JP2006271749A - マニピュレータ移動構造及び手術支援ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＲＩのガントリ内のように可動高さが制約された空間内でも、マニピュレータのピボット運動を行えるようにすること。
【解決手段】駆動装置１１とロボット本体１２とを備えて手術支援ロボット１０が構成されている。ロボット本体１２は、駆動装置１１からのベルトＶが繋がる下部構造体２１と、この下部構造体２１に対して起立状態で配置された中間リンク構造体２２と、中間リンク構造体２２の上側に配置されたアーム構造体２３とを備えている。アーム構造体２３は、基端側を支点としてほぼ水平回転可能な第１アーム３６と、この第１アーム３６の先端側を支点としてほぼ水平回転可能に取り付けられ、マニピュレータＭの上部を保持するジンバル機構４８が先端側に設けられた第２アーム３７とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マニピュレータ移動構造及び手術支援ロボットに係り、更に詳しくは、磁気共鳴画像診断装置のガントリ内等の狭い空間内でのロボットによる手術支援に適したマニピュレータ移動構造及び手術支援ロボットに関する。

近時、大きな切開を要さない低侵襲手術を行うための手術支援ロボットが種々研究開発されている。当該手術支援ロボットは、内視鏡や処置具等の術具を保持するマニピュレータと、このマニピュレータを所定方向に移動させるロボットアームとを備えており、医師の遠隔操作にてロボットアームを動作させることで、患者の体内に挿入されたマニピュレータを動かし、術具による患部の処置等を行えるようになっている。

このようなロボットアームの構造として、特許文献１に開示されたマニピュレータ装置のリンク機構が知られている。このリンク機構は、水平方向に延びる上下一対の平行リンクと、これら平行リンク間に掛け渡されて、各平行リンクに回転自在に取り付けられた一対の交差リンクと、これらリンクを動作させるアクチュエータとを備えている。

ところで、近時、磁気共鳴画像診断装置（以下、「ＭＲＩ」と称する。）が広く普及するに至っており、患者の患部を上下方向から挟むガントリ内に外部からアクセス可能な開放型のＭＲＩも出現している。これにより、患部をＭＲＩで撮像しながら、手術支援ロボットによって手術支援を行う態様も考慮されるようになってきた。
特開平６−２６１９１１号公報

しかしながら、引用文献１のマニピュレータ装置にあっては、ＭＲＩのガントリ内という狭い空間内でロボットアームを動作させることが難しく、ＭＲＩ内で動作する手術支援ロボットとしては不適切である。すなわち、患者の体表面に空けられた穴にマニピュレータを挿入した状態で、当該穴の形成縁周りにマニピュレータを回転させるピボット運動を行おうとすると、前記マニピュレータ装置では、前記平行リンクの上下動を伴い、４００ｍｍ程度の高さの狭いガントリの内部では、当該ガントリに前記平行リンクが干渉してしまうという不都合がある。また、マニピュレータを動作させるアクチュエータが、リンク機構に併設されているため、アクチュエータの駆動によりカントリ内の磁場に影響を与えてしまい、ＭＲＩによる正確な測定ができないという不都合がある。更に、モータ等のアクチュエータから発生するノイズは、ＭＲＩの画像に影響を及ぼし、良好なＭＲＩ画像が得られないという不都合もある。

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、ＭＲＩのガントリ内のように可動高さが制約された空間内でも、マニピュレータのピボット運動を難なく行うことができるマニピュレータ移動構造及び手術支援ロボットを提供することにある。

また、他の目的は、ＭＲＩに対する影響を抑制することができるマニピュレータ移動構造及び手術支援ロボットを提供することにある。

（１）前記目的を達成するため、本発明は、手術支援ロボットに保持されたマニピュレータを移動させるマニピュレータ移動構造において、
ほぼ水平方向に動作可能なアームと、このアームの先端側に設けられ、前記マニピュレータを保持するジンバル機構とを備え、
前記ジンバル機構は、前記アームの動作により、前記マニピュレータの先端側を支点とした当該マニピュレータの回転運動を可能に設けられる、という構成を採っている。

（２）ここで、前記ジンバル機構は、前記マニピュレータを軸回転可能に保持する、という構成を採ることが好ましい。

（３）更に、本発明は、前記マニピュレータ移動構造を備えた手術支援ロボットにおいて、
前記マニピュレータ移動構造を含むロボット本体と、このロボット本体に対して離間した状態で配置されるとともに、前記マニピュレータ移動構造に動力を付与する駆動装置とを備えたことを特徴とする手術支援ロボット、という構成を採っている。

