wires arranged in a complicated arrangement is a small diameter, so that it takes a long time to perform the operation and requires a special technique, so that the system is expensive.
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、機構を単純化して信頼性とメ
ンテナンス性を向上させ、低コスト化をはかった医療用マニピュレータを提供することを
目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and has as its object to provide a medical manipulator that simplifies a mechanism, improves reliability and maintainability, and reduces cost.
上記課題を解決するために、本発明では、操作司令部と、前記操作司令部からの信号に
より駆動される第1乃至第2のモータを有する駆動部と、前記第1のモータの動力を、前
記回転軸が形成された第1の方向とは異なる第2の方向に軸を有する回動力として伝達す
る第1の動力伝達部と、前記第1の動力伝達部の動力を、伝達しかつ前記回転軸まわりの
回動力に変換する第2の動力伝達部と、前記第2のモータの動力を、前記第2の方向に軸
を有する回動力として伝達する第3の動力伝達部と、前記第3の動力伝達部の動力を、伝
達しかつ前記回転軸まわりの回動力に変換する第4の動力伝達部と、前記第3の動力伝達
部が伝達する動力によって前記回転軸周りに回動する第1のグリッパと、前記第4の動力
伝達部が伝達する動力によって前記回転軸周りに回動する第2のグリッパと、を備え、前
記第1のグリッパと前記第2のグリッパを互いに逆位相で動作させることにより開閉動作
し、前記第1のグリッパと前記第2のグリッパを互いに同位相で動作させることにより前
記回転軸周りに回動し、さらに前記第1の動力伝達部と第2の動力伝達部とを互いに着脱
可能に嵌合連結或いは開放し、かつ前記第3の動力伝達部と第4の動力伝達部とを互いに
着脱可能に嵌合連結或いは開放する着脱手段とを有することを特徴とする医療用マニピュ
レータを提供する。
In order to solve the above problem, in the present invention, an operation command unit, a driving unit having first and second motors driven by a signal from the operation command unit, and a power of the first motor, A first power transmission unit that transmits as a rotational power having an axis in a second direction different from the first direction in which the rotation shaft is formed; and a power transmission unit that transmits power of the first power transmission unit, and A second power transmission unit that converts the rotation power around the rotation axis; a third power transmission unit that transmits the power of the second motor as a rotation power having an axis in the second direction; A fourth power transmission unit that transmits the power of the third power transmission unit and converts the power to a rotational power around the rotation axis; and rotates around the rotation axis by the power transmitted by the third power transmission unit. By the first gripper and the power transmitted by the fourth power transmission unit A second gripper that rotates about the rotation axis. The first gripper and the second gripper are opened and closed by operating the first gripper and the second gripper in opposite phases. The first power transmission unit and the second power transmission unit are detachably fitted and connected to each other or opened by operating the grippers of the same type in phase with each other, and the first power transmission unit and the second power transmission unit are detachably connected to each other; A medical manipulator comprising: a detachable unit that detachably fits and connects or opens a third power transmission unit and a fourth power transmission unit to each other.
ここで、前記第1の動力伝達部は、第1の歯車を有し、前記第2の動力伝達部は、第2
の歯車を有し、前記第1の動力伝達部と前記第2の動力伝達部が嵌合連結されたときに、
前記第1の歯車と前記第2の歯車が噛み合うものであってもよい。
Here, the first power transmission unit includes a first gear, and the second power transmission unit includes a second gear transmission.
When the first power transmission unit and the second power transmission unit are fitted and connected,
The first gear and the second gear may mesh with each other.
前記第3の動力伝達部は、第3の歯車を有し、前記第4の動力伝達部は、第4の歯車を
有し、前記第3の動力伝達部と前記第4の動力伝達部が嵌合連結されたときに、前記第3
の歯車と前記第4の歯車が噛み合うものであってもよい。
The third power transmission unit includes a third gear, the fourth power transmission unit includes a fourth gear, and the third power transmission unit and the fourth power transmission unit When mated and connected, the third
And the fourth gear may mesh with the fourth gear.
前記第1の動力伝達部が前記第1のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第
5の動力伝達部が前記第3のモータの動力を回動力として伝達する軸とが共通であっても
よい。
An axis through which the first power transmission unit transmits the power of the first motor as rotational power and an axis through which the fifth power transmission unit transmits the power of the third motor as rotational power are common. There may be.
前記第1の動力伝達部が前記第1のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第
3の動力伝達部が前記第2のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第5の動力
伝達部が前記第3のモータの動力を回動力として伝達する軸とが共通であってもよい。
An axis through which the first power transmission unit transmits the power of the first motor as rotational power; an axis through which the third power transmission unit transmits the power of the second motor as rotational power; A fifth power transmission unit may share a common shaft with which the power of the third motor is transmitted as rotational power.
