JP2005118422A - カム機構を有する運動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】低侵襲手術で頻繁に使用される内視鏡や穿刺針、鉗子といった長柄状の手術器具の向きの変更や長軸方向の送り、 長軸回りの回転といった機械的操作を小型で安全な機構で可能にする。
【解決手段】長柄状の操作対象物１を長軸回りに回転させ、かつ保持するベルト５あるいはローラー７と、 このベルト５をプーリ６を介して支持するあるいはローラー７を支持するアーム８を操作対象物１の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カム９、操作対象物１を長軸と垂直を為す２つの異なる方向に揺動させる平面カム１２、１５とから構成される。
【選択図】図５

Description

本発明は低侵襲手術で頻繁に使用される内視鏡や穿刺針、鉗子といった長柄状の手術器具の向きの変更や長軸方向の送り、長軸回りの回転といった機械的操作を行う運動機構に関するものである。

外科治療や診断において深部にある病変部に到達するためや、作業領域の確保のために経路や周辺にある正常組織が損傷されてきた。この正常組織への侵襲を低減する低侵襲手術が求められている。 これによって合併症の低減や回復期間の大幅な短縮が可能となる。このような低侵襲手術においては内視鏡や穿刺針、鉗子といった細長い長柄状の手術器具が用いられている（特許文献１、２参照）。

しかし低侵襲手術は十分な作業領域や視野が得られない、手術器具による間接的作業であるため、困難で時間がかかる手術である。その結果として時には危険な方法である。そのため、正確で安全に手術を行うようにこの作業を代替／支援する手術用マニピュレータが求められている。
特開平０９−２７６２８９号公報 特開平０９−０５６７１８号公報

このような長柄状の手術器具を操作するには長軸方向の送りと長軸回りの回転、長軸の向きを２方向に変える運動が頻繁に必要とされる。また患者付近の限られた空間で使用されるため、このような多自由度は小型の運動機構で実現されなければならない。また非常時のために着脱が容易である必要がある。

さらに衛生面からマニピュレータ全体／部分が滅菌可能とするかそれ以外の部分を滅菌布で覆う必要がある。一般に、アクチュエータやセンサは耐滅菌性が悪い。そのため特別に密閉するか、滅菌部分から分離して滅菌布で覆って使用時に結合する手段が必要とされる。

このような運動機構に対して従来から様々な手段が取られてきた。こと長軸方向の送りについて言えば、送りねじや摩擦ローラー、インチング機構が取られてきた。インチングとは拘束、送り、開放、戻りを繰り返すことで送る手段である。

送りねじは長軸回りの回転機構との複合化が難しい。結果として送り機構の先に回転機構を付けるか、回転機構の先に送り機構を付けることになり機構が大型化する。

一方、摩擦ローラーについては、回転方向の異なるローラーを組み合わせることで送りと回転との複合化が容易である。しかし、異なる方向のローラーと操作対象物の摩擦が目的の方向の運動を阻害する。

一方、従来のインチング機構は開閉と送りを行う二つの機構で構成されていて機構が複雑であり、また回転機構と複合化されていなかった。

長軸の向きを変える運動に関しては、回転型アクチュエータで回転させる手段が考えられる。しかし、滅菌の問題や回転中心にアクチュエータがあると邪魔になるといった理由から、直接付けるのではなく平行リンク機構などを介する事が多い。この場合は平行リンク機構自身の大きさが問題となる。

さらに、回転中心を固定して長軸の１点を並進運動させることで回転運動を発生させたり、長軸上の２点の並進運動の組み合わせによって回転運動を発生させる手段がある。

従来、これらの場合の並進運動の発生手段は送りねじ機構の組み合わせや５節リンクによって実現されている。送りねじは概して小型化が困難であり、５節リンクは中間リンクが必要な分だけリンク数が多くなるという問題がある。

本発明は、このような従来の問題を解決することを目的とするものであり、長柄状の操作対象物の向きの変更、長軸方向の送り、長軸回りの回転等の機械的操作を行うことができ、部品点数が少なく、構造が簡単で、小型化が可能な運動機構を実現するものである。

本発明は上記課題を解決するために、長柄状の操作対象物の周囲に該対象物をその軸心回りに回転させ、かつ保持するベルトと、該ベルトをプーリ−を介して支持する複数のアームと、該複数のアームを前記対象物の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カムと有することを特徴とする運動機構を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、長柄状の操作対象物の周囲に該対象物をその軸心回りに回転させ、かつ保持する複数のローラーと、該複数のローラーを支持する複数のアームと、該複数のアームを前記対象物の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カムとを有することを特徴とする運動機構を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、長柄状の操作対象物の周囲に該対象物をその軸心回りに回転させ、かつ保持するベルトと、該ベルトをプーリ−を介して支持する複数のアームと、該複数のアームを前記対象物の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カムと、前記対象物を該対象物の長軸と垂直を為す２つの方向に揺動させる２つの平面カムとを有することを特徴とする運動機構を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、長柄状の操作対象物の周囲に該対象物をその軸心回りに回転させ、かつ保持する複数のローラーと、該複数のローラーを支持する複数のアームを前記対象物の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カムと、前記対象物を前記対象物の長軸と垂直を為す２つの方向に揺動させる２つの平面カムとを有することを特徴とする運動機構を提供する。

