JP2010227331A - Medical manipulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、腹腔鏡下手術で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 in laparoscopic surgery.
腹腔鏡下手術においては、患者の腹部等に小さな孔をいくつかあけて内視鏡、マニピュレータ(又は鉗子)等を挿入し、術者が内視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような腹腔鏡下手術は、開腹を必要としないため患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減されることから、適用分野の拡大が期待されている。 In laparoscopic surgery, a small hole is made in the patient's abdomen, etc., and an endoscope, manipulator (or forceps), etc. are inserted, and the surgeon performs the operation while viewing the endoscope image on the monitor. Yes. Since such laparoscopic surgery does not require laparotomy, the burden on the patient is small, and the number of days until postoperative recovery and discharge is greatly reduced, and therefore, the application field is expected to expand.
一方、腹腔鏡下手術で用いるマニピュレータには、患部の位置及び大きさに応じて迅速且つ適切な手技が可能であることが望まれており、しかも患部切除、縫合及び結紮等の様々な手技が行われる。このため、本出願人は、操作の自由度が高くしかも簡便に操作することのできるマニピュレータの提案をしている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。 On the other hand, manipulators used in laparoscopic surgery are desired to be capable of quick and appropriate procedures depending on the position and size of the affected area, and various techniques such as excision of the affected area, suturing and ligation are required. Done. For this reason, the present applicant has proposed a manipulator that has a high degree of freedom in operation and can be easily operated (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
これらのマニピュレータでは、動力伝達機構としてワイヤ・プーリ機構が適用されている。ワイヤ・プーリ機構は、簡便であって動力伝達効率が高いためである。 In these manipulators, a wire pulley mechanism is applied as a power transmission mechanism. This is because the wire pulley mechanism is simple and has high power transmission efficiency.
軟性鏡下・腹腔鏡下手術に用いられている従来の一般的な鉗子では、先端動作部に加わる外力や把持する把持力等は、直接的ではないが、鉗子本体を介して手元に反作用として伝わることから、操作者はこれらの力をある程度は感じ取ることができ、適度によい操作性が得られる。しかしながら、従来の鉗子は自由度が少なく(例えば1自由度である。)、組織を把持する方向や切断する方向、縫合針の刺入方向が限られていて不便であると共に、操作に熟練性が要求される。 With conventional general forceps used for flexible and laparoscopic surgery, the external force applied to the distal end working part and the gripping force to grip are not direct, but as a reaction to the hand through the forceps body Accordingly, the operator can feel these forces to some extent, and moderately good operability can be obtained. However, the conventional forceps have a low degree of freedom (for example, one degree of freedom), and are inconvenient due to limited gripping direction, cutting direction, and suture needle insertion direction, and skill in operation. Is required.
より高い自由度を得るためには、例えば、マスタ・スレーブ方式の遠隔操作型手術ロボットを適用することが考えられる。該ロボットは、高い自由度を有すると共に、患部に対して任意の方向からのアプローチが可能で、操作性に優れるという利点があるものの、先端動作部に加わる外力や把持力等はマスタ側には伝わらない。 In order to obtain a higher degree of freedom, for example, it is conceivable to apply a master / slave remote operation type surgical robot. Although the robot has a high degree of freedom and has the advantage of being able to approach the affected part from any direction and having excellent operability, the external force and gripping force applied to the tip operating part are not applied to the master side. I don't get it.
マスタ・スレーブ方式のロボットにおいて、マスタ側で力感覚を得るためには、高感度な力覚センサシステムや高速なサンプリングタイムを有する計算機システムによる高度なバイラテラル制御が必須となり、高価で複雑なシステムとなる。また、バイラテラル制御は実用に値する十分な性能が得られていないのが現状である。 In order to obtain a force sensation on the master side in a master / slave robot, advanced bilateral control using a highly sensitive force sensor system and a computer system with a fast sampling time is essential, which is an expensive and complicated system. It becomes. In addition, bilateral control has not been able to obtain practically sufficient performance.
それに対して、本出願人によってすでに提案されている多自由度鉗子、すなわち、先端動作部に関節を備え、操作部の指令に基づいてモータ制御により各関節を駆動する多自由度鉗子は、操作部(操作ハンドル)と作業部(先端関節部)が一体化されているため、従来の鉗子と同様に先端動作部に作用する外力や把持力等が、直接ではないが、多自由度鉗子本体を介して操作部側に伝わる。従って、操作者はこれらの力をある程度は感じ取ることができる。しかしながら、このような多自由度鉗子においてもさらに力を感じ取ることのできる多自由度鉗子の要望があり、特に把持力について力を感じ取ることのできる多自由度鉗子が望まれている。 On the other hand, the multi-degree-of-freedom forceps already proposed by the present applicant, that is, the multi-degree-of-freedom forceps having a joint in the distal end working unit and driving each joint by motor control based on a command of the operation unit, Since the head (operating handle) and the working part (tip joint) are integrated, external force and gripping force acting on the tip operating part is not direct, as with conventional forceps. Is transmitted to the operation unit side. Therefore, the operator can feel these forces to some extent. However, there is a need for a multi-degree-of-freedom forceps that can sense a force even in such a multi-degree-of-freedom forceps, and a multi-degree-of-freedom forceps that can sense a force with respect to a gripping force is particularly desired.
このような把持力を感じ取ることのできる多自由度鉗子においても、前記の特許文献1及び特許文献2と同様にワイヤ・プーリ機構を適用することが考えられる。 Also in the multi-degree-of-freedom forceps that can sense such a gripping force, it is conceivable to apply the wire / pulley mechanism similarly to the above-mentioned Patent Document 1 and Patent Document 2.
ところが、マニピュレータの先端動作部は、腹腔内に挿入され、より狭い領域で使用するために、極めて小さいことが要求される。一方、先端動作部を小型化するために、ワイヤ・プーリ機構の小型化を図った場合、寸法上の制約から先端動作部の動作角度が狭まってしまう懸念が生じる。 However, the distal end working part of the manipulator is inserted into the abdominal cavity and is required to be extremely small for use in a narrower region. On the other hand, when the wire / pulley mechanism is downsized in order to reduce the size of the tip operating portion, there is a concern that the operating angle of the tip operating portion is narrowed due to dimensional constraints.
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、先端動作部の小型化を図りつつ、該先端動作部の広い動作角度の維持を可能にする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 consideration of such problems, and an object of the present invention is to provide a medical manipulator capable of maintaining a wide operating angle of the distal end working unit while reducing the size of the distal end working unit. And
本発明に係る医療用マニピュレータは、駆動部材の進退により、先端側に設けられたエンドエフェクタが動作をする医療用マニピュレータであって、前記エンドエフェクタに駆動力を伝達する伝達部材と、前記伝達部材を進退可能に支持する主軸部材と、前記伝達部材の基端側近傍に一体化して形成され、基端側に向けて凸形状の円弧凸面を備えると共に、先端側で前記円弧凸面がその一部を形成する仮想円よりも内部に入り込む形状で先端側に向けて非凸形状の欠損部を形成する円弧形状の一体型受動体と、前記一体型受動体と前記伝達部材の先端との間に、前記主軸部材に位置が固定されて設けられた折り返し円柱体と、前記駆動部材に一部が接続され、前記円弧凸面と前記折り返しプーリとの間にわたって1回以上巻き掛けられた環状の可撓性部材とを有し、前記駆動部材が基端側に向かって移動して前記可撓性部材を引くことにより、前記一体型受動体は前記伝達部材と共に先端側に向かって移動し、前記折り返し円柱体の基端側は、前記欠損部まで入り込むことを特徴とする。 The medical manipulator according to the present invention is a medical manipulator in which an end effector provided on the distal end side operates by the advancement and retraction of the drive member, the transmission member transmitting a driving force to the end effector, and the transmission member A main shaft member that supports the reciprocating movement of the transmission member and a proximal end side of the transmission member. The main shaft member includes an arc convex surface that is convex toward the base end side, and the arc convex surface is a part of the arc surface on the distal end side. An arc-shaped integrated passive body that forms a non-convex defect portion toward the front end side in a shape that enters the inside of the virtual circle that forms the gap between the integrated passive body and the front end of the transmission member A folded cylinder provided with its position fixed to the main shaft member, and a ring partly connected to the drive member and wound around at least once between the arc convex surface and the folding pulley. A flexible member, and when the driving member moves toward the proximal end side and pulls the flexible member, the integrated passive member moves toward the distal end side together with the transmission member; The proximal end side of the folded cylindrical body enters into the defect portion.