本発明によれば、処置部が支持部から着脱できる構造のため、操作指令部と連結部から
なるアームに対して、複数の処置部を容易に付け替え可能になり、低コストでメンテナン
ス性が優れた医療用マニピュレータを実現できる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, since the treatment part can be attached to and detached from the support part, a plurality of treatment parts can be easily replaced with respect to the arm composed of the operation command part and the connection part, and the maintenance performance is excellent at low cost. Medical manipulator can be realized.
本発明によれば、処置部が支持部から着脱できる構造のため、操作指令部と連結部から
なるアームに対して、複数の処置部が容易に取り付けることが可能になり、低コストでメ
ンテナンス性が優れる医療用マニピュレータを提供することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, since the treatment part can be attached to and detached from the support part, a plurality of treatment parts can be easily attached to the arm composed of the operation command part and the connecting part, and the maintenance cost is low. The medical manipulator which is excellent in the above can be provided.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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、両端が操作指令部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に医療用マニピュレ
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31と、グリッパ31を2自由度で姿勢変更可能に支持するA軸支
持部32、B軸支持部33とを有している。グリッパ31は開閉動作する構成になってい
る。A軸支持部32は、グリッパ31の開閉軸部を支持するともにA軸周りにグリッパ3
1全体を回動する構成になっている。B軸支持部33は、A軸支持部32の全体を支持す
るとともに、B軸周りにA軸支持部32を回動するようになっている。
FIG. 1 is a diagram showing an overall schematic configuration of a medical manipulator. The medical manipulator 1 includes an operation command unit 2, a working unit 3, and a connecting
1 is configured to rotate. The B-
操作指令部2は、姿勢操作部としてのハンドル21と処置部操作部としての指操作部2
2を有している。指操作部22はハンドル21を握る手の指が挿入される2つの指挿入部
22a,22bを有している。指挿入部22a,22bは指の動きにあうように回動する
構成になっている。指挿入部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21aと旋回ア
ーム26と、操作者の手によって把持される把持部21bとを有している。台座部21a
と旋回アーム26は、C軸回動部23を介して接続されており、把持部21bはC軸周り
に回転可能になっている。旋回アーム26と把持部21bはD軸回動部24を介して接続
されており、把持部21bはD軸周りに回転可能になっている。図示しないがC軸回動部
23と、D軸回動部24には回転角センサが備えられている。指挿入部22a、22bの
開閉による当該センサ値を、グリッパ31a、31bの開閉動作に対応させている。同様
に、C軸回動部23のセンサ値をA軸の回転角度に、D軸回動部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。
The operation command unit 2 includes a
Two. The
And the
また、本実施の形態では、連結部4と台座21aとの間に駆動部40を設けている。駆
動部40は前述の角軸センサからの検出信号に基づいて、対応する駆動部41、42、4
3から動力を作業部3のグリッパ31、A軸支持部32、B軸支持部33に伝達する構造
になっている。
Further, in the present embodiment, the
3, the power is transmitted to the
図2は、本発明の医療用マニピュレータ1の駆動部40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。先端部3のグリッパ31aは、
駆動部41のモータM1の動力で駆動される。モータM1の動力は歯車ユニットG1を介
して、棒状のチューブからなる動力伝達部T1に伝えられる。この動力伝達部T1は連結
部4の軸心に平行なS軸周りに回動して、端部に取り付かれている歯車51aを介して、
歯車52aを回動させる。歯車52aは軸B上に回動できるように取り付けられており、
軸S周りの回転を軸B周りの回転に変換させている。歯車52aは歯車53aとかみ合う
ような歯形が、51aとかみ合う面とは反対側に構成されている。歯車52aは歯車53
aを介して、歯車54aを回動させる。そして、歯車54aは、グリッパ31aが取り付
けられている歯車55aとかみ合っており、歯車55aを軸A周りに回動させる。同様に
、作業部3のグリッパ31bも駆動部42のモータM2によって駆動される。モータM2
の回転動力は、歯車ユニットG2、動力伝達部T2、歯車51b、歯車52b、歯車53
b、歯車54bと伝わり、グリッパ31bが取り付けられている歯車55bを軸A周りに
回動させて、グリッパ31bの開閉を行っている。歯車52は、歯車51と歯車53と同
時にかみ合う必要があるので、図3に示すように、軸B上に歯車91a、歯車91bを用
いて歯車53a、歯車53bに回転させてもかまわない。本構成で使用されている歯車5
1と歯車52、歯車54と歯車55は平歯車とフェースギヤで組み合わせのものか、ある
いは、かさ歯車で組み合わせたものである。処置部3のサイズは15mm以下にする必要
があり、細径サイズの歯車製作には平歯車とフェースギヤは適している。また、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、本提案の形
態には最適な組み合わせであると言える。
FIG. 2 is a power transmission system diagram from the