（４）ここで、前記駆動装置からの動力は、非磁性体により形成されたベルトを通じて前記マニピュレータ移動構造に伝達される、という構成を採ることが好ましい。

前記（１）の構成によれば、アームの動作方向をほぼ水平方向に限定された状態で、ジンバル機構の作用により、患者の体表面に空けられた穴にマニピュレータを挿入した状態で、当該マニピュレータに対しピボット運動を行わせることができる。従って、ＭＲＩのガントリ内のように、可動高さが制約された空間内でも、難なくマニピュレータのピボット運動が可能になる。

前記（２）のように構成することで、マニピュレータの軸回転を可能にするため、マニピュレータの動作をより多彩にすることができる。

前記（３）の構成によれば、前記（１）と同様の効果が得られる他、ＭＲＩ近傍に設置されたロボット本体に対して、駆動装置を離れて配置することができ、ＭＲＩの使用時に発生する磁場に影響を与えず、また、駆動装置を構成するモータ等から発生するノイズの影響を抑制することができる。

前記（４）の構成により、ＭＲＩの使用時に発生する磁場と、駆動装置を構成するモータ等から発生するノイズとに対するＭＲＩへの影響を最小限とすることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施例に係る手術支援ロボットの要部の概略斜視図が示されている。この図において、手術支援ロボット１０は、同図中左側の駆動装置１１と、同図中右側のロボット本体１２とを備えて構成されており、磁気共鳴画像診断装置（以下、「ＭＲＩ」と称する）で患者の患部を撮像しながら、手術支援を行えるようになっている。

前記駆動装置１１は、ロボット本体１２から離れた位置に設けられており、第１〜第４のモータ１４〜１７と、これらモータ１４〜１７が設置されるベース体１９とを備えている。

前記各モータ１４〜１７は、超音波モータであり、図示省略した制御装置によってその駆動が制御され、それらの動力がそれぞれベルトＶを介してロボット本体１２側に伝達される。なお、第１のモータ１４は、図１中最も奥行側に配置され、同図中手前側に向かって第２〜第４のモータ１５〜１７の順で配置されている。

前記ロボット本体１２は、特に限定されるものではないが、ＭＲＩのガントリ内に収容可能なサイズに設けられている。このロボット本体１２は、各モータ１４〜１７からのベルトＶが繋がる下部構造体２１と、この下部構造体２１に対して起立状態で配置された中間リンク構造体２２と、当該中間リンク構造体２２の上側に配置されたアーム構造体２３とを備えて構成されている。このロボット本体１２は、各構造体２１〜２３にそれぞれに設けられた多数のプーリＰ及びローラＲと、当該プーリＰ及びローラＲに掛け回されたベルトＶと、プーリＰ等と一体回転する歯車Ｇとが適宜配置され、各モータ１４〜１７を動力源として、後述する各種動作が可能となっている。これらプーリＰ、ローラＲ、ベルトＶ、及び歯車Ｇは、ＭＲＩの使用時に発生する磁場の影響を極力低減する目的で、ゴムや樹脂等の非磁性体により形成されることが好ましい。

なお、以下のロボット本体１２の説明において、特に明示しない限り、「前」、「後」、「左」、「右」、等の位置的若しくは方向的用語は、図１中、駆動装置１１側からロボット本体１２を見た状態を基準として用いる。

前記下部構造体２１は、前記ベース１９の端部に取り付けられた二本のシャフト２５，２５が固定された長尺状の前端プレート２６と、この前端プレート２６の左右両端側に起立配置された一対の側端プレート２７，２７と、これら側端プレート２７，２７間に回転可能に掛け渡された前後二箇所の下部シャフト２９，２９と、この下部シャフト２９，２９に設けられたプーリＰとを備えている。

前記下部シャフト２９は、ベルトＶを通じて第１のモータ１４の駆動によって回転可能となっている。

前記中間リンク構造体２２は、各下部シャフト２９にそれぞれ固定された下部ロッド３１と、これら下部ロッド３１の上端側に相対回転可能に連結された上部ロッド３２とを備えている。