このように、折り返し円柱体が欠損部に入り込む構成とすることにより、伝達部材の移動可能距離が長く確保されることで、先端動作部の広い動作角度を維持することができる。さらに、前記伝達部材が最も基端側へ移動した状態における折り返し円柱体の先端側から伝達部材の基端側までの距離を短縮できることから、伝達部材を小型化でき、医療用マニピュレータの小型化が可能となる。また、一体型受動体が、伝達部材に一体化して形成されているため、部品点数の削減が可能となる。なお、ここでいう円弧形状とは、厳密な意味ではなく、例えば、三日月、半月、扇形等も含む。さらに、円弧凸面における円弧は厳密な意味ではなく、例えば、楕円弧等も含む。 In this way, by adopting a configuration in which the folded cylindrical body enters the defect portion, a long movable distance of the transmission member is ensured, so that a wide operating angle of the distal end operating portion can be maintained. Furthermore, since the distance from the distal end side of the folded cylindrical body to the proximal end side of the transmission member in a state where the transmission member is moved to the most proximal side can be shortened, the transmission member can be reduced in size, and the medical manipulator can be reduced in size. It becomes possible. In addition, since the integrated passive body is formed integrally with the transmission member, the number of parts can be reduced. In addition, the circular arc shape here does not have a strict meaning, but includes, for example, a crescent moon, a half moon, and a fan shape. Furthermore, the arc on the convex arc surface is not a strict meaning and includes, for example, an elliptical arc.
また、前記欠損部は、先端側に向けて開口した円弧凹面によって形成されてもよい。 Moreover, the said defect | deletion part may be formed by the circular arc concave surface opened toward the front end side.
これによって、伝達部材を小型化できることで、医療用マニピュレータの小型化が可能となる。なお、円弧凹面における円弧は厳密な意味ではなく、例えば、楕円弧等も含む。 Accordingly, the transmission member can be reduced in size, so that the medical manipulator can be reduced in size. In addition, the circular arc in an arc concave surface is not a strict meaning, for example, an elliptical arc etc. are included.
さらに、前記駆動部材が基端側に向かって移動して前記可撓性部材を引くことにより、前記一体型受動体は前記伝達部材と共に先端側に向かって移動し、前記折り返し円柱体の基端側は、前記円弧凹面の凹面両端を結ぶ弦線を越えて、前記円弧凹面が形成する円弧凹部の内部まで入り込んでもよい。 Further, when the driving member moves toward the proximal end and pulls the flexible member, the integrated passive member moves toward the distal end side together with the transmission member, and the proximal end of the folded cylindrical body The side may extend into a circular arc recess formed by the circular arc concave surface, beyond a chord line connecting both ends of the concave surface of the circular arc concave surface.
これによって、伝達部材を小型化できることで、医療用マニピュレータの小型化が可能となる。なお、円弧凹面における円弧は厳密な意味ではなく、例えば、楕円弧等も含む。 Accordingly, the transmission member can be reduced in size, so that the medical manipulator can be reduced in size. In addition, the circular arc in an arc concave surface is not a strict meaning, for example, an elliptical arc etc. are included.
さらにまた、前記駆動部材、前記エンドエフェクタ、前記一体型受動体、前記折り返し円柱体、前記可撓性部材と、前記伝達部材より基端側に設けられたアイドル円柱体と、前記アイドル円柱体と前記伝達部材との間に設けられたガイド円柱体とを含む第2エンドエフェクタ駆動機構と、前記伝達部材の基端側近傍に設けられた受動円柱体と、前記駆動部材、前記可撓性部材、前記アイドル円柱体、前記受動円柱体、前記ガイド円柱体に相当する部材を備える第1エンドエフェクタ駆動機構と、前記第1エンドエフェクタ駆動機構の前記駆動部材と前記第2エンドエフェクタの前記駆動部材を逆方向に進退させる駆動部材進退機構とを有してもよい。 Furthermore, the drive member, the end effector, the integrated passive body, the folded cylinder, the flexible member, an idle cylinder provided on the proximal side from the transmission member, and the idle cylinder A second end effector drive mechanism including a guide cylinder provided between the transmission member, a passive cylinder provided in the vicinity of a proximal end of the transmission member, the drive member, and the flexible member; , A first end effector drive mechanism comprising members corresponding to the idle cylinder, the passive cylinder, and the guide cylinder, the drive member of the first end effector drive mechanism, and the drive member of the second end effector And a drive member advancing / retreating mechanism for advancing and retreating in the reverse direction.
これによって、エンドエフェクタについていずれか一方に向かう動作を第1エンドエフェクタ駆動機構による直接的な駆動とし、他方に向かう動作を第2エンドエフェクタ駆動機構による直接的な駆動とすることができる。 As a result, the movement toward one of the end effectors can be directly driven by the first end effector driving mechanism, and the movement toward the other can be directly driven by the second end effector driving mechanism.
また、前記円弧凹面は、前記折り返し円柱体と平面視同径、又は前記折り返し円柱体より平面視大径の円弧であってもよい。 Further, the arcuate concave surface may be an arc having the same diameter as that of the folded column body in plan view or a larger diameter in plan view than the folded column body.
これによって、折り返し円柱体が、より深く仮想円の内部、又は円弧凹面が形成する円弧凹部の内部まで入り込むことにより、伝達部材を小型化でき、医療用マニピュレータの小型化が可能になる。 As a result, the folded cylindrical body enters deeper into the virtual circle or into the arc recess formed by the arc concave surface, whereby the transmission member can be reduced in size, and the medical manipulator can be reduced in size.
さらにまた、前記円弧凸面は、前記折り返し円柱体と平面視同径の円弧であってもよい。 Furthermore, the circular arc convex surface may be an arc having the same diameter as that of the folded cylindrical body in plan view.
これによって、可撓性部材の屈曲をなくして、その負荷を低減することができる。 Thereby, the bending of the flexible member can be eliminated and the load can be reduced.
さらにまた、前記円弧凸面は、平面視中心角が140°〜220°の円弧であってもよい。 Furthermore, the arc convex surface may be an arc having a central angle in a plan view of 140 ° to 220 °.
これによって、可撓性部材の屈曲をなくして、その負荷を低減することができる。 Thereby, the bending of the flexible member can be eliminated and the load can be reduced.
また、前記伝達部材、前記一体型受動体、及び前記折り返し円柱体を収容する主軸部材と、前記主軸部材によって支持されたピンとを有し、前記ピンは、前記折り返し円柱体を軸支する片持ち梁であってもよい。 In addition, the transmission member, the integral passive body, a main shaft member that accommodates the folded column body, and a pin supported by the main shaft member, the pin is a cantilever that pivotally supports the folded column body It may be a beam.
これによって、伝達部材を小型化することで、医療用マニピュレータを小型化しても、先端動作部の動作角度を維持することができる。 Thus, by reducing the size of the transmission member, the operating angle of the distal end working unit can be maintained even if the medical manipulator is downsized.
また、前記アイドル円柱体は、前記ガイド円柱体より大径の円柱体であってもよい。 The idle cylinder may be a cylinder having a larger diameter than the guide cylinder.
これによって、アイドル円柱体とガイド円柱体との隙間を狭めることで、ヨー動作の動作範囲を広くすることができる。 Thereby, the operating range of the yaw operation can be widened by narrowing the gap between the idle cylinder and the guide cylinder.
また、前記駆動部材は、人手によって操作する入力部に対して機械的に接続されていてもよい。 The drive member may be mechanically connected to an input unit operated manually.
これによって、医療用マニピュレータは、強い把持力が得られると共に、先端動作部に加わる力は、操作者に伝達される。 As a result, the medical manipulator can obtain a strong gripping force, and the force applied to the distal end working unit is transmitted to the operator.
