JP2008307310A

JP2008307310A - マニピュレータおよびこれを用いたマニピュレータ装置

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Publication number: JP2008307310A
Application number: JP2007159875A
Authority: JP
Inventors: Teppei Tsujita; 哲平辻田; Hirosuke Kishi; 宏亮岸; Makoto Hashizume; 誠橋爪
Original assignee: Kyushu University NUC; Hitachi Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Hitachi Ltd
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2008-12-25
Anticipated expiration: 2027-06-18
Also published as: JP5041361B2; EP2014252A3; EP2014252A2; US20080310945A1; EP2014252B1; US8758327B2

Abstract

【課題】小型でしかもマニピュレータ先端での移動量が大きい処置が可能なマニピュレータとすること。
【解決手段】マニピュレータは、マニピュレータ軸部１１０と、マニピュレータ軸部１１０に対して直動自在に支持されると共に駆動源の駆動力により駆動される第１ロッド１０９と、第１ロッド１０９に対して回転可能に支持された第１歯車１１２と、マニピュレータ軸部１１０に対して支持される第１ラック１１３と、マニピュレータ軸部１１０に対して第１ロッド１０９と同一方向に直動自在に支持された第２ラック１１５と、第２ラック１１５の駆動力により駆動される処置具４００とを備える。第１ラック１１３と第２ラック１１５とは、互いの歯面が向き合うよう配置されている。第１歯車１１２は、第１ラック１１３と第２ラック１１５との間に挟持されて噛み合った状態に配置されている。
【選択図】図９

Description

本発明は、マニピュレータおよびこれを用いたマニピュレータ装置に係り、特に医療用の小型マニピュレータおよびこれを用いたマニピュレータ装置に好適なものである。

ＭＲＩや超音波スキャナ、内視鏡などの診断装置を用いて患部を観察しながら高周波処置具を患者の体内に穿刺し、体腔内の患部を処置することが行われている。

また、穿刺針を収容する案内部及び穿刺針の駆動装置を備えたマニピュレータ装置（医療装置）において、案内部を２つの部分に分割し、それらの間で穿刺針を駆動ローラで摩擦結合し、遠隔操作によりモータを駆動し、患者の体表から処置具を突刺す直動を可能とすることが、例えば特表２００３−５３４０３８号公報（特許文献１）に記載されている。

また、小さい設置スペースでありながら大きな直動移動量を得るため、多段の伸縮装置とすることが、例えば特開平０９−２８５９８９号公報（特許文献２）に記載されている。

特表２００３−５３４０３８号公報特開平０９−２８５９８９号公報

上記従来技術において、ＭＲＩ等の診断装置のガントリ内などでは極めて狭い空間で針の穿刺を行わなければならず、より小型化することが要求されている。

また、特許文献１に記載のものでは、遠隔操作により穿刺が可能であるが、穿刺以外の処置に対応することが困難であった。さらには、患者の体表から患部に対して直線的に処置具を挿入するため、患部以外の傷をつけてはならない臓器や血管など（以下、障害物と称す）を避けて挿入することが困難な場合があった。

また、種々の処置に対応するには複数の種類のマニピュレータを駆動機構から脱着し交換する必要があるが、駆動機構にモータなどの駆動装置を設置した場合、大型化し診断装置のガントリ内など狭い空間での使用に適さない。また、ガントリ内に駆動装置を設置することにより、診断装置へノイズなどの影響を及ぼす場合がある。

そこで、診断装置のガントリ外など、外部よりワイヤを用いて駆動装置の駆動力を伝達する方法が考えられるが、ワイヤを用いた場合、ワイヤのたるみ等による制御性の悪化、もしくはワイヤの疲労切断の問題が生じる場合もあった。

また、駆動機構を小型化するためには、脱着部から交換可能とされたマニピュレータを駆動するための移動量を小さくしなければならない。そのため、処置を行う術具に対するマニピュレータ先端での移動量が不足する恐れがあった。

マニピュレータ先端での移動量を充分大きくするには、駆動の移動量に対して先端までの間で移動量を増幅すれば良いが、単に特許文献２に記載のような多段の伸縮装置を適用したのでは、伸縮機構の駆動に必要な力が直動移動量の増幅率と等しく増加し、先端での大きな直動力を実現することは困難であった。

本発明の目的は、小型でしかもマニピュレータ先端での処置具の移動量を大きくできるマニピュレータおよびこれを用いたマニピュレータ装置を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、マニピュレータ軸部と、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に駆動力により駆動される第１ロッドと、前記第１ロッドに対して回転可能に支持されると共に当該第１ロッドの移動に伴って移動される第１歯車と、前記マニピュレータ軸部に対して固定された第１ラックと、前記マニピュレータ軸部に対して前記第１ロッドと同一方向に直動自在に支持された第２ラックと、前記第２ラックの移動に伴って生ずる駆動力により駆動される処置具とを備えたマニピュレータであって、前記第１ラックと前記第２ラックとは、当該第１ラックの歯面と当該第２ラックの歯面とが向き合うように平行に配置され、前記第１歯車は、前記第１ラックと前記第２ラックとの間に挟持され、当該第１ラック及び当該第２ラックにそれぞれ噛み合った状態で配置されている構成にしたことにある。