前記下部ロッド３１及び上部ロッド３２は、それらの後側に相互に径の異なるプーリＰが固定され、これらプーリＰ，Ｐ間にベルトＶが掛け回されている。ここでは、下部ロッド３１側のプーリＰが上部ロッド３２側のプーリＰに対し径が約１／２に設定されている。この構成によれば、第１のモータ１４の駆動により下部シャフト２９が回転すると、それに伴い下部ロッド３１は、下部シャフト２９を中心として上下方向に回転し、各ロッド３１，３２間に掛け回されたベルトＶにより、上部ロッド３２が下部ロッド３１に対して回転され、中間リンク構造体２２が全体的に昇降するようになっている。

前記アーム構造体２３は、本発明に係るマニピュレータ移動構造が採用されており、上部ロッド３２側に固定された支持ボックス３４と、この支持ボックス３４の側方に取り付けられた固定用リンク３５と、支持ボックス３４の上端側を支点としてほぼ水平回転可能に取り付けられた第１アーム３６と、この第１アーム３６の先端側を支点としてほぼ水平回転可能に取り付けられた第２アーム３７とを備えて構成されている。

前記アーム構造体２３の内部には、外側のカバーを省略した図２に示されるように、中間リンク構造体２２側からの動力を第１及び第２アーム３６，３７に伝達する歯車Ｇ、プーリＰ、ベルトＶ及びローラＲ等が適宜配置されている。

前記固定用リンク３５は、支持ボックス３４に対してほぼ水平回転可能に取り付けられた第１ロッド３９と、当該第１ロッド３９の先端側に対してほぼ水平回転可能に取り付けられた第２ロッド４０とにより構成されている。

これら第１及び第２ロッド３９，４０は、それらの回転をねじ摘み４１により規制できるようになっており、後述するように患者の患部位置に応じて位置決めされた後は、回転規制がなされた状態で配置される。

前記第２ロッド４０の先端側には、平面視ほぼコ字状のブラケット４３が、第２ロッド４０の端面に沿って回転可能に取り付けられている。このブラケット４３の先端側の内部には、その両内面を支点として回転可能となるブロック体４５が取り付けられている。このブロック体４５は、上下方向に貫通する穴部Ｈが形成されており、当該穴部Ｈには、棒状に設けられたマニピュレータＭが摺動自在に挿入されている。

前記第１アーム３６は、第３のモータ１６の駆動により、下部構造体２１、中間リンク構造体２２及び支持ボックス３４内に適宜配置された歯車Ｇ、プーリＰ、ベルトＶ、ローラＲ等の駆動機構を通じ、支持ボックス３４の上面側となる基端側を支点として、ほぼ水平方向に回転するようになっている。

前記第２アーム３７の先端側には、マニピュレータＭの上部を保持するジンバル機構４８が設けられている。このジンバル機構４８は、上側のカバーを省略した図３に示されるように、ほぼ水平面上を回転可能な向きで配置されたジンバルプーリ５０と、このジンバルプーリ５０の内部に取り付けられたリング部材５１と、このリング部材５１の内部に取り付けられたブロック体５２とにより構成されている。

前記ジンバルプーリ５０は、第１アーム３６側から延びるベルトＶが掛け回されており、第２のモータ１５の駆動により、下部構造体２１、中間リンク構造体２２、支持ボックス３４及び第１アーム３６内に適宜配置された歯車Ｇ、プーリＰ、ベルトＶ、ローラＲ等の駆動機構を通じて、回転されるようになっている。

前記リング部材５１は、その外周面に突出した二箇所のピン５４，５４により、ジンバルプーリ５０の内周面に固定され、当該ジンバルプーリ５０に支持されている。これらピン５４，５４は、周方向二箇所にほぼ１８０度間隔で設けられており、当該ピン５４，５４を支点としてリング部材５１がジンバルプーリ５０内を回転可能となっている。

前記ブロック体５２は、その外周面に突出した二箇所のピン５５，５５により、リング部材５１の内周面に固定され、当該リング部材５１に支持されている。これらピン５５，５５は、リング部材５１の各ピン５４，５４に対し周方向にほぼ９０度離れた周方向二箇所に設けられており、ピン５５，５５を支点としてリング部材５１内をブロック体５２が回転するようになっている。このブロック体５２には、上下方向に貫通する穴部Ｈが形成されており、当該穴部Ｈには、前記マニピュレータＭが摺動自在に挿入されている。

以上のように構成された第２アーム３７は、第４のモータ１７の駆動により、下部構造体２１、中間リンク構造体２２、支持ボックス３４及び第１アーム３６内に適宜配置された歯車Ｇ、プーリＰ、ベルトＶ、ローラＲ等の駆動機構を通じ、第１アーム３６の先端側となる基端側を支点としてほぼ水平方向に回転するようになっている。