本発明に係る医療用マニピュレータによれば、伝達部材の最大移動可能距離を変えないことから、先端動作部の広い動作角度を維持したまま、前記伝達部材が最も基端側へ移動した状態において、折り返し円柱体の先端側から伝達部材の基端側までの距離を短縮できることから、先端動作部、特に伝達部材の小型化を図ることで、医療用マニピュレータの小型化を可能にするという効果を達成することができる。また、一体型受動体が、伝達部材に一体化して形成されているため、部品点数の削減という効果を達成することができる。 According to the medical manipulator according to the present invention, since the maximum movable distance of the transmission member is not changed, the transmission member is moved to the most proximal side while maintaining a wide operation angle of the distal end operation unit. Since the distance from the distal end side of the folded cylindrical body to the proximal end side of the transmission member can be shortened, the effect of enabling miniaturization of the medical manipulator is achieved by reducing the size of the distal end working part, particularly the transmission member. can do. Moreover, since the integrated passive body is formed integrally with the transmission member, the effect of reducing the number of parts can be achieved.
以下、本発明に係る医療用マニピュレータについて実施の形態を挙げ、添付の図1〜図19を参照しながら説明する。 Embodiments of the medical manipulator according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1に示すように、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ10は、医療用のマニピュレータシステムの一部であり、コントローラ45に接続されている。
As shown in FIG. 1, a
コントローラ45は、医療用マニピュレータ10の電気的な制御をする部分であり、グリップハンドル26の下端部から延在するケーブル62に対してコネクタを介して接続されている。コントローラ45は、医療用マニピュレータ10を独立的に複数台同時に制御することができる。もちろん、1台の医療用マニピュレータ10を制御するコントローラを用いてもよい。
The
医療用マニピュレータ10は、先端動作部12aに生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うためのものであり、通常、把持鉗子やニードルドライバ(持針器)等とも呼ばれる。
The
図1及び図2に示すように、医療用マニピュレータ10は、人手によって把持及び操作される操作部14と、該操作部14に固定された作業部16とを有する。操作部14と作業部16とは一体構成であるが、条件に応じて分離可能な構成にしてもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
以下の説明では、図1及び図2における幅方向をX方向、高さ方向をY方向、及び連結シャフト48の延在方向をZ方向と規定する。また、先端側から見て右方をX1方向、左方をX2方向、上方向をY1方向、下方向をY2方向、前方をZ1方向、後方をZ2方向と規定する。さらに、特に断りのない限り、これらの方向の記載は医療用マニピュレータ10が中立姿勢である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、医療用マニピュレータ10は任意の向きで(例えば、上下を反転させて)使用可能であることはもちろんである。
In the following description, the width direction in FIGS. 1 and 2 is defined as the X direction, the height direction is defined as the Y direction, and the extending direction of the connecting
作業部16は、作業を行う先端動作部12aと、該先端動作部12aと操作部14とを連接する長尺で中空の連結シャフト48とを有する。先端動作部12a及び連結シャフト48は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール20から体腔22内に挿入可能であり、複合入力部34の操作により体腔22内において患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。
The working
操作部14は、人手によって把持されるグリップハンドル26と、該グリップハンドル26の上部から延在するブリッジ28と、該ブリッジ28の先端に接続されたアクチュエータブロック30とトリガレバー(入力部)32を有する。
The
図1に示すように、操作部14のグリップハンドル26は、ブリッジ28の端部からY2方向に向かって延在しており、人手によって把持されるのに適した長さであり、複合入力部34を有する。
As shown in FIG. 1, the grip handle 26 of the
グリップハンドル26の下端には、コントローラ45に接続されるケーブル62が設けられている。グリップハンドル26とケーブル62とは一体的に接続されている。グリップハンドル26とケーブル62とはコネクタにより接続されていてもよい。
A
複合入力部34は、先端動作部12aに対してロール方向(軸回転方向)及びヨー方向(左右方向)の回転指令を与える複合的な入力手段であり、例えば横方向に動作する第1入力手段34aによってヨー方向指示を行い、軸回転に動作する第2入力手段34bによってロール方向指示を行うことができる。トリガレバー32は、先端動作部12aのエンドエフェクタ104(図1参照)の開閉指令を与える入力手段である。エンドエフェクタ104は種々の形式があるが、医療用マニピュレータ10では開閉可能なグリッパを設けている。
The
複合入力部34には操作量を検出する入力センサが設けられており、検出した動作信号(例えばアナログ信号)をコントローラ45に供給する。
The
トリガレバー32は、ブリッジ28のやや下方に設けられたレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。トリガレバー32は、アクチュエータブロック30に対して第1リンク64及び第2リンク66によって接続されており、グリップハンドル26に対して進退するように構成されている。第1リンク64はブリッジ28の一部に対して軸支されて揺動可能であり、Y2方向端にトリガレバー32が設けられている。第2リンク66は、アクチュエータブロック30からZ2方向に突出し、第1リンク64の長孔64aに係合し、トリガレバー32の操作によって長孔64aの長尺方向に進退可能である。
The
トリガレバー32の人手による操作は機械的に伝達されてエンドエフェクタ104の開閉が行われる。トリガレバー32とエンドエフェクタ104との間で、人手による操作を機械的に伝達する手段である第1リンク64、第2リンク66、後述する第1エンドエフェクタ駆動機構260a及び第2エンドエフェクタ駆動機構260b等は操作伝達部を形成している。
The manual operation of the
ここで機械的とはワイヤ、チェーン、タイミングベルト、リンク、ロッド、ギア等を介して駆動する方式であり、主に、動力伝達方向に非弾性な個体の機械部品を介して駆動する方式である。ワイヤやチェーン等は、張力により不可避的な多少の伸びが発生する場合があるが、これらは非弾性な個体の機械部品とし、以下も同様とする。 Here, mechanical is a method of driving via wires, chains, timing belts, links, rods, gears, etc., and is mainly a method of driving via individual mechanical parts that are inelastic in the power transmission direction. . Wires, chains, and the like may inevitably undergo some elongation due to tension, but these are inelastic individual mechanical parts, and so on.
図1に示すように、アクチュエータブロック30には先端動作部12aが有する3自由度のうち2自由度の機構に対応してモータ(姿勢軸アクチュエータ)40、41が連結シャフト48の延在方向に沿って並列して設けられている。モータ40、41は、先端動作部12aのロール方向及びヨー方向の動作に対応する。モータ40、41は小型、細径であって、アクチュエータブロック30はコンパクトな扁平形状に構成されている。モータ40、41は、操作部14の操作に基づき、コントローラ45の作用下に回転をする。
As shown in FIG. 1, the