係る本発明の第１の態様におけるより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に駆動力により駆動される第２ロッドと、前記第２ロッドに対して回転可能に支持された第２歯車と、前記マニピュレータ軸部に対して前記第２ロッドと同一方向に直動自在に支持された第３ラックとを備え、前記第２ラックと前記第３ラックとは当該第２ラックの歯面と当該第３ラックの歯面とが向き合うように平行に配置され、前記第２歯車は、前記第２ラックと前記第３ラックとの間に挟持され、当該第２ラック及び当該第３ラックにそれぞれ噛み合った状態で配置され、前記処置具は前記第３ラックの移動に伴って生ずる駆動力により駆動されること。
（２）前記第２ラック、前記第２ロッド、前記第２歯車および前記第３ラックを組とする機構を複数組並べて設けたこと。
（３）前記マニピュレータの中間部に当該マニピュレータを屈曲するマニピュレータ屈曲部を備え、前記マニピュレータ屈曲部は前記第２ラックによる直動運動を当該マニピュレータ屈曲部を介して前記マニピュレータの先端部まで駆動伝達をする屈曲伝達機構を有すること。
（４）前記屈曲伝達機構は、前記第２ラックによる直動運動を回転運動に変換する第１直動伝達用歯車と、前記第１直動伝達用歯車と同軸に設けられて当該第１直動用伝達歯車と同期回転する第１プーリと、前記第１プーリの回転運動を第２プーリに伝達するタイミングベルトと、前記第２プーリと同軸に設けられて当該第２プーリと同期回転する第２直動伝達用歯車と、前記第２直動伝達用歯車に噛み合って設けられた第３直動伝達用歯車と、前記第３直動伝達用歯車に噛み合って設けられた第４直動伝達用歯車と、前記第４直動伝達用歯車と同軸に設けられて当該直動伝達用歯車と同期回転する可撓性を有するラック用歯車と、前記可撓性を有するラック用歯車の回転運動を直動運動に変換して前記処置具への駆動力を発生する可撓性を有するラックとを有すること。
（５）前記マニピュレータの先端部を交換可能としたこと。

また、本発明の第２の態様は、マニピュレータ軸部と、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に駆動力により駆動される第１ロッドと、前記第１ロッドに対して回転可能に支持されると共に当該第１ロッドの移動に伴って移動される第１ローラと、前記マニピュレータ軸部に対して固定された第１プレートと、前記マニピュレータ軸部に対して前記第１ロッドと同一方向に直動自在に支持された第２プレートと、前記第２プレートの移動に伴って生ずる駆動力により駆動される処置具とを備えたマニピュレータであって、前記第１プレートと前記第２プレートとは互いの面が向き合うように平行に配置され、前記第１ローラは、前記第１プレートと前記第２プレートとの間に挟持され、当該第１プレート及び当該第２プレートにそれぞれころがり接触した状態で配置されている構成としたものである。

また、本発明の第３の態様は、マニピュレータと、前記マニピュレータを駆動する駆動装置とを備えたマニピュレータ装置であって、前記マニピュレータは、マニピュレータ軸部と、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に前記駆動装置の駆動力により駆動される第１ロッドと、前記第１ロッドに対して回転可能に支持されると共に当該第１ロッドの移動に伴って移動される第１歯車と、前記マニピュレータ軸部に対して固定された第１ラックと、前記マニピュレータ軸部に対して前記第１ロッドと同一方向に直動自在に支持された第２ラックと、前記第２ラックの移動に伴って生ずる駆動力により駆動される処置具とを備え、前記第１ラックと前記第２ラックとは、当該第１ラックの歯面と当該第２ラックの歯面とが向き合うように平行に配置され、前記第１歯車は、前記第１ラックと前記第２ラックとの間に挟持され、当該第１ラック及び当該第２ラックにそれぞれ噛み合った状態で配置されている構成としたものである。

係る本発明の第３の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記マニピュレータ側に脱着機構を備え、前記駆動装置側に脱着駆動機構を備え、前記マニピュレータ側の脱着機構と前記駆動装置側の脱着駆動機構とを脱着可能としたこと。
（２）前記マニピュレータは、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に駆動力により駆動される第２ロッドと、前記第２ロッドに対して回転可能に支持された第２歯車と、前記マニピュレータ軸部に対して前記第２ロッドと同一方向に直動自在に支持された第３ラックとを備え、前記第２ラックと前記第３ラックとは当該第２ラックの歯面と当該第３ラックの歯面とが向き合うように平行に配置され、前記第２歯車は、前記第２ラックと前記第３ラックとの間に挟持され、当該第２ラック及び当該第３ラックにそれぞれ噛み合った状態で配置され、前記処置具は前記第３ラックの駆動力により駆動されること。

かかる本発明のマニピュレータおよびこれを用いたマニピュレータ装置によれば、小型でしかもマニピュレータ先端での処置具の移動量を大きくできる。

以下、本発明の一実施形態について図１から図１５を用いて説明する。

図１は本実施形態のマニピュレータ装置１０の斜視図である。マニピュレータ装置１０は、マニピュレータ１００、駆動装置、およびリンク機構５００などからなり、複数のマニピュレータ１００を交換することにより種々の処置に対応可能な構成とされている。駆動装置は脱着駆動機構２００および駆動源３００などからなっている。