次に、手術支援ロボット１０の動作について図１を主として用いながら説明する。

先ず、図示しないＭＲＩのガントリの内部に、ロボット本体１２を設置し、当該ガントリの外側に駆動装置１１を設置する。そして、患者の患部がガントリ内部に位置した状態で、ロボット本体１２の高さ調整を行う。この高さ調整は、第１のモータ１４を駆動させ、中間リンク構造体２２を昇降させることにより行われる。なお、本実施例では、第１のモータ１４を使って高さ調整が行われるが、本発明はこれに限らず、モータを使わずに人間の手によって、中間リンク構造体２２に昇降力を付与することにより、当該中間リンク構造体２２を昇降させるようにしてもよい。

次に、固定用リンク３５を動かして、患者の体表面に空けられたマニピュレータＭの挿入用穴（図示省略）に、第２ロッド４１のブロック体４５を相対させ、その状態で、第１及び第２ロッド３９，４０をねじ摘み４１で固定する。このとき、マニピュレータＭは、前記穴に先端側が挿入された状態で、固定用リンク３５及び第２アーム３７の各ブロック体４５，５２に対し、摺動自在に挿通された状態となっている。

以上の準備が整った後、医師の操作でロボット本体１２を動作させる。図示しない操作具を使って操作を行うことで、第３及び第４のモータ１６，１７が駆動し、これによって、第１及び第２アーム３６，３７が相互に水平方向に動作する。このとき、マニピュレータＭは、第２アーム３７の先端側のジンバル機構４８に保持されているため、固定用リンクのブロック体４５の部分を支点として、マニピュレータＭの上部を周方向に回転させることができ、停止寸前の駒の軸のような動き（ピボット運動）をマニピュレータに付与できる。また、前記操作具による動作指令によって、第２のモータ１５が駆動すると、図２及び図３に示されるジンバルプーリ５０が回転し、それに伴い、リング部材５１及びブロック体５２がジンバルプーリ５０と一体的に回転し、ブロック体５２に挿通されたマニピュレータＭ自体が軸回転することとなる。

従って、このような実施例によれば、第１及び第２アーム３６，３７の水平方向の動作により、手術の際に必要となるマニピュレータＭのピボット運動や軸回転運動が実現可能となる。このため、これら運動を第１及び第２アーム３６，３７を上下方向に動かさずに行うことができ、可動高さの限られたＭＲＩのガントリ内部での使用を可能にするという効果を得る。

また、駆動装置１１を前記ガントリの外側に配置することができ、しかも、当該駆動装置１１からロボット本体１２への駆動力の伝達がゴム製等のベルトＶ等で行われるため、ＭＲＩに磁気やノイズを付与させることなく、ＭＲＩを使った手術支援が可能となる。

なお、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

本実施例に係る手術支援ロボットの要部概略斜視図。 図１の上部を拡大して一部を省略した斜視図。 第２リンクの要部拡大斜視図。

符号の説明

１０ 手術支援ロボット
１１ 駆動装置
１２ ロボット本体
３６ 第１アーム
３７ 第２アーム
４８ ジンバル機構
Ｍ マニピュレータ
Ｖ ベルト

Claims (4)

1. 手術支援ロボットに保持されたマニピュレータを移動させるマニピュレータ移動構造において、
   ほぼ水平方向に動作可能なアームと、このアームの先端側に設けられ、前記マニピュレータを保持するジンバル機構とを備え、
   前記ジンバル機構は、前記アームの動作により、前記マニピュレータの先端側を支点とした当該マニピュレータの回転運動を可能に設けられていることを特徴とするマニピュレータ移動構造。
2. 前記ジンバル機構は、前記マニピュレータを軸回転可能に保持することを特徴とする請求項１記載のマニピュレータ移動構造。
3. 請求項１又は２記載のマニピュレータ移動構造を備えた手術支援ロボットにおいて、
   前記マニピュレータ移動構造を含むロボット本体と、このロボット本体に対して離間した状態で配置されるとともに、前記マニピュレータ移動構造に動力を付与する駆動装置とを備えたことを特徴とする手術支援ロボット。
4. 前記駆動装置からの動力は、非磁性体により形成されたベルトを通じて前記マニピュレータ移動構造に伝達されることを特徴とする請求項３記載の手術支援ロボット。

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