It is driven by the power of the motor M1 of the
The
The rotation around the axis S is converted into the rotation around the axis B. The
The
The rotational power of the gear unit G2, the power transmission unit T2, the
b, the gear 55b to which the
The gear 1 and the gear 52, and the gear 54 and the
A軸支持部32は、B軸支持部33の歯車72に連結されている。歯車72は、駆動部
40のモータM3の動力で軸B周りを回動できる。モータM3の回転動力を歯車ユニット
G3、動力伝達部T3、歯車71を介して歯車72に伝達される。同様に、歯車71と歯
車72は平歯車とフェースギヤの組み合わせが適当である。歯車72は支持部材84に連
結されており、A軸支持部32を軸B周りに回動させる。
The
本実施の形態では、グリッパ31aとグリッパ31bをそれぞれ単独で軸A周りに回動
できる構成になっている。そのためグリッパの開閉軸とA軸は同軸になっている。グリッ
パ31aとグリッパ31bを逆位相で動作させれば、開閉動作ができ、同位相で動作させ
れば、軸A周りに回転することができる。駆動部40からの動力伝達は歯車機構を用いて
いることから、A軸支持部32はB軸支持部33から容易に取り外すことができる。B軸
支持部33の支持部材84とA軸支持部32の支持部材81は回転拘束され、かつ、精密
に位置決めを行うことができる構成(図示せず)になっており、着脱部材83を介して嵌
合結合されている。本実施の形態では、着脱部材83としてピンを用いた構成にしている
が、ネジ等の方式でも構わない。
In the present embodiment, the
A軸支持部32とB軸支持部33が機構的には独立した構成になっていることから、駆
動部40からの動力伝達方式は棒状チューブを用いた方式に限定されるものでない。ワイ
ヤ75とプーリ76、77を用いた動力伝達方式でも構わない。図2に示すように、モー
タM4と歯車ユニットG4をプーリ76、77の回転軸と平行に設置し、ワイヤ75はそ
れぞれのプーリ76、77に巻き付けて、動力を伝達させる。プーリ77はB軸に回転可
能に設置しているため、前述した歯車構成を用いることでグリッパ31aとグリッパ31
bを動作させることができる。棒状チューブを用いた方式は、大きな動力を得ることがで
き、機械的なガタが生じにくいというメリットがある。一方、ワイヤとプーリ方式は、軽
量化できるというメリットを持っている。両者ともメンテナンスは簡素となっている。
Since the
b can be operated. The method using the rod-shaped tube has a merit that a large power can be obtained and mechanical play hardly occurs. On the other hand, the wire and pulley method has an advantage that the weight can be reduced. Both have simple maintenance.
駆動部40からの動力伝達の別の実施形態を図4に示す。モータ93の回転を歯車94
に伝え、歯車94に構成されたロッド状伝達部材95を介して、先端の歯車96を回動さ
せる。歯車96には処置部97が取り付けられた歯車98が噛み合っており、処置部97
は回動される。ロッド状伝達部材95は、軸心に作用する引っ張り力で動力を伝達する部
材から構成されているため、細径でも剛性を高くすることができる長所がある。
Another embodiment of the power transmission from the
, And the
Is rotated. Since the rod-shaped
以上のことから、医療用マニピュレータ1は、作業部3の一部から容易に取り外すこと
ができるので、操作指令部2と連結部4と駆動部40と作業部3のB軸支持部33のいわ
ゆるアーム部分を共通化して、作業部3のA軸支持部32とグリッパ31からなる処置部
を必要な作業によってつけ替えることで、製作コストは大幅に低減できる。術者は、作業
(つかむ作業、切る作業、縫合する作業など)に応じて、適した処置部をあらかじめアー
ム先端に取り付けて手術を行い、術後それを外し、洗浄や滅菌を行う。特にグリッパは直
接組織を扱うため、消耗が激しくメンテナンスや交換が頻繁に行われている。そのような
交換作業も本形態の医療用マニピュレータでは手間がかからず、専門的な知識が無くても
容易に交換等が可能になる。
From the above, since the medical manipulator 1 can be easily detached from a part of the working unit 3, the operation command unit 2, the connecting
1 医療マニピュレータ
2 操作指令部
3 作業部
4 連結部
21 ハンドル
22 指操作部
31 グリッパ
32 A軸支持部
33 B軸支持部
40 駆動部
51〜55、71、72、91、94、96 歯車
81、84 支持部材
83 着脱部材
T1〜T3 棒状チューブ型伝達部材
75 ワイヤ
76、77 プーリ
95 ロッド状伝達部材
M1〜M4 モータ
G1〜G4 歯車ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Medical manipulator 2 Operation command part 3
Claims (5)
前記操作司令部からの信号により駆動される第1乃至第2のモータを有する駆動部と、
前記第1のモータの動力を、前記回転軸が形成された第1の方向とは異なる第2の方向
に軸を有する回動力として伝達する第1の動力伝達部と、
前記第1の動力伝達部の動力を、伝達しかつ前記回転軸まわりの回動力に変換する第2
の動力伝達部と、
前記第2のモータの動力を、前記第2の方向に軸を有する回動力として伝達する第3の
動力伝達部と、
前記第3の動力伝達部の動力を、伝達しかつ前記回転軸まわりの回動力に変換する第4
の動力伝達部と、
前記第3の動力伝達部が伝達する動力によって前記回転軸周りに回動する第1のグリッ
パと、
前記第4の動力伝達部が伝達する動力によって前記回転軸周りに回動する第2のグリッ
パと、
を備え、
前記第1のグリッパと前記第2のグリッパを互いに逆位相で動作させることにより開閉
動作し、前記第1のグリッパと前記第2のグリッパを互いに同位相で動作させることによ
り前記回転軸周りに回動し、
さらに前記第1の動力伝達部と第2の動力伝達部とを互いに着脱可能に嵌合連結或いは
開放し、かつ前記第3の動力伝達部と第4の動力伝達部とを互いに着脱可能に嵌合連結或
いは開放する着脱手段とを有することを特徴とする医療用マニピュレータ。 Operations Command,
A drive unit having first and second motors driven by a signal from the operation command unit;