さらに具体的には、本発明の運動機構は、長柄状の操作対象物を長軸回りに回転させ、かつ保持するベルトあるいはローラーと、 このローラーを支持するあるいはプーリーを介してベルトを支持するアームを長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カム、 操作対象物を長軸と垂直を為す２つの方向に揺動させる２つの平面カムから構成されることを特徴とする。

操作対象物は、これに接するローラーあるいはベルトによって側面から保持される。また操作対象物は、ローラーの回転やベルトの送りによって長軸回りに回転させられる。長軸方向の送りは、いわゆるインチング機構によって実現される。操作対象物をローラーを支持するあるいはプーリーを介して保持するアームの開閉と長軸方向の送りを同期させる。すなわち、例えば下に動く場合はローラーの間隔を狭めながら下に動かし、ローラーの間隔を広げながら上に動かす運動を繰り返す。

このような開閉と送りを行う２つの運動を楕円筒溝カムによって実現する。楕円筒の側面によってローラーの間隔を動かし、楕円筒の側面に彫られた溝によってローラーは上下動を行う。あるいはその逆もまた同様である。

さらに、操作対象物の長軸の向きは平面カムによって変更される。ベルトあるいはローラーによって操作対象物の１点の位置が拘束されて、ここが回転中心をなしているものとする。そして平面カムが直接あるいはリンクを介して操作対象物を回転中心と異なる点で長軸と垂直な方向に押し引きすることで長軸の向きを変えることが出来る。このカムを間欠的に動かすことで駆動範囲内の任意の位置に動かすことが出来る。揺動を繰り返す場合はカムを一方向に回し続ける。

上記本発明の構成によると次のような効果が生じる。
（１）操作対象物を回転させるベルトあるいはローラーで操作対象物を保持しているため回転機構と送り機構が複合化されている。そのため機構の小型化が出来る。
（２）インチング機構の開閉と送りは別々の機構ではなく立体的運動を行う楕円筒溝カムによって実現されているため、小型化が可能である。
（３）インチングの開閉機構を使うことで、非常時に操作対象物を容易に開放できる。
（４）長軸の向きは、回転中心から離れた点を平面カムで並進運動させることで実現している。そのため少ない部品で小型に構成可能である。

本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。図１は、本発明のカム機構を有する手術用マニピュレータ２を固定具３に固定し、この手術用マニピュレータ２に長柄状の操作対象物１として斜視鏡を取り付けた構成を示している。そして、この図１では、この手術用マニピュレータ２を操作して、患者４の鼻孔に挿入した様子を示す。 本発明のカム機構を有する手術用マニピュレータ２の機構をより詳細に説述するために、実施例を挙げて説明する。

図２は、本発明の運動機構を有する手術用マニピュレータ２の実施例１である。長柄状の操作対象物１の両側をベルト５が挟んでいる。図中ではベルト５を駆動するモーターなどは示されていない。図中ではベルト５を介して４個のプーリー６で保持し、ベルトの折り返しのためのさらに１つのプーリー１０を加えている。このプーリー６の数は操作対象物を安定して保持できるだけの数があれば十分であり、その数の多少は原理上の大きな問題ではない。

プーリー６の軸はアーム８に固着している。 楕円筒溝カム９は楕円筒の側面にアーム８に固着した従属節９ａが追従する溝９ｂが彫られた構造をしている。アーム８には楕円筒溝カム９に追従するために内側に向かって予圧がかかっていて、またアーム８の上下左右運動を許容する構造が必要となる。それらの構造は図中では省略されていが、例えば、アーム８やその支持部を十分柔軟性のある材質・構造で構成して弾性的に運動を許容する等の構成がある。

（実施例１の作用）
以上の構成から成る実施例１の作用を説明する。実施例１の長柄状の操作対象物１は、ベルト５で保持され、またベルト５を送ることで回転される。アーム８は楕円筒溝カム９によって上下（ｚ方向）左右（ｙ方向）に並進移動する。

これらの機構によって下方にインチングが行われる様子を図３に示す。 図３には正面図（図２中ｘ正方向から負方向を見る）、上面図（図２中ｚ正方向から負方向を見る）、側面図（図２中ｙ負方向から正方向を見る）をカム９の半回転を４分割して示している。