マニピュレータ１００にはマニピュレータ屈曲部１１９が備わっている。これにより、マニピュレータ１００は障害物を回避する自由度を有する。マニピュレータ屈曲部１１９はマニピュレータ１００の中間部に設けられている。マニピュレータ先端部１１８からマニピュレータ屈曲部１１９の間に、処置具である針４００がマニピュレータ１００の内部に収納されている。この針４００は、マニピュレータ１００により直動されてマニピュレータ先端部１１８から出し入れ可能に配置されている。また、マニピュレータ１００は、脱着機構１０１を介して、脱着駆動機構２００と接続されている。

脱着駆動機構２００は、リンク機構５０１、アーム５０２を介して、例えばベッド６００に設置されたレール６０１に支持されている。アーム５０２の下端部はレール６０１に固定されて設置される。

図２は脱着機構１０１付近の拡大図を示す。マニピュレータ１００に設けられた脱着機構１０１と脱着駆動機構２００とを嵌め合わせ、脱着駆動機構２００のレバー２０１によって脱着機構１０１を固定するようになっている。これらの詳細は後述する。

図３は脱着駆動機構２００の斜視図である。脱着駆動機構２００は、基部２２０、複数の駆動ラック、レバー２０１などからなっている。この複数の駆動ラックは、第１駆動ラック２０４、第２駆動ラック２０３および第３駆動ラック２０２からなっている。

基部２２０は、複数の駆動ラック溝、左右のガイド溝２０８、２０９および左右の側壁２１０、２１１を有している。この複数の駆動ラック溝は、第１駆動ラック溝２０７、第２駆動ラック溝２０６および第３駆動ラック溝２０５からなっている。

第１駆動ラック溝２０７、第２駆動ラック溝２０６および第３駆動ラック溝２０５は、基部２２０の底壁上面にそれぞれ平行に形成されている。そして、第１駆動ラック２０４は第１駆動ラック溝２０７内に移動可能に配置され、第２駆動ラック２０３は第２駆動ラック溝２０６内に配置され、第３駆動ラック２０２は第３駆動ラック溝２０５内に配置されている。各駆動ラック２０２〜２０４は、駆動源３００によりそれぞれ独立して駆動され、各ラック溝２０５〜２０７内で溝方向に直動運動される。

左右のガイド溝２０８、２０９は、脱着機構１０１を脱着駆動機構２００に接続する際に、脱着機構１０１を脱着駆動機構２００の所定位置にガイドするためのものであり、基部２２０におけるラック溝２０５〜２０７の両側で且つマニピュレータ側に位置して設けられている。

左右の側壁２１０、２１１は、脱着駆動機構２００に接続した脱着機構１０１を固定するためのものであり、基部２００における反マニピュレータ側に位置して、基部２００の上面に回動可能に取付けられている。

図４はマニピュレータ１００に設けられた脱着機構１０１の側面図、図５は図４の下面図である。脱着機構１０１は、複数のコンタクト具、左右のガイド１０６、１０７、固定具１０２、ロックバー１４５、ロックラック１４６およびロックバーガイド１４７を有している。この複数のコンタクト具は、第１コンタクトラック１０５、コンタクト歯車１０４および第２コンタクトラック１０３からなっている。

第１コンタクトラック１０５、コンタクト歯車１０４および第２コンタクトラック１０３は、脱着機構１０１を脱着駆動機構２００に接続した際に、第１駆動ラック２０４、第２駆動ラック２０３および第３駆動ラック２０２にそれぞれ噛み合うことができるように設けられている。

左右のガイド１０６、１０７は、左右のガイド溝２０８、２０９の内面形状と同じ外面形状を有しており、脱着機構１０１の両側に設けられている。固定具１０２は、脱着機構１０１の後端面に取付けられ、レバー２０１と係止可能になっている。

円筒形のロックバー１４５は、ロックラック１４６を貫通して両側に突出しており、その両側突出部がロックバーガイド１４７内を上下動するように配置されている。ロックラック１４６はロックバー１４５の上下動に伴って上下動可能に配置され、その下面が歯面となっている。ロックラック１４６が下動した際にその下面の歯面がコンタクト歯車１０４と噛み合い、上動した際にその噛み合いが解除される。

図６は脱着機構１０１と脱着駆動機構２００との接続状態を示す断面図、図７は第２駆動ラック２０３とコンタクト歯車１０４との接続状態を示す断面図、図８はコンタクト歯車１０４のロック状態を示す断面図である。

脱着機構１０１と脱着駆動機構２００との接続は、左右ガイド１０６、１０７を左右ガイド溝２０８、右ガイド溝２０９に挿入し、レバー２０１を図３の矢印方向に回転させ、このレバー２０１を固定具１０２に図６に示すように押し当てることにより行う。このようにレバー２０１で固定具１０２を抑えることにより、マニピュレータ１００を拘束することができ、脱着機構１０１はレバー２０１の回転という容易な方法で脱着することが可能である。また、確実に固定されているかをレバー２０１の向きを見ることにより、簡単に判別することができ、不確実な固定によるマニピュレータ１００の脱落事故を防ぐことが可能である。

脱着駆動機構２００からマニピュレータ１００への駆動力伝達は、脱着機構１０１に設けられた第１コンタクトラック１０５と第１駆動ラック２０４とが噛み合うこと、コンタクト歯車１０４と第２駆動ラック２０３とが噛み合うこと、第２コンタクトラック１０３と第３駆動ラック２０２とが噛み合うことによって行われる。

図７に示すように、コンタクト歯車１０４は第２駆動ラック２０３と噛み合っている。第２駆動ラック２０３は柔軟性を有する駆動装置側ロッド３０２と接続されている。駆動装置側ロッド３０２は柔軟性を有する駆動装置側チューブ３０５の中を通っている。駆動装置側チューブ３０５を固定し、駆動装置側ロッド３０２を駆動源３００によりＡ−Ｂ方向に直動させることにより、第２駆動ラック２０３をＡ−Ｂ方向に直動させることが可能である。この第２駆動ラック２０３の直動運動は、コンタクト歯車１０４によって回転運動に変換される。このように、駆動装置側ロッド３０２を用いることにより、ワイヤ等による駆動伝達に比較して、たるみ等による制御性の悪化を回避することができる。また、ワイヤの場合、疲労切断が問題となる場合が多いが、ロッドの場合には疲労切断が生じにくい。また、直動や回転運動を伝達する際、一般にワイヤの場合ワイヤが最低２本必要となるが、ロッドの場合は１本で直動運動を伝達可能であり、小型化、メンテナンス性の向上などに寄与する。

なお、第１駆動ラック２０４と駆動源３００との駆動力伝達、および第３駆動ラック２０２と駆動源３００との駆動力伝達も、上述した第２駆動ラック２０３と駆動源３００との駆動伝達と同様の構成となっている。

脱着機構１０１を脱着駆動機構２００に取付ける際、コンタクト歯車２０３が初期状態より不意に回転してしまう可能性がある。このため、本実施形態では、ロックバー１４５をロックバーガイド１４７に沿って移動させ、図８に示すようにロックラック１４６をコンタクト歯車１０４に押し当ててロックラック１４６の歯面をコンタクト歯車１０４の歯面と噛み合わせることにより、コンタクト歯車１０４を固定し、不意に回転してしまうことを防止するようになっている。

また、脱着機構１０１を脱着駆動機構２００に取付ける際、ロックバー１４５は、図２に示すように側壁２１０および側壁２１１と接触し、ロックバーガイド１４７に沿って押し上げられる。これにより、図７に示すように、ロックラック１４６とコンタクト歯車１０４とは噛み合わなくなり、駆動源３００によりコンタクト歯車１０４を回転させることが可能となる。取付け時、ロックラック１４６が自動的にコンタクト歯車１０４と噛み合わなくなる機構により、コンタクトラック１０４の固定解除を忘れるなどの事故を未然に防止することができる。

脱着駆動機構２００は、小型化のため、および駆動装置側ロッド３０２のＣ部（図７参照）での座屈を防止するため、第１駆動ラック２０４、第２駆動ラック２０３および第３駆動ラック２０２の直動移動量は限定される。このため、マニピュレータ１００において大きな直動移動量が必要な場合は、直動マニピュレータ１００の脱着機構１０１からマニピュレータ先端部１１８までの間で直動移動量を増幅する必要がある。

図９はマニピュレータ１００における直動移動量を増幅する機構の概略図、図１０は図９の直動移動量増幅機構の断面図である。なお、図９は図を簡明にするためにマニピュレータ屈曲部１１９を省略してある。

図９において、第１コンタクトラック１０５に接続された第１ロッド１０９は、マニピュレータ軸部１１０に、Ａ−Ｂ方向に直動自在に支持されている。第２コンタクトラック１０３に接続された第２ロッド１０８は、マニピュレータ軸部１１０に、Ａ−Ｂ方向に直動自在に支持されている。第２ロッド１０８と第１ロッド１０９とは平行に配置されている。

固定ラック（第１ラック）１１３は、マニピュレータ軸部１１０に固定され、第１歯車１１２に噛み合っている。出力ラック（第３ラック）１１４は、マニピュレータ軸部１１０にＡ−Ｂ方向に直動自在に支持され、第２歯車１１１に噛み合っている。

第１歯車１１２は、その軸が第１ロッド１０９に支持され、伝達ラック１１５に噛み合って回転可能となっている。第２歯車１１１は、その軸が第２ロッド１０８に支持され、伝達ラック（第２ラック）１１５に噛み合って回転可能となっている。

伝達ラック１１５は、マニピュレータ軸部１１０にＡ−Ｂ方向に長く形成された伝達ラック溝１１６内に配置され、伝達ラック溝１１６に沿ってＡ−Ｂ方向に直動される。第１歯車１１２は、固定ラック１１３と伝達ラック１１５との間に挟持され、固定ラック１１３及び伝達ラック１１５にそれぞれ噛み合った状態で配置されている。また、第２歯車１１１は、図１０に示すように、伝達ラック１１５と出力ラック１１４との間に挟持され、伝達ラック１１５及び出力ラック１１４にそれぞれ噛み合った状態で配置されている。

出力ラック１１４の先端には図９に示すように柄１１７が固定されており、この柄１１７には針４００が交換可能な形で取付けられている。

図１１は図９の直動移動量増幅機構の動作説明図である。図１１（ａ）は直動移動量増幅機構の基準状態、図１１（ｂ）は直動移動量増幅機構の一段増幅状態、図１１（ｃ）は直動移動量増幅機構の二段増幅状態をそれぞれ示す。

まず初めに、図１１（ａ）の状態で第１ロッド１０９をＢ方向に直動すると、第１歯車１１２は回転しながら第１ロッド１０９と共にＢ方向に移動される。これによって、第１歯車１１２に噛み合った伝達ラック１１５は、第１歯車１１２の回転によるＢ方向への駆動力と第１歯車１１２の移動によるＢ方向への駆動力との両方の駆動力を受け、第１ロッド１０９の直動移動量に対して２倍の移動量でＢ方向に伝達ラック溝１１６に沿って直動する。この時、第２ロッド１０８を固定した状態にしておくと、第２歯車１１１は伝達ラック１１５の直動によって回転される。この回転によって出力ラック１１４は伝達ラック１１５の移動量と等しい移動量分だけＡ方向に直動される。従って、出力ラック１１４は、図１１（ｂ）に示すように、第１ロッド１０９の移動量の２倍の移動量で針先方向に直動される。

次いで、この図１１（ｂ）の状態で、第１ロッド１０９を固定し、第２ロッド１０８をＡ方向（針先方向）に直動させると、第２歯車１１１は回転しながら第２ロッド１０８と共にＡ方向に移動される。これによって、第２歯車１１１に噛み合った出力ラック１１４は、第２歯車１１１の回転によるＡ方向への駆動力と第２歯車１１１の移動によるＡ方向への駆動力との両方の駆動力を受け、図１１（ｃ）に示すように、第２ロッド１０８の直動移動量に対して２倍の移動量でＡ方向に直動する。

なお、上記動作は、まず初めに第２ロッド１０８を固定して第１ロッド１０９を直動させ、次に第１ロッド１０９を固定して第２ロッド１０８を直動させる例で説明したが、第２ロッド１０８と第１ロッド１０９の移動順序を逆に動作させても同様の効果を得ることができる。また、同時に第２ロッド１０８および第１ロッド１０９を直動さてもよく、この場合には、短い動作時間で大きな移動量を得ることができる。

また、上記直動移動量増幅機構は、脱着駆動機構２００を介してモータなどの駆動源３００により駆動されるが、手動の駆動源でよく、あるいは第２ロッド１０８および第１ロッド１０９をモータなどの駆動源や手動により直接駆動するようにしてもよい。手動により駆動する場合、人間の指などの移動量が少なくても、大きな直動移動量を得ることができ、操作性がよいなどの利点がある。

また、上記脱着駆動機構２００に設けられた駆動ラックの個数は、第１駆動ラック２０４、第２駆動ラック２０３および第３駆動ラック２０２の３個に限られず、交換する複数のマニピュレータ１００のうち、最も自由度を有するマニピュレータが必要とする駆動ラックの数を有すればよい。なお、脱着駆動機構２００は、交換するマニピュレータ１００の脱着機構１０１を統一することにより、様々なマニピュレータに対応することができる。

また、上記実施形態では直動移動量を増幅する機構のために、駆動ラックは第１駆動ラック２０４および第３駆動ラック２０２の２個を使用しているが、２個に限られず１個から複数個使用することができる。駆動ラックを１個のみ使用する際は、上記実施形態において、伝達ラック１１５をマニピュレータ軸部１１０に固定した固定ラックとし、第２歯車１１１、出力ラック１１４および第２ロッド１０８の組のみを使用すればよい。この際、第２ロッド１０８の直動移動量の２倍出力ラックを直動させることが可能である。また、駆動ラックを３個使用する際は、上記実施形態において、出力ラック１１４を新たな伝達ラックとし、第３ロッドに接続された第３歯車と接続し、第３歯車に新たな出力ラックを設ければよい。この際は、３個のロッドの移動量をそれぞれ２倍した総和の移動量で出力ラックを直動させることができる。また、伝達ラック１１５、第２ロッド１０８、第２歯車１１および出力ラック１１４を組とする機構を複数組並べて設ければよい。

本実施形態の直動移動量を増幅する機構は、歯車およびラックからなり、ワイヤを用いることがない。このため、ワイヤの疲労切断やたるみ等を回避でき、メンテナンス性が向上する。また、歯車の径の大きさによることなく、直動移動量の増幅が可能である。

また、一般的に１個の駆動機構によって得られる直動の移動量を増幅する場合、所定の力を出力する際には、１個の駆動機構が必要とする駆動力は直動移動量の増幅率と等しく増大する。しかし、本実施形態では、駆動ラックを複数利用した場合は、出力ラックを直動させるために必要な駆動力を複数の駆動機構に分散することができる。所定の力を出力する際、複数の駆動機構に駆動力を分散した場合、１個の駆動機構が必要とする駆動力は、直動移動量の増幅率を駆動機構の個数で除算した値となる。

なお、本実施形態の直動移動量を増幅する機構では、歯車とラックを用いたが、転がり接触をするローラとプレートを用いてもよい。

図１２は図１のマニピュレータ屈曲部１１９の拡大図、図１３は図１２のマニピュレータ屈曲部１１９における屈曲機構の動作説明図である。なお、図１３（ａ）はマニピュレータ屈曲部１１９が直線状の基準の状態、図１３（ｂ）はマニピュレータ屈曲部１１９が直角に屈曲された状態をそれぞれ示す。

マニピュレータの屈曲は、屈曲用プレート１２０、固定歯車１２１、１２２、ピン１２３、屈曲用リンク１２４、ピン１２５、１２６を用いた屈曲機構により、マニピュレータ軸部１１０に対して先端側ベース部１２７を屈曲させることによってなされる。

固定歯車１２１はマニピュレータ軸部１１０に対してピン１２５を中心として固定されている。また、固定歯車１２２は先端側ベース部１２７に対してピン１２６を中心として固定されている。ここで、固定歯車１２１と固定歯車１２２は噛み合っている状態にある。また、ピン１２５はマニピュレータ軸部１１０に対して回転自由に支持され、ピン１２６は先端側ベース部１２７に対して回転自由に支持されている。屈曲用プレート１２０には、ピン１２５、１２６が貫通しており回転自在に拘束されている。また、屈曲用プレート１２０には屈曲用リンク１２４に固定されたピン１２３が摺動できるよう長孔１２９が設けられている。ここで、屈曲用リンク１２４はマニピュレータ軸部１１０に対して、Ａ−Ｂ方向に対して直動自在に支持されている。

コンタクト歯車１０４には、長孔１２９と同様に屈曲用リンク１２４に固定されたピン１３０が摺動できるよう長孔１２９が設けられている。第２駆動ラック２０３によってコンタクト歯車１０４に回転運動が与えられると、屈曲用リンク１２４はＡ−Ｂ方向にマニピュレータ軸部１１０と直動自在に支持されているため、図１３（ｂ）に示すように、屈曲リンク１２４は直動運動のみをし、回転力が屈曲用プレート１２０に伝達される。屈曲用プレート１２０がピン１２５を中心として回転することにより、ピン１２６と回転自由に拘束されている先端側ベース部１２７が回転する。この際、先端側ベース部１２７に接続されている固定歯車１２２はマニピュレータ軸部１１０に接続されている固定歯車１２１と噛み合っているため、先端側ベース部１２７は屈曲用プレートの回転とともにピン１２６を中心に回転する。

屈曲リンク１２４は直動運動のみをするため、屈曲リンク１２４に固定されたピン１２３とピン１３０をそれぞれ屈曲用プレート１２０とコンタクト歯車１０４に回転自在に拘束し、平行リンク構造によって回転力を伝達する場合と比較して、屈曲リンク１２４の上下運動分の空間を用意する必要が無く、機構の小型化に寄与する。また、上下運動分の空間を利用して、リンクの幅を太くし、より大きな力を伝達可能とすることもできる。

なお、本実施形態では、固定歯車１２１、１２２を用いているが、滑らずに転がり接触をする接触部材であればよい。

図１４はマニピュレータ屈曲部１１９における屈曲伝達機構の動作説明図である。この屈曲伝達機構は、出力ラック１１４の直動運動を、マニピュレータ屈曲部１１９を介して伝達し、マニピュレータ１００の先端に収納された針４００を直動させる機構である。

図１４（ａ）はマニピュレータ屈曲部１１９が直線状の状態を示す。まず、図１４（ａ）の出力ラック１１４の直動運動は直動伝達用歯車１３７で回転運動に変換される。この直動伝達用歯車１３７と同軸に、この直動用伝達歯車１３７と同期回転するプーリ１３３を配している。プーリ１３３の回転運動は、タイミングベルト１３１によってプーリ１３２に伝達される。プーリ１３２と同軸に、このプーリ１３２と同期回転する直動伝達用歯車１３４を配している。直動伝達用歯車１３４はピン１２５を中心に回転する直動伝達用歯車１３５と噛み合っており、直動伝達用歯車１３５は直動伝達用歯車１３６と噛み合っている。ここで、直動伝達用歯車１３５は固定歯車１２１と等しい直径を有し、直動伝達用歯車１３６は固定歯車１２２と等しい直径を有する。この直動伝達用歯車１３６と同軸に、この直動伝達用歯車１３６と同期回転する樹脂製ラック用歯車１３８を配している。従って、出力ラック１１４から変換された回転運動は、樹脂製ラック用歯車１３８まで伝達される。樹脂製ラック用歯車１３８の回転運動は、樹脂製ラック１３９によって再度直動運動に変換される。また、柄１１７には、樹脂製ラック１３９が固定されており針４００が交換可能な形で取付けられている。柄１１７は、図１５に示す針ガイド１４１の内部を針４００の先端方向に直動することが可能となっている。これにより、出力ラック１１４の直動運動により針４００を直動運動させることが可能となる。

図１４（ｂ）はマニピュレータ屈曲部１１９が直角に屈曲された状態を示す。直動伝達用歯車１３５は固定歯車１２１と等しい直径を有し、直動伝達用歯車１３６は固定歯車１２２と等しい直径を有するため、屈曲の際に、直動伝達用歯車１３６と先端側ベース部１２７はピン１２６を軸に等しく回転し、直動伝達用歯車１３６と先端側ベース部１２７間の相対角度は変わらない。従って、屈曲だけをした場合、樹脂製ラック１３９が駆動されることはなく、屈曲運動と直動運動が干渉しない。

図１４（ｂ）に示すように、樹脂製ラック１３９の柄１１７と固定されていない側の樹脂製ラック端面１４８は、マニピュレータ軸部１１０の内部に収納されており、樹脂製ラック１３９の端により体内の患部ではない臓器や血管などを傷つけないといったように、周囲の環境に影響を及ぼさないようにしている。マニピュレータ屈曲部１１９において屈曲をした際も、図１４（ｂ）に示すように適切な曲率半径をもって樹脂製ラック１３９をマニピュレータ軸部１１０の内部に収納できるよう、切欠き１４２をマニピュレータ軸部１１０の下部に設けている。

図１５は本実施形態における針ガイド１４１付近の拡大図を示す。針ガイド１４１には、取付溝１４３が設けられている。先端側ベース部１２７に固定された固定ピン１４４を取付溝１４３に嵌め合わせることにより、針ガイド１４１は容易に脱着可能な形式で先端側ベース部１２７と固定されている。目的に応じて、針ガイド１４１の針４００の先端方向に対して長さを変えたものを取付けることにより、マニピュレータ屈曲部１１９からマニピュレータ先端部１１８までの長さを調節することが可能である。また、マニピュレータ先端部１１８は、図１１に示すように円錐状の形状をしており、針の穿刺の際に、針を突刺す箇所の視野を広げるようにしている。

本実施形態によれば、先端の移動量が大きく、体内の障害物を回避しつつ処置具を挿入するといった処置が可能な、細いマニピュレータを実現することができる。また、マニピュレータを交換可能として脱着でき、脱着駆動機構により駆動可能な汎用的であり、メンテナンス性と制御性の両立した脱着機構を備えた多機能な処置が可能なマニピュレータ装置を構成することができる。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータ装置の斜視図である。図１のマニピュレータ装置における脱着機構付近の拡大図である。図１のマニピュレータ装置における脱着駆動機構の斜視図である。図１のマニピュレータ装置における脱着機構の側面図である。図１のマニピュレータ装置における脱着機構の下面図である。図１のマニピュレータ装置における脱着機構と脱着駆動機構との接続状態を表す断面図である。図１のマニピュレータ装置における第２駆動ラックとコンタクト歯車との接続状態を示す断面図である。図１のマニピュレータ装置におけるコンタクト歯車のロック状態を示す断面図である。図１のマニピュレータ装置におけるマニピュレータの直動移動量を増幅する機構の概略図である。図９の直動移動量増幅機構の断面図である。図９の直動移動量増幅機構の動作説明図である。図１のマニピュレータ装置におけるマニピュレータ屈曲部の拡大図である。図１２のマニピュレータ屈曲部における屈曲機構の動作説明図である。図１のマニピュレータ装置におけるマニピュレータ屈曲部の屈曲伝達機構の動作説明図である。図１のマニピュレータ装置における針ガイド付近の拡大図である。

符号の説明

１０…マニピュレータ装置、１００…小型マニピュレータ、１０１…脱着機構、１０２…固定具、１０３…第２コンタクトラック、１０４…コンタクト歯車、１０５…第１コンタクトラック、１０６…左ガイド、１０７…右ガイド、１０８…第２ロッド、１０９…第１ロッド、１１０…小型マニピュレータ軸部、１１１…第２歯車、１１２…第１歯車、１１３…固定ラック（第１ラック）、１１４…出力ラック（第３ラック）、１１５…伝達ラック（第２ラック）、１１６…伝達ラック溝、１１７…柄、１１８…マニピュレータ先端部、１１９…マニピュレータ屈曲部、１２０…屈曲用プレート、１２１、１２２…固定歯車、１２３…ピン、１２４…屈曲用リンク、１２５、１２６…ピン、１２７…先端側ベース部、１２８、１２９…長孔、１３０…ピン、１３１…タイミングベルト、１３２、１３３…プーリ、１３４、１３５、１３６、１３７…直動伝達用歯車、１３８…樹脂製ラック用歯車、１３９…樹脂製ラック、１４０…プレート、１４１…針ガイド、１４２…切欠き、１４３…取付溝、１４４…固定ピン、１４５…ロックバー、１４６…ロックラック、１４７…ロックバーガイド、１４８…樹脂製ラック端面、２００…脱着駆動機構、２０１…レバー、２０２…第３駆動ラック、２０３…第２駆動ラック、２０４…第１駆動ラック、２０５…第３駆動ラック溝、２０６…第２駆動ラック溝、２０７…第１駆動ラック溝、２０８…左ガイド溝、２０９…右ガイド溝、２１０、２１１…側壁、２２０…基部、３００…駆動源、３０１…第１ロッド、３０２…駆動装置側ロッド、３０５…駆動装置側チューブ、４００…針（処置具）、５０１…リンク機構、５０２…アーム、６００…ベッド、６０１…レール。

Claims

マニピュレータ軸部と、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に駆動力により駆動される第１ロッドと、前記第１ロッドに対して回転可能に支持されると共に当該第１ロッドの移動に伴って移動される第１歯車と、前記マニピュレータ軸部に対して固定された第１ラックと、前記マニピュレータ軸部に対して前記第１ロッドと同一方向に直動自在に支持された第２ラックと、前記第２ラックの移動に伴って生ずる駆動力により駆動される処置具とを備えたマニピュレータであって、
前記第１ラックと前記第２ラックとは、当該第１ラックの歯面と当該第２ラックの歯面とが向き合うように平行に配置され、
前記第１歯車は、前記第１ラックと前記第２ラックとの間に挟持され、当該第１ラック及び当該第２ラックにそれぞれ噛み合った状態で配置されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
請求項１において、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に駆動力により駆動される第２ロッドと、前記第２ロッドに対して回転可能に支持された第２歯車と、前記マニピュレータ軸部に対して前記第２ロッドと同一方向に直動自在に支持された第３ラックとを備え、前記第２ラックと前記第３ラックとは当該第２ラックの歯面と当該第３ラックの歯面とが向き合うように平行に配置され、前記第２歯車は、前記第２ラックと前記第３ラックとの間に挟持され、当該第２ラック及び当該第３ラックにそれぞれ噛み合った状態で配置され、前記処置具は前記第３ラックの移動に伴って生ずる駆動力により駆動されることを特徴とするマニピュレータ。
請求項２において、前記第２ラック、前記第２ロッド、前記第２歯車および前記第３ラックを組とする機構を複数組並べて設けたことを特徴とするマニピュレータ。
請求項１において、前記マニピュレータの中間部に当該マニピュレータを屈曲するマニピュレータ屈曲部を備え、前記マニピュレータ屈曲部は前記第２ラックによる直動運動を当該マニピュレータ屈曲部を介して前記マニピュレータの先端部まで駆動伝達をする屈曲伝達機構を有することを特徴とするマニピュレータ。
請求項４において、前記屈曲伝達機構は、前記第２ラックによる直動運動を回転運動に変換する第１直動伝達用歯車と、前記第１直動伝達用歯車と同軸に設けられて当該第１直動用伝達歯車と同期回転する第１プーリと、前記第１プーリの回転運動を第２プーリに伝達するタイミングベルトと、前記第２プーリと同軸に設けられて当該第２プーリと同期回転する第２直動伝達用歯車と、前記第２直動伝達用歯車に噛み合って設けられた第３直動伝達用歯車と、前記第３直動伝達用歯車に噛み合って設けられた第４直動伝達用歯車と、前記第４直動伝達用歯車と同軸に設けられて当該直動伝達用歯車と同期回転する可撓性を有するラック用歯車と、前記可撓性を有するラック用歯車の回転運動を直動運動に変換して前記処置具への駆動力を発生する可撓性を有するラックとを有することを特徴とするマニピュレータ。
請求項４または５において、前記マニピュレータの先端部を交換可能としたことを特徴とするマニピュレータ。
マニピュレータ軸部と、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に駆動力により駆動される第１ロッドと、前記第１ロッドに対して回転可能に支持されると共に当該第１ロッドの移動に伴って移動される第１ローラと、前記マニピュレータ軸部に対して固定された第１プレートと、前記マニピュレータ軸部に対して前記第１ロッドと同一方向に直動自在に支持された第２プレートと、前記第２プレートの移動に伴って生ずる駆動力により駆動される処置具とを備えたマニピュレータであって、
前記第１プレートと前記第２プレートとは互いの面が向き合うように平行に配置され、
前記第１ローラは、前記第１プレートと前記第２プレートとの間に挟持され、当該第１プレート及び当該第２プレートにそれぞれころがり接触した状態で配置されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
マニピュレータと、前記マニピュレータを駆動する駆動装置とを備えたマニピュレータ装置であって、
前記マニピュレータは、マニピュレータ軸部と、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に前記駆動装置の駆動力により駆動される第１ロッドと、前記第１ロッドに対して回転可能に支持されると共に当該第１ロッドの移動に伴って移動される第１歯車と、前記マニピュレータ軸部に対して固定された第１ラックと、前記マニピュレータ軸部に対して前記第１ロッドと同一方向に直動自在に支持された第２ラックと、前記第２ラックの移動に伴って生ずる駆動力により駆動される処置具とを備え、
前記第１ラックと前記第２ラックとは、当該第１ラックの歯面と当該第２ラックの歯面とが向き合うように平行に配置され、
前記第１歯車は、前記第１ラックと前記第２ラックとの間に挟持され、当該第１ラック及び当該第２ラックにそれぞれ噛み合った状態で配置されている
ことを特徴とするマニピュレータ装置。
請求項８において、前記マニピュレータ側に脱着機構を備え、前記駆動装置側に脱着駆動機構を備え、前記マニピュレータ側の脱着機構と前記駆動装置側の脱着駆動機構とを脱着可能としたことを特徴とするマニピュレータ装置。
請求項９において、前記マニピュレータは、前記マニピュレータ軸部に対して直動自在に支持されると共に駆動力により駆動される第２ロッドと、前記第２ロッドに対して回転可能に支持された第２歯車と、前記マニピュレータ軸部に対して前記第２ロッドと同一方向に直動自在に支持された第３ラックとを備え、前記第２ラックと前記第３ラックとは当該第２ラックの歯面と当該第３ラックの歯面とが向き合うように平行に配置され、前記第２歯車は、前記第２ラックと前記第３ラックとの間に挟持され、当該第２ラック及び当該第３ラックにそれぞれ噛み合った状態で配置され、前記処置具は前記第３ラックの駆動力により駆動されることを特徴とするマニピュレータ装置。