A first power transmission unit that transmits the power of the first motor as a rotating power having an axis in a second direction different from the first direction in which the rotation axis is formed;
A second mechanism for transmitting the power of the first power transmission unit and converting the power to a rotational power about the rotation axis;
Power transmission section,
A third power transmission unit that transmits the power of the second motor as rotating power having an axis in the second direction;
A fourth power transmitting unit that transmits the power of the third power transmission unit and converts the power into a rotational power around the rotation axis;
Power transmission section,
A first gripper that rotates around the rotation axis by power transmitted by the third power transmission unit;
A second gripper that rotates around the rotation axis by power transmitted by the fourth power transmission unit;
With
The first and second grippers are opened and closed by operating in opposite phases, and the first and second grippers are operated in the same phase to rotate around the rotation axis. Move
Further, the first power transmission section and the second power transmission section are detachably fitted and connected to each other or opened, and the third power transmission section and the fourth power transmission section are detachably fitted to each other. A medical manipulator comprising: detachable means for coupling or opening.
前記第2の動力伝達部は、第2の歯車を有し、
前記第1の動力伝達部と前記第2の動力伝達部が嵌合連結されたときに、前記第1の歯
車と前記第2の歯車が噛み合う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。 The first power transmission unit has a first gear,
The second power transmission unit has a second gear,
The medical manipulator according to claim 1, wherein the first gear and the second gear mesh with each other when the first power transmission unit and the second power transmission unit are fitted and connected. .
前記第4の動力伝達部は、第4の歯車を有し、
前記第3の動力伝達部と前記第4の動力伝達部が嵌合連結されたときに、前記第3の歯
車と前記第4の歯車が噛み合うことを特徴とする請求項2記載の医療用マニピュレータ。 The third power transmission unit has a third gear,
The fourth power transmission unit has a fourth gear,
The medical manipulator according to claim 2, wherein the third gear and the fourth gear mesh with each other when the third power transmission unit and the fourth power transmission unit are fitted and connected. .
5の動力伝達部が前記第3のモータの動力を回動力として伝達する軸とが共通であること
を特徴とする請求項1記載の医療用マニピュレータ。 An axis through which the first power transmission unit transmits the power of the first motor as rotational power and an axis through which the fifth power transmission unit transmits the power of the third motor as rotational power are common. The medical manipulator according to claim 1, wherein:
3の動力伝達部が前記第2のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第5の動力
伝達部が前記第3のモータの動力を回動力として伝達する軸とが共通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。 An axis through which the first power transmission unit transmits the power of the first motor as rotational power; an axis through which the third power transmission unit transmits the power of the second motor as rotational power; The medical manipulator according to claim 1, wherein the power transmission unit (5) has a common shaft for transmitting the power of the third motor as rotational power.
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