図３では、本発明のカム機構の前面、上面及び横面の状態を、それぞれA〜Dのステップについて示す。Ａの状態ではアーム８同士の間隔は楕円の短軸に等しく、上下方向は中間的位置にある。ＡからＢに行くに従って、楕円筒溝カム９の側面に押され、アーム８同士の間隔は広くなる。その間、楕円筒溝カム９側面に彫られた溝９ｂに従ってアーム８は下に押し下げられる。これによって操作対象物１は開放されながら下へ押し下げられる。

ＢからＣに行くに従って、楕円筒溝カム９の側面に押され、アーム８同士の間隔はさらに広くなり操作対象物１は開放される。その間、楕円筒溝カム９側面に彫られた溝９ｂに従ってアーム８は上に押し上げられる。この間、ベルト５とプーリー６を介してアーム８から操作対象物１へは力は作用しない。そのため開放されている時間が十分に小さいか、開放されている間に操作対象物１の位置を支持する機構が必要となるがこの機構については説明を省略する。

ＣからＤに行くに従って、アーム８同士の間隔は狭くなる。その間、楕円筒溝カム９側面に彫られた溝９ｂに従ってアーム７はさらに上に押し上げられる。ＢからＣまでと同様にこの間、アーム８から操作対象物１へは力は作用しない。

ＤからＡに行くに従って、アーム８同士の間隔はさらに狭くなり操作対象物１は拘束される。その間、楕円筒溝カム９側面に彫られた溝９ｂに従ってアーム８は下に押し下げられる。これによって操作対象物１は拘束されながら下へ押し下げられる。

ＡからＤへの一連の動作を繰り返すことで操作対象物１は下方へ移動する。上に動かしたい場合は楕円筒溝カム９を逆転させてＤからＡへの動作を行う。

（実施例１の変形例）
図４は本発明の運動機構を有する手術用マニピュレータ２の実施例１の変形例である。 この変形例は、長柄状の操作対象物１がベルト５に替わってローラー７で保持・回転される点でのみ異なる。この場合、そのローラー７がどのように駆動されるかはここでは特定しないが、例えばプーリー１１ａを介してベルト１１ｂなどによって離れた点から駆動させることが考えられる。 その他の実施例１と共通する詳細な構成については説明を省略する。

図５は本発明に係るカム機構を有する手術用マニピュレータの実施例２である。 ベルト５と楕円筒溝カム９については、実施例１と同様であるから、その構成については、実施例１における図２と図３の説明で代用する。

この実施例２では、図５で示すように、平面カム１２には回転中心から離れた位置に平面カムピン１２ａが突起している。平面カムピン１２ａは平面カム溝１２ｂの溝に嵌合されている。その平面カム溝１２ｂはリンク１３に固着している。

リンク１３はリンク１３の平面内に運動が拘束されているものとして、その構成については図５では省略する。図５において、ガイド１４は、固定具３に固着するガイドピン１４ａと、リンク１３に固着し長穴をなすガイド溝１４ｂからなりたっている。なお、リンク１３の運動を意図したように許容・拘束するガイド１４を実現する構成は他にも考えられるが、原理上の大きな問題ではない。

操作対象物１は、リンク１３に嵌合され操作対象物１の長軸方向の送りと長軸回りの回転が許容されている。 また操作対象物１とリンク１３との嵌合点とベルト５による保持点において操作対象物１の長軸と垂直な２軸回りに回転運動を許容する構造が必要となる。その構成については特定しないが、例えば十分柔軟性のある材質・構造で構成して弾性的にこれを許容する構造等が考えられる。

図５では、平面カム１２と平面カム１５がベルト５をはさんで上下に配置されているが必ずしもそうである必要はない。また一つのリンクを２つのカムで駆動することも可能である。

図５では、平面カム１５には回転中心から離れた位置に平面カムピン１５ａが突起している。 平面カムピン１５ａは平面カム溝１５ｂの溝に嵌合されている。その平面カム溝１５ｂはリンク１６に固着している。

リンク１６はリンク１６の平面内に運動が拘束されているものとして、その手段は図５では省略する。 図５のガイド１７では固定具３に固着するガイドピン１７ａと、リンク１６に固着し長穴をなすガイド溝１７ｂからなりたっている。リンク１６の運動を意図したように許容・拘束するガイド１７を実現する構成は他にも考えられるが、原理上の大きな問題ではない。

操作対象物１は、リンク１６に嵌合され操作対象物１の長軸方向の送りと長軸回りの回転が許容されている。また、操作対象物１とリンク１６との嵌合点とベルト５による保持点において操作対象物１の長軸と垂直な２軸回りに回転運動を許容する構造が必要となる。その構成は特定しないが、例えば十分柔軟性のある材質・構造で構成して弾性的にこれを許容する構造がある。