モータ40、41には、回転角度を検出することのできる角度センサ(図示せず)が設けられており、検出した角度信号はコントローラ45に供給される。角度センサとしては、例えばロータリエンコーダが用いられる。
The
アクチュエータブロック30には、モータ40、41の駆動軸に接続されているプーリ50a、50bが設けられている。
The
図3に示すように、プーリ50a、プーリ50bには、ワイヤ52、ワイヤ54が巻き掛けられており、連結シャフト48の中空部分48a(図7参照)を通って先端動作部12aまで延在している。ワイヤ52、ワイヤ54はそれぞれ同種、同径のものを用いることができる。
As shown in FIG. 3, a
操作部14における複合入力部34、トリガレバー32の位置、形態や操作方法などは、本構成に限定されない。例えば、複合入力部34の代わりに、操作ローラやボタン、ジョイスティックなどを設けてもよく、操作しやすい位置や方法を適宜選択して設計すればよい。
The positions, forms, operation methods, and the like of the
次に、先端動作部12aについて説明する。先ず、先端動作部12aにおけるエンドエフェクタ104を開閉させる基本的な構成である第1エンドエフェクタ駆動機構260a及び第2エンドエフェクタ駆動機構260bについて説明する。
Next, the distal
図4に示すように、先端動作部12aには、伝達部材152、ワイヤ(駆動部材)56a、受動ワイヤ252a、アイドルプーリ140a、ガイドプーリ142a及び受動プーリ(受動円柱体)156を含む第1エンドエフェクタ駆動機構260aと、これに対応した第2エンドエフェクタ駆動機構260bが設けられている。
As shown in FIG. 4, the distal
第1エンドエフェクタ駆動機構260aにおける構成要素には符号にaを付し、第2エンドエフェクタ駆動機構260bにおける構成要素には符号にbを付して区別する。第1エンドエフェクタ駆動機構260aにおける構成要素と第2エンドエフェクタ駆動機構260bにおける構成要素で同じ機能のものについては、煩雑とならないよう、代表的に第1エンドエフェクタ駆動機構260aについてのみ説明する場合がある。
The components in the first end
図4においては、理解が容易となるように第1エンドエフェクタ駆動機構260aと第2エンドエフェクタ駆動機構260bを紙面上で並列して示すが、実際の医療用マニピュレータ10に適用する場合には、図3に示すように、各プーリの軸方向(つまりY方向)に並列させている。
In FIG. 4, the first end
図4に示すように、ワイヤ56aにおける一方の端部は、ターミナル250aによって受動ワイヤ(可撓性部材)252aの両端部に接続されている。受動ワイヤ252aは、一部がワイヤ56aに接続された環状の可撓性部材であり、ワイヤ以外にもロープ、樹脂線、ピアノ線及びチェーン等を用いることができる。ここで、環状とは広義であり、必ずしも全長にわたって可撓性部材が適用されている必要はなく、少なくとも各プーリに巻き掛けられる箇所が可撓性部材であればよく、直線部は剛体で接続されていてもよいことはもちろんである。受動ワイヤ252aは、ワイヤ56aの一部であってもよい。
As shown in FIG. 4, one end of the
図5に示すように、先端動作部12aでは、アイドルプーリ140a及び140bは、それぞれ同軸上でY1方向の第1層アイドルプーリ(第1層アイドル円柱体)232a及び232bとY2方向の第2層アイドルプーリ(第2層アイドル円柱体)234a及び234bとを有する。
As shown in FIG. 5, in the distal
また、ガイドプーリ142a及び142bは、それぞれ同軸上でY1方向の第1層ガイドプーリ(第1層ガイド円柱体)236a及び236bとY2方向の第2層ガイドプーリ(第2層ガイド円柱体)238a及び238bとを有する。このような構成により、対のプーリ同士が逆方向に回転可能であり、動作がスムーズである。なお、これらの名称は説明の便宜上、区別しているものである。また、アイドルプーリ140a及びガイドプーリ142aの側面には、受動ワイヤ252aを巻き掛けるための溝部が形成されており、第1層アイドルプーリ232aの溝部を、第1層アイドルプーリ溝部232cと称し、第1層アイドルプーリ232bの溝部を、第1層アイドルプーリ溝部232dと称し、以下同様とする。
The guide pulleys 142a and 142b are coaxially arranged in the Y1 direction first layer guide pulleys (first layer guide cylinders) 236a and 236b and the Y2 direction second layer guide pulleys (second layer guide cylinders) 238a. And 238b. With such a configuration, the pair of pulleys can rotate in opposite directions, and the operation is smooth. Note that these names are distinguished for convenience of explanation. In addition, a groove for winding the
図6のZ2方向端で、受動ワイヤ252aの一方(以下、識別の都合上、往路線253aとも呼ぶ。)は、第1層アイドルプーリ232aのX1方向面及びZ1方向面に接し、第1層ガイドプーリ236aのZ2方向面及びX2方向面に接して受動プーリ156のX2方向面に達し、Z1方向の面に半回転巻き付けられて、該受動プーリ156のX1方向面に至る。
At the end in the Z2 direction of FIG. 6, one of the
図6のZ2方向端で、受動ワイヤ252aの他方(以下、識別の都合上、復路線253bとも呼ぶ。)は、第2層アイドルプーリ234aのX2方向面及びZ1方向面に接し、第2層ガイドプーリ238aのZ2方向面及びX1方向面に接して、受動プーリ156のX1方向面に至る。
At the end in the Z2 direction of FIG. 6, the other of the
つまり、受動ワイヤ252aは、アイドルプーリ140aより基端側に位置するターミナル250aを基点及び終点とする一巡経路を構成しており、アイドルプーリ140aとガイドプーリ142aとの間で交差して、略8字形状をなしている(図3参照)。これにより、ターミナル250a及び受動ワイヤ252aは、ワイヤ56aを介してトリガレバー32に対して機械的に接続されていることになる。
That is, the
ここで機械的とは、前記のように、動力伝達方向に非弾性な個体の機械部品を介して駆動する方式である。例えば、ワイヤ56は可撓性部材であるが、エンドエフェクタ104を閉じる動作に関してはトリガレバー32でZ2方向に引かれ、ほとんど弾性変形することがなく、又は動作に支障のない範囲での不可避的弾性変形であり、機械的接続手段となっている。
Here, the mechanical is a method of driving through a mechanical part of an individual that is inelastic in the power transmission direction as described above. For example, the wire 56 is a flexible member, but the operation of closing the
また、ここでいう受動ワイヤ252aは、アイドルプーリ140aとガイドプーリ142aとの間における交差とは、平面視上で交差していることであり、当然に、Y方向にはずれが生じる。また、ガイドプーリ142aは、第1層ガイドプーリ236aと第2層ガイドプーリ238bから構成されることから、往路線253aと復路線253bとの間には必然的にY方向のずれが生じ得る。
Moreover, the crossing between the
図5に示すように、往路線253aは復路線253bに対してY1側にずれているものとし、そのY方向ずれ量Δは、受動ワイヤ252aの径よりもやや大きい。ガイドプーリ142aを基準とすると、往路線253aは復路線253bよりもΔだけY1方向にずれた位置からZ方向の受動プーリ156に向かって延出することになる(図11参照)。
As shown in FIG. 5, it is assumed that the
ワイヤ56a(図3参照)をZ2方向に引き寄せると、平面視で、第1層アイドルプーリ232a及び第2層ガイドプーリ238aは反時計方向に回転し、第2層アイドルプーリ234a及び第1層ガイドプーリ236aは時計方向に回転する。このように、アイドルプーリ140a及びガイドプーリ142aは、それぞれ同軸上で2枚のプーリが並列する構成であることから、当接する受動ワイヤ252aの動きに従って逆方向に回転可能であり、動作がスムーズである。
When the
第2エンドエフェクタ駆動機構260bは、第1エンドエフェクタ駆動機構260aにおける受動ワイヤ252a、アイドルプーリ140a、ガイドプーリ142a、受動プーリ156に相当する受動ワイヤ252b、アイドルプーリ140b、ガイドプーリ142b及び三日月形受動体(一体型受動体)155を有すると共に、折り返しプーリ350を有する。折り返しプーリ350は、三日月形受動体155よりもZ1側に設けられている。三日月形受動体155はY方向を基準軸とし、受動プーリ156はY軸に対して傾斜して伝達部材152に設けられており、該伝達部材152と共にZ方向に移動可能である。折り返しプーリ350は、伝達部材152に対して、Z方向に相対的に移動可能に設けられている。これらの折り返しプーリ350、三日月形受動体155、受動プーリ156及び伝達部材152の詳細な構成については後述する(図11、図12及び図15参照)。
The second end
図6に示すように折り返しプーリ350は、同軸上でY1方向の第1層折り返しプーリ(第1層折り返し円柱体)360とY2方向の第2層折り返しプーリ(第2層折り返し円柱体)362とを有する。第1層折り返しプーリ360及び第2層折り返しプーリ362の側面には、第1層アイドルプーリ232a等と同様に、第1層折り返しプーリ溝部360c及び第2層折り返しプーリ溝部362cを有してもよい。
As shown in FIG. 6, the folding
また、図6のZ2方向端で、受動ワイヤ252bの一方は、第1層アイドルプーリ232bのX1方向面及びZ1方向面に接し、第1層ガイドプーリ236bのZ2方向面及びX2方向面に接し、三日月形受動体155のX2方向面に至る。該受動ワイヤ252bは、そのままZ1方向に向かって延在し、第1層折り返しプーリ360のX2方向面に達し、該第1層折り返しプーリ360のZ1方向の面に半回転巻き付けられてZ2方向に折り返す。該受動ワイヤ252bは、そのままZ2方向に向かって延在し、三日月形受動体155のX1方向面に達し、該三日月形受動体155のZ2方向の面に巻き付けられながら、Y2方向へ斜行して、Z1方向に折り返し、第2層折り返しプーリ362のX2方向面に至る。
In addition, at the end in the Z2 direction in FIG. 6, one of the
図6のZ2方向端で、受動ワイヤ252bの他方は、第2層アイドルプーリ234bのX2方向面及びZ1方向面に接し、第2層ガイドプーリ238bのZ2方向面及びX1方向面に接し、三日月形受動体155のX1方向面に至る。該受動ワイヤ252bは、そのままZ1方向に向かって延在し、第2層折り返しプーリ362のX1方向面に達してから、Z1方向の面に半回転巻き付けられて、該第2層折り返しプーリ362のX2方向面に至る。このように、受動ワイヤ252bについても、受動ワイヤ252aと同様に、ターミナル250bを基点及び終点とする一巡の経路を構成しており、ワイヤ56bを介してトリガレバー32に対して機械的に接続されていることになる。
At the end of the Z2 direction in FIG. 6, the other of the
図3及び図4に示すように、第2リンク66は、ターミナル249a(または溶接や貫通孔等)を介して、ワイヤ56aの端部と、駆動側連結ワイヤ(駆動側連結可撓性部材)322の端部とに接続されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
駆動側連結ワイヤ322は、駆動部材進退機構である駆動側連結プーリ(回転操作子)324に巻き掛けられており、一方の端部は前述の通りターミナル249aを介して、ワイヤ56a及び第2リンク66の端部に接続され、他方の端部はターミナル249bを介して、ワイヤ56bの端部に接続されている。なお、図4の仮想線で示したように、トリガレバー32を、駆動側連結プーリ324の代わりに、駆動部材進退機構として用いてもよい。
The driving
このような構成によれば、ワイヤ56aとワイヤ56bとを簡便に逆方向に進退させることができ、トリガレバー32を引き寄せる操作をすると、ターミナル249aも一体的に引き寄せられて、伝達部材152をZ2方向に移動させることができる。また、トリガレバー32を押し出す操作をすると、ターミナル249bが一体的に引き寄せられ、折り返しプーリ350は位置が固定されていることにより、三日月形受動体155及び伝達部材152をZ1方向に移動させることができる。
According to such a configuration, the
ターミナル250aは、受動ワイヤ252aが過度に屈曲しないように、アイドルプーリ140aよりも適度に離れた位置に設けられており、受動ワイヤ252aの両端部はターミナル250aを頂部として鋭角を形成している。アイドルプーリ140aとガイドプーリ142aとの間は狭く、例えば、受動ワイヤ252aの幅と略等しい隙間が形成されている。エンドエフェクタ104は、このような伝達部材152の進退動作に基づいて開閉する。
The terminal 250a is provided at a position moderately separated from the
図5に示すように、内寄りの2つの第2層アイドルプーリ234aと第1層アイドルプーリ232bは一体構成で中央共通アイドルプーリ430を構成していてもよい。内寄りの2つの第2層ガイドプーリ238aと第1層ガイドプーリ236aは一体構成で中央共通ガイドプーリ432を構成していてもよい。
As shown in FIG. 5, the inward two second-tier
すなわち、ターミナル250aとターミナル250b(図4参照)は、逆方向に同じ距離だけ移動するのであるから、図5の各矢印で示すような動作が発生し、第2層アイドルプーリ234aと第1層アイドルプーリ232bは同方向(図5では時計方向)に同じ角度だけ回転し、第2層ガイドプーリ238aと第1層ガイドプーリ236bは同方向(図5では反時計方向)に同じ角度だけ回転する。従って、これらの部材は別部材とする必要はなく、一体的な中央共通アイドルプーリ430及び中央共通ガイドプーリ432を構成することにより、簡便構成となる。図5では、理解が容易なように、第2層ガイドプーリ238aと第1層ガイドプーリ236bとの距離、及び第2層アイドルプーリ234aと第1層アイドルプーリ232bとの距離をやや離して示しているが、両者の距離は実質的にゼロでもよい。
That is, since the terminal 250a and the terminal 250b (see FIG. 4) move in the opposite directions by the same distance, the operations shown by the arrows in FIG. 5 occur, and the second layer
次に、先端動作部12aの全体的な構成について説明する。
Next, the overall configuration of the distal
図7、図8及び図9に示すように、先端動作部12aは、ワイヤ受動部100と、複合機構部102と、エンドエフェクタ104とを有し、Y方向の第1回転軸Oyを中心にして、それよりも先の部分がヨー方向に回動する第1自由度と、第2回転軸Orを中心にしてロール方向に回動する第2自由度と、第3回転軸Ogを中心として先端のエンドエフェクタ104を開閉させる第3自由度とを有する合計3自由度の機構となっている。
As shown in FIGS. 7, 8, and 9, the distal
第1自由度の機構である第1回転軸Oyは、連結シャフト48の基端側から先端側に延在する軸線Cと非平行に回動可能に設定するとよい。第2自由度の機構である第2回転軸Orは先端動作部12における先端部(つまりエンドエフェクタ104)の延在方向の軸線を中心として回動可能な機構とし、先端部をロール回転可能に設定するとよい。
The first rotation axis Oy, which is a mechanism having a first degree of freedom, may be set so as to be rotatable in a non-parallel manner with the axis C extending from the proximal end side to the distal end side of the connecting
第1自由度の機構(つまりヨー方向)は、例えば±90°又はそれ以上の稼動範囲を有する。第2自由度の機構(つまりロール方向)は、例えば±180°又はそれ以上の稼動範囲を有する。第3自由度の機構(つまりエンドエフェクタ104)は、例えばそれぞれ40°又はそれ以上開くことができる。 The mechanism of the first degree of freedom (that is, the yaw direction) has an operating range of ± 90 ° or more, for example. The mechanism of the second degree of freedom (that is, the roll direction) has an operating range of ± 180 ° or more, for example. The third degree of freedom mechanism (ie, end effector 104) can be opened, for example, 40 ° or more, respectively.
エンドエフェクタ104は、手術において実際の作業を行う部分であり、第1回転軸Oy及び第2回転軸Orは、作業を行い易いようにエンドエフェクタ104の姿勢を変えるためのものである。一般に、エンドエフェクタ104を開閉させる第3自由度に係る機構部はグリッパ(又はグリッパ軸)とも呼ばれ、ヨー方向に回動する第1自由度に係る機構部はヨー軸とも呼ばれ、ロール方向に回動する第2自由度に係る機構部はロール軸とも呼ばれる。
The
図7に示すように、ワイヤ受動部100は、一対の舌片部58の間に設けられており、ワイヤ52、ワイヤ54のそれぞれの往復動作を回転動作に変換して複合機構部102に伝達する部分である。ワイヤ受動部100は、軸孔60a、60aに挿入される軸110と、軸孔60b、60bに挿入される軸112とを有する。軸110及び軸112は、軸孔60a、60bに対して、例えば圧入若しくは溶接により固定される。軸112は第1回転軸Oyの軸上に配置される。
As shown in FIG. 7, the wire
軸112のY方向両端には、Y方向に対称形状の歯車体126及び歯車体130が設けられている。歯車体126は、筒体132と、該筒体132の上部に同心状に設けられた歯車134とを有する。歯車体130は、歯車体126とほぼ同形状であって、該歯車体126に対してY方向に反転に配置されている。歯車体130は、筒体136と、該筒体136の下部に同心状に設けられた歯車138とを有する。歯車134及び歯車138は、後述するギア体146のフェイスギア165の上端部及び下端部に噛合する。
A
筒体136は筒体132と略同径、同形状である。筒体132及び筒体136には、ワイヤ52及び54が所定の固定手段によって一部が固定されて巻き掛けられている(図3参照)。
The
ワイヤ52及び54を回転動作させることにより、歯車体126及び歯車体130を軸112に対して回転させることができる(図3参照)。歯車体126と歯車体130を同方向に同速度で回転させると、ギア体146は軸112を基準として揺動し、ヨー方向動作が行われる。歯車体126と歯車体130を逆方向に同速度で回転させると、ギア体146は第2回転軸Orを基準として回転し、ロール回転動作が行われる。歯車体126と歯車体130を異なる速度で回転させると、ギア体146は、ヨー方向動作とロール回転動作の複合動作が行われる。つまり、歯車体126、歯車体130及びギア体146は差動機構を構成している。
By rotating the
軸110の略中央部には一対のアイドルプーリ(アイドル円柱体)140aが回転自在に軸支されており、軸112の略中央部には一対のガイドプーリ(ガイド円柱体)142aが回転自在に軸支されている。アイドルプーリ140aは、ガイドプーリ142aに巻きかける受動ワイヤ252aの巻き掛け角度を常に一定(両側合わせて約180°)に保つためにある。また、アイドルプーリ140a及びガイドプーリ142aは、受動ワイヤ252a(図4参照)に対するすべり、及び摩擦による摩耗を低減するために、表面を滑らかにし、又は摩擦の少ない材質を用いるとよい。
A pair of idle pulleys (idle cylinders) 140a are rotatably supported at a substantially central portion of the
軸112における、歯車体126とガイドプーリ142aとの間、及びガイドプーリ142bと歯車体130との間には主軸部材144が回転自在に軸支されている。主軸部材144は、複合機構部102に向けて突出する筒部を有する。主軸部材144の軸心部には方形の孔144aが設けられており、筒部にはピン352が挿入及び固定される径方向の一方(Y2方向)に軸孔354が設けられている。ピン352は、軸孔354を通って伝達部材152の凹部356に達する(図11参照)。主軸部材144のZ2方向端部には、ガイドプーリ142a及び142bのY方向両面を保持すると共に軸112が挿通する孔を有する2枚の補助板144bが設けられている。補助板144bはZ1方向に向かって幅広となる山型であって、糸等の異物の侵入を防止する。
A
なお、図3に示すように、アイドルプーリ140a及び140bと、ガイドプーリ142a及び142bの回転軸は、それぞれ同軸上に配置するとよい。つまり、アイドルプーリ140a及び140bは軸110に共通的に軸支することができ、ガイドプーリ142aと142bは軸112に共通的に軸支することができる。ガイドプーリ142aとガイドプーリ142bを同軸構成とすることにより、ヨー軸動作機構が簡便になる。
As shown in FIG. 3, the rotation axes of the
複合機構部102は、エンドエフェクタ104の開閉動作機構と、該エンドエフェクタ104の姿勢を変化させる複合的な機構部である。
The
複合機構部102は、主軸部材144の筒部周面に対して回転自在に嵌挿されたギア体146と主軸部材144の先端に設けられたナット体148と、Z2方向端部が孔144aに挿入され、伝達部材152と、該伝達部材152のZ2方向端部に、ピン154で回転自在に軸支されている受動プーリ156と、受動板158と、円筒状のカバー160と、該ピン352で回転自在に軸支されている折り返しプーリ350とを有する。伝達部材152のZ2方向端部は、受動プーリ156に対する摺動性をあげるためにコの字状をしており、Z2方向に向かって長く突出している。
The
主軸部材144におけるギア体146と当接する部分には、樹脂製のスラスト軸受部材144cが設けられている。ナット体148におけるギア体146と当接する部分には、樹脂製のスラスト軸受部材148aが設けられている。スラスト軸受部材144c及び148aは低摩擦材であって、当接部分の摩擦及びトルクを低減すると共に、フェイスギア165に負荷が直接的にかかることを防止する。スラスト軸受部材144c及び148aは、いわゆるすべり軸受であるが、転がり軸受を設けてもよい。これにより、エンドエフェクタ104を強く閉じた場合や開いた場合、すなわちギア体146が主軸部材144に強く当接する場合でも、ロール軸動作をスムーズに行うことができる。孔144aは、伝達部材152、三日月形受動体155、受動プーリ156、及び折り返しプーリ350が挿入可能な高さを有する。
A resin-made
ギア体146は、段付き筒形状であって、Z2方向の大径部162と、Z1方向の小径部164と、大径部162のZ2方向端面に設けられたフェイスギア165とを有する。フェイスギア165は、歯車134及び歯車138に噛合する。ギア体146は、ナット体148によって主軸部材144から抜けることが防止されている。主軸部材144の筒部外周には、ナット体148が螺合するねじが設けてある。
The
伝達部材152は、作業部16の軸心よりY1方向にややオフセットした位置に設けられるが、Z1方向先端に設けられた突起174だけは軸心に配置させるとよい。もちろん、伝達部材152は中心に配置してもよい。
The
受動板158は、Z2方向の凹部166と、該凹部166の底面に設けられた係合部168と、X方向両面にそれぞれ設けられた軸方向のリブ170と、X方向に対称位置に2つ設けられたリンク孔172とを有する。係合部168は、伝達部材152の先端に設けられたきのこ状の突起174に係合する形状である。この係合により、受動板158と伝達部材152は、相対的なロール軸の回転が可能になる。受動板158の幅はカバー160の内径に略等しい。
The
カバー160は、複合機構部102のほぼ全体を覆う大きさであり、複合機構部102及びエンドエフェクタ104に異物(生体組織、薬剤、糸等)が入り込むことが防止される。カバー160の内面には、受動板158の2つのリブ170が嵌る軸方向の2本の溝175が対向する向きに設けられている。溝175にリブ170が嵌ることにより受動板158が軸方向にガイドされる。受動板158の係合部168には突起174が係合することから、三日月形受動体155及び受動プーリ156は孔144a内において、受動板158及び伝達部材152と共に軸方向に進退可能であると共に、伝達部材152を基準としてロール回転が可能である。カバー160は、ギア体146の大径部162に対して螺入、圧入等の手段により固定されている。
The
次に、エンドエフェクタ104は、一対のエンドエフェクタ部材308と、ピン196とを有する。ピン196は第3回転軸Ogの軸上に配置される。
Next, the
先端動作部12aのエンドエフェクタ104は、一対のグリッパ302が動作をするいわゆる両開き型である。エンドエフェクタ104は、カバー160に対して一体構成のグリッパベース304と、該グリッパベース304に設けられたピン196を基準にして動作する一対のエンドエフェクタ部材308と、一対のグリッパリンク220とを有する。
The
各エンドエフェクタ部材308は、L字形状であって、Z1方向に延在するグリッパ302と、該グリッパ302に対して略35°に曲がって延在するレバー部310とを有する。L字形状の屈曲部には、孔216が設けられ、レバー部310の端部近傍には孔218が設けられている。孔216にピン196が挿入されることにより一対のエンドエフェクタ部材308は第3回転軸Ogを中心として揺動自在となる。
Each
各エンドエフェクタ部材308は側方の1つのグリッパリンク220によって、受動板158のピン224に連接されている。エンドエフェクタ104の受動板158ではリンク孔172が図7のX方向に対称位置に2つ設けられており、一対のグリッパリンク220は側面視で交差する配置である。
Each
このような先端動作部12aでは、一対のグリッパ302を対向する位置に配置することで、力のバランスを良好にし、不用意にモーメント荷重などを掛かるのを防ぐことができる。
In such a distal
図8及び図9から明らかなように、一対のエンドエフェクタ部材308は、伝達部材152の動作に対して基本的に同期駆動されるため、中心軸に対して左右対称に開閉することが可能である。
As apparent from FIGS. 8 and 9, the pair of
図10に示すように、ヨー軸動作をする場合、ガイドプーリ142a及びガイドプーリ142bの軸(図3参照)を中心にして、それよりも先端の複合機構部102及びエンドエフェクタ104がヨー方向に揺動する。先端動作部12aは、先端動作部12aと同様に非干渉機構であることから、ヨー軸動作をしてもエンドエフェクタ104の開度が変化することはなく、逆にエンドエフェクタ104の開度を変化させてもヨー軸が動作することはない。エンドエフェクタ104とロール軸の関係についても同様である。
As shown in FIG. 10, when the yaw axis operation is performed, the
また、エンドエフェクタ104はトリガレバー32に対して機械的に直接接続されていることから、強い把持力が得られると共に、エンドエフェクタ104に加わる力はトリガレバー32に伝達される。
Further, since the
先端動作部12aにおけるエンドエフェクタ104の把持及び開き動作時のワイヤ駆動比は1:1であり、バランスがよい。
The wire drive ratio at the time of gripping and opening the
次に、伝達部材152及び該伝達部材152に設けられる受動プーリ156、三日月形受動体155及び折り返しプーリ350の構成について説明する。
Next, the configuration of the
ガイドプーリ142a、受動プーリ156、及び折り返しプーリ350は略同径である。また、アイドルプーリ140aは、ガイドプーリ142aとの隙間を狭めるために、ガイドプーリ142aと比べて適度に大径となっている。隙間を狭めることで、ヨー動作の動作範囲を広くすることができる。なお、アイドルプーリ140a、ガイドプーリ142a、受動プーリ156、及び折り返しプーリ350は、受動ワイヤ252a、252bが屈曲しないように、レイアウト上、適度な範囲で大径にしている。
The
図6及び図11に示すように、伝達部材152は、Y方向に薄く、Z方向に長い板体をベースに構成されており、前記のピン154、三日月形受動体155、受動プーリ156、突起174、ピン352及び凹部356を備える。受動プーリ156の側面には、受動ワイヤ252aを周方向に案内する溝部(受動円柱体溝部)156cが設けられている。
As shown in FIGS. 6 and 11, the
突起174は、Z1方向端部に設けられ、先端の円柱形状部が受動板158の係合部168に係合するきのこ形状である。この係合により、伝達部材152はZ方向の進退動作を受動板158に伝達可能であると共に、該受動板158はロール軸方向の回転が可能となっている。
The
凹部356は、伝達部材152の略中央部に設けられ、Z方向に長く、Y2方向側面からY1方向へ凹設された有底穴であるが、設計条件によっては連通孔としてもよい。前記の通りピン352は、主軸部材144(図7参照)における筒部のY2方向面に穿設された軸孔354に圧入され、折り返しプーリ350を軸支し、伝達部材152の凹部356に達するが、伝達部材152を貫通しない、片持ち梁である(図11参照)。例えば、図12Bに示すように、伝達部材152が、Z1方向へ最も移動した場合を検討すると、仮にピン352が伝達部材152を貫通していたならば、受動プーリ156の動作の妨げとなることは、図11からも容易に諒解されよう。この際、ピン352は、後述するプーリ溝270まで達することがなければ受動プーリ156の動作の妨げになることはない。折り返しプーリ350は、主軸部材144の孔144a内において、伝達部材152のY2方向側面に接し、ピン352に回転自在に軸支されている。つまり、ピン352及び折り返しプーリ350は位置が固定されている。
The recessed
図6及び図11に示すように、三日月形受動体155は、伝達部材152のZ2方向端部近傍におけるY2方向側面において、該伝達部材152に対して一体化して突出形成されており、受動ワイヤ252bが2巻き可能な幅を有する。三日月形受動体155が、伝達部材152に一体化して形成されているため、部品点数を削減することができる。
As shown in FIGS. 6 and 11, the crescent-shaped
図12Aに示すように、三日月形受動体155は、Y方向から平面視すると、Z2方向が凸型となる略三日月形状であり、Z1方向に向けて開口した凹面(円弧凹面)155a及びZ2方向に向けて凸形状の凸面(円弧凸面)155bを有し、凹面155aを半径raの円弧とし、凸面155bを半径rbの円弧とする。
As shown in FIG. 12A, the crescent-shaped
凸面155bの半径rbは、折り返しプーリ350の半径rcと同径、又は半径rcより適度に大径の円弧であり、折り返しプーリ350等と同様に、受動ワイヤ252bが屈曲しないように、レイアウト上、適度な範囲で大径にしている。なお、図13A及び図13Bに示すように、凸面155bにおける円弧の中心角θ1が140°〜220°、一層好適には170°〜180°である。なお、図13Aは、中心角θ1が140°の場合を示し、図13Bは、中心角θ1が220°の場合を示す。また、中心角θ1がこのような角度であることで、三日月形受動体155は、凸面155bの凸面両端155dにおいて、受動ワイヤ252bの配設経路がほとんど不連続にならず、該受動ワイヤ252bはほとんど屈曲することなく、その負荷を低減することができる。さらにまた、三日月形受動体155の凸面155bでは、折り返しプーリ350の半径rcより長い長径を有する楕円弧であってもよい。
The radius rb of the
さらに、図12Bに示すように、凹面155aの凹面両端155eを結ぶ線を弦線Tとすると、折り返しプーリ350の基端側が、弦線TをZ2方向へ越えることができる、すなわち弦線Tと凹面155aで囲まれた欠損部155cへ入り込むことができる。この時、凹面155aの半径raと、折り返しプーリ350の半径rcとの間の大小関係は問わないが、半径raが半径rc以上の場合は、半径raが半径rcより小さい場合と比べて、折り返しプーリ350の基端側が、弦線TをZ2方向へ十分に越えられる、すなわち弦線Tと凹面155aで囲まれた欠損部155cへ十分に入り込むことができる。よって、凹面155aの半径raは、前記半径rcと同径、又は半径rcより適度に大径の円弧であると好適である。ここで、半径raが半径rc以上の場合を図14Aに示し、半径raが半径rcより小さい場合を図14Bに示す。
Furthermore, as shown in FIG. 12B, when the line connecting the concave both ends 155e of the
前述したように、伝達部材152と一体形成された三日月形受動体155は、Z1方向へ移動する。ここで、図12A及び図12Bに示すように、伝達部材152のZ方向における長さをW1とする。図12Aに示す、伝達部材152が最もZ2方向へ移動した状態(グリッパ302が閉じた状態)における、伝達部材152のZ1方向端から折り返しプーリ350のZ1方向端までの距離をL0とする。伝達部材152のZ方向における最大移動可能距離をW0とする。図12Bに示す、折り返しプーリ350が最も凹面155aに入り込んだ状態(グリッパ302が最も開いた状態)における、折り返しプーリ350のZ1方向端と伝達部材152のZ2方向端との距離をL1とする。この場合、W1=L0+L1+W0の関係が成立する。
As described above, the crescent-shaped
次に、比較例として、図15A及び図15Bを用いて、三日月形受動体155の代わりに、折り返しプーリ350と同径の円柱体である受動円柱体255を設けた場合を説明する。ここで、伝達部材152のZ方向における長さをW2とする。図15Aに示す、グリッパ302が閉じた状態における、伝達部材152のZ1方向端から折り返しプーリ350のZ1方向端までの距離は、三日月形受動体155の場合と同様であるので、L0となる。また、前述の通り、エンドエフェクタ104は、伝達部材152の進退動作に基づいて開閉するので、三日月形受動体155の場合と同等の動作角度を維持するためには、受動円柱体255の場合も、伝達部材152のZ方向における最大移動可能距離は、三日月形受動体155の場合と同様にW0となる。さらにまた、図15Bに示す、グリッパ302が最も開いた状態での、折り返しプーリ350のZ1方向端と伝達部材152のZ2方向端との距離をL2とするが、L2は、折り返しプーリ350と受動円柱体255が当接した場合となることは、図15Bからも諒解されよう。この場合、W2=L0+L2+W0の関係が成立する。
Next, as a comparative example, a case where a passive
前述の関係式、W1=L0+L1+W0及びW2=L0+L2+W0から、L0とW0は共通であるので、W1とW2との差は、L1とL2との差に等しくなる。ここで、図12A、図12Bと図15A、図15B、すなわち三日月形受動体155の場合と受動円柱体255の場合とを比べると、L1の場合は、折り返しプーリ350の基端側が、欠損部155cへ入り込んでいるため、L1とL2とでは、L1の方がより短くなるのは容易に諒解されよう。よって、W1の方がW2より短くなるため、三日月形受動体155を有することで、伝達部材152のZ方向において小型化が可能になる。さらに、前述したように、ピン352が片持ち梁であることで、ピン352がプーリ溝270まで達することがないため、W1をW2より短くしても、W0を維持すること、すなわちエンドエフェクタ104の動作角度を維持した医療用マニピュレータ10が可能となる。
From the above relational expressions, W1 = L0 + L1 + W0 and W2 = L0 + L2 + W0, since L0 and W0 are common, the difference between W1 and W2 is equal to the difference between L1 and L2. Here, comparing FIGS. 12A and 12B with FIGS. 15A and 15B, that is, the case of the crescent-shaped
なお、上述の説明は、折り返しプーリ350の基端側が、欠損部155cへ十分に入り込むとしたが、必ずしもその必要はなく、少なくとも先端側が欠損した円弧形状を三日月形受動体155が有し、且つ、凸面155bの円弧がその一部を形成する円を仮想円R(図12A参照)とすると、折り返しプーリ350の基端側が該仮想円Rと交われば、W1の方がW2より短くなるため、三日月形受動体155を有することで、伝達部材152のZ方向において小型化が可能になる。なお、前記欠損した円弧形状における円弧は、厳密な意味ではなく、例えば、三日月、半月、扇形等も含む。同様に、上述の説明では、三日月形受動体155の凹面155aも円弧であるとしたが、折り返しプーリ350の基端側が仮想円Rと交わればよいことから、広義には、該凹面155aは、先端側に向かって非凸形状(凹形状又は平面)であればよい。該凹面155aが、X方向に延在する平面である例を、図14Cに示す。また、図12A、図12B、図13A、及び図13Bでは、凸面155bの凸面両端155dと、凹面155aの凹面両端155eとは、同一点であったが、そうであるとは限らず、図14B及び図14Dに示すように、凸面両端155dと凹面両端155eとが相違してもよい。さらに、ピン352が片持ち梁であることで、ピン352がプーリ溝270まで達することがないため、W1をW2より短くしても、W0を維持すること、すなわちエンドエフェクタ104の動作角度を維持した医療用マニピュレータ10が可能となる。
In the above description, it is assumed that the proximal end side of the folding
また、三日月形受動体155の場合でも、伝達部材152のZ方向における長さをW2とすれば、該伝達部材152の最大移動可能距離を、W0と比較して長くすることができ、エンドエフェクタ104の動作角度をより大きくすることが可能となる。
Even in the case of the crescent-shaped
なお、エンドエフェクタ104が把持状態のときは、三日月形受動体155に接する箇所において、受動ワイヤ252bが、該三日月形受動体155との間に強い摩擦力を生じた状態で移動をしないため、該三日月形受動体155を、受動プーリ156のように回転自在とする必要がない。よって、三日月形受動体155を、円柱形状よりも小型化が可能な、略三日月形状とするのに好適である。
In addition, when the
図11及び図16に示すように、伝達部材152は、さらに、Z方向近傍端部において受動プーリ156が配置されるプーリ溝270と、該プーリ溝270内で受動プーリ156を軸支するピン154とを有する。ピン154は、斜穴272に圧入されている。プーリ溝270は、受動プーリ156よりも僅かに広幅であって、受動ワイヤ252aが通過可能となる程度に、Z2方向面に開口すると共に伝達部材152に対してX1方向面からX2方向面に連通しているが、その連通する向きは、X方向に対してやや傾斜している。図16から明らかなように、プーリ溝270は適度に狭く形成されていることから、受動ワイヤ252aは受動プーリ156の周面から抜け落ちることはないが、溝部156cが設けられていることにより、受動ワイヤ252aがプーリ溝270の壁面に摺接することなく、しかも安定する。
As shown in FIGS. 11 and 16, the
斜穴272及びピン154は、プーリ溝270の上下面に対して直交する向きであって、Y方向軸(換言すれば、ガイドプーリ142aが軸支される軸112の方向)を基準としてXY平面内で傾斜している。斜穴272は、Y1方向面にのみ開口する有底穴であるが、設計条件によっては連通孔としてもよい。
The
第1エンドエフェクタ駆動機構260a及び第2エンドエフェクタ駆動機構260bにおけるワイヤ56a及び56b(図4参照)は、図17に示すように、直動ロッド326a及び326bで置きかえてもよい。一般にロッドの方がワイヤより剛性が高いため、直動動作のみの部分は、ロッドを用いることにより大きな把持力を得られ、しかも長寿命である。
The
駆動側連結ワイヤ322は、駆動側連結プーリ324を省略し、ワイヤ56a及び56bや図17に示す直動ロッド326a及び326bは、トリガレバー32に直接的に接続されていてもよい。ワイヤ56a及び56bや図17に示す直動ロッド326a及び326bの途中には、過荷重の印加を防止する荷重リミッタが設けられていてもよい。
The driving
次に、先端動作部12aの変形例としての先端動作部12bを図18に示す。
Next, a distal
図18に示すように、先端動作部12bは、前記の先端動作部12a(図4参照)と比較して第2エンドエフェクタ駆動機構260bを有している点で共通するが、第1エンドエフェクタ駆動機構260aが省略された構成となっている。先端動作部12bについて、先端動作部12aと同一の構成要素については同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。
As shown in FIG. 18, the distal
先端動作部12bは、前記の両開き型のエンドエフェクタ104に代えて、片開き式のエンドエフェクタ300が設けられている。エンドエフェクタ300は、固定のグリッパ202とピン196を中心として軸開閉動作をするグリッパ212と、伝達部材152をZ1方向に弾性付勢するスプリング312とを有している。グリッパ212は、伝達部材152が進退することにともなってグリッパリンク220を介して開閉駆動される。すなわち、トリガレバー32をZ2方向に引くと第2エンドエフェクタ駆動機構260bによって伝達部材152もZ2方向に変位し、グリッパ212は図18における反時計方向に回動してエンドエフェクタ300が閉動作をする。一方、トリガレバー32を開放すると、伝達部材152はスプリング312の付勢によってZ1方向に変位し、エンドエフェクタ300は開状態に復帰する。また、トリガレバー32はZ1方向に復帰する。
The
この先端動作部12bにおいても、三日月形受動体155におけるZ2方向の凹面155aへ、折り返しプーリ350が入り込むこととなり、グリッパ212の開閉角度を維持したまま、伝達部材152の小型化、すなわち医療用マニピュレータ10の小型化が可能となる。
Also in the distal
上記実施例は、例えば図19に示すような手術用ロボットシステム700に適用してもよい。
The above embodiment may be applied to a
手術用ロボットシステム700は、多関節型のロボットアーム702と、コンソール704とを有し、作業部16はロボットアーム702の先端に接続されている。ロボットアーム702の先端には前記のマニピュレータ10と同じ機構が設けられている。ロボットアーム702は、作業部16を移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。コンソール704は、テーブル型、制御盤型等の構成を採りうる。
The
ロボットアーム702は、独立的な6以上の関節(回転軸やスライド軸等)を有すると、作業部16の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のマニピュレータ10は、ロボットアーム702の先端部708と一体化している。マニピュレータ10は、前記のトリガレバー32の代わりにモータ(人手によって操作する入力部に連動するアクチュエータ)42を有し、該モータ42がワイヤ56a,56bを駆動する。
If the
ロボットアーム702は、コンソール704の作用下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール704に設けられたジョイスティック706に倣った操作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。作業部16には、前記の先端動作部12が設けられている。
The
コンソール704には、操作指令部としての2つのジョイスティック706と、モニタ710が設けられている。図示を省略するが、2つのジョイスティック706により、2台のロボットアーム702を個別に操作が可能である。2つのジョイスティック706は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ710には、軟性鏡による画像等の情報が表示される。
The
ジョイスティック706は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてロボットアーム702を動かすことができる。ジョイスティック706はマスターアームであってもよい。ロボットアーム702とコンソール704との間の通信手段は、有線、無線、ネットワーク又はこれらの組み合わせでよい。
The
ジョイスティック706には、トリガレバー32が設けられており、該トリガレバー32を操作することによりモータ42を駆動可能である。
The
本発明に係る医療用マニピュレータは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 The medical manipulator according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
10…医療用マニピュレータ 12、12a、12b…先端動作部
14…操作部 16…作業部
32…トリガレバー 40、41、42…モータ
48…連結シャフト 52、54、56…ワイヤ
104、300…エンドエフェクタ 140a、140b…アイドルプーリ
142a、142b…ガイドプーリ 152…伝達部材
154、196、224、352…ピン 155…三日月形受動体
155a…凹面 155b…凸面
155c…欠損部 156…受動プーリ
156c…溝部(受動円柱体溝部) 158…受動板
160…カバー 202、212、302…グリッパ
232a、232b…第1層アイドルプーリ
234a、234b…第2層アイドルプーリ
236a、236b…第1層ガイドプーリ
238a、238b…第2層ガイドプーリ
252a、252b…受動ワイヤ
260a、260b…エンドエフェクタ駆動機構
322…駆動側連結ワイヤ 324…駆動側連結プーリ
350…折り返しプーリ 356…凹部
360…第1層折り返しプーリ 362…第2層折り返しプーリ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記エンドエフェクタに駆動力を伝達する伝達部材と、
前記伝達部材を進退可能に支持する主軸部材と、
前記伝達部材の基端側近傍に一体化して形成され、基端側に向けて凸形状の円弧凸面を備えると共に、先端側で前記円弧凸面がその一部を形成する仮想円よりも内部に入り込む形状で先端側に向けて非凸形状の欠損部を形成する円弧形状の一体型受動体と、
前記一体型受動体と前記伝達部材