（実施例２の作用）
以上の構成から成る実施例２の説明を説明する。カム１２の回転に応じて平面カムピン１２ａの位置が変わる。リンク１３の平面内において、リンク１３は平面カムピン１２ａによって平面カム溝１２ｂの溝と垂直方向の動きが拘束される。そのため平面カム１２の回転に従ってリンク１３は前後（ｘ軸方向）に動く。

従って、平面カム１２はリンク１３を介して操作対象物１を前後に押し引きしている。操作対象物１は回転中心である保持点と異なる点で長軸と垂直な方向に押し引きされることで長軸の向きを変える。リンク１３はガイド１４中心に回転運動の余地があるが、これは後述の平面カム１５によって拘束されているものとする。

カム１５の回転に応じて平面カムピン１５ａの位置が変わる。リンク１６の平面内において、リンク１６は平面カムピン１５ａによって平面カム溝１５ｂの溝と垂直方向の動きが拘束される。 そのため平面カム１５の回転に従ってリンク１６は左右（ｙ軸方向）に動く。

従って、平面カム１５は、リンク１６を介して操作対象物１を左右に押し引きしている。 操作対象物１は回転中心である保持点と異なる点で長軸と垂直な方向に押し引きされることで長軸の向きを変える。リンク１６は、ガイド１７中心に前後運動の余地があるが、これは前述の平面カム１２によって拘束されているものとする。

（実施例２の変形例）
図６は、本発明の運動機構を有する手術用マニピュレータの実施例２の変形例である。 この変形例は、長柄状の操作対象物１がベルト５に替わってローラー７で保持・回転される構成を特徴としており、そのローラー７の駆動部１１については図４と同様である。その他の構成は実施例２と共通であるから、その詳細については説明を省略する。

低侵襲手術で頻繁に使用される内視鏡や穿刺針、鉗子といった長柄状の手術器具の向きの変更や長軸方向の送り、長軸回りの回転といった機械的操作に利用できる。

本発明に係るカム機構を有する運動機構の使用例を説明する図である。 本発明に係るカム機構を有する運動機構の実施例１を説明する斜視図である。 本発明の実施例１の動作を説明する図である。 本発明の実施例１の変形例を示す図である。 本発明に係るカム機構を有する運動機構の実施例２を説明する斜視図である。 本発明の実施例２の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 長柄状の操作対象物
２ カム機構を有する手術用マニピュレータ
３ 固定具
４ 患者
５ ベルト
６ プーリ−
７ ローラー
８ 支持アーム
９ 楕円筒溝カム
９ａ 楕円筒溝カム溝
９ｂ 楕円筒溝カム従節
１０ プーリ−（折り返し用）
１１ ローラー駆動部
１１ａ ローラー駆動用プーリ−
１１ｂ ローラー駆動用ベルト
１２ 平面カム（前後方向）
１２ａ 平面カムピン（前後方向）
１２ｂ 平面カム溝（前後方向）
１３ リンク（前後方向）
１４ ガイド（前後方向）
１４ａ ガイドピン（前後方向）
１４ｂ ガイド溝（前後方向）
１５ 平面カム（左右方向）
１５ａ 平面カムピン（左右方向）
１５ｂ 平面カム溝（左右方向）
１６ リンク（左右方向）
１７ ガイド（左右方向）
１７ａ ガイドピン（左右方向）
１７ｂ ガイド溝（左右方向）

Claims (4)

1. 長柄状の操作対象物の周囲に該対象物をその軸心回りに回転させ、かつ保持するベルトと、
   該ベルトをプーリ−を介して支持する複数のアームと、
   該複数のアームを前記対象物の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カムと有することを特徴とする運動機構。
2. 長柄状の操作対象物の周囲に該対象物をその軸心回りに回転させ、かつ保持する複数のローラーと、
   該複数のローラーを支持する複数のアームと、
   該複数のアームを前記対象物の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カムとを有することを特徴とする運動機構。
3. 長柄状の操作対象物の周囲に該対象物をその軸心回りに回転させ、かつ保持するベルトと、
   該ベルトをプーリ−を介して支持する複数のアームと、
   該複数のアームを前記対象物の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カムと、
   前記対象物を該対象物の長軸と垂直を為す２つの方向に揺動させる２つの平面カムとを有することを特徴とする運動機構。
4. 長柄状の操作対象物の周囲に該対象物をその軸心回りに回転させ、かつ保持する複数のローラーと、
   該複数のローラーを支持する複数のアームと、
   該複数のアームを前記対象物の長軸方向と長軸と垂直方向に揺動させる楕円筒溝カムと、
   前記対象物を前記対象物の長軸と垂直を為す２つの方向に揺動させる２つの平面カムとを有することを特徴とする運動機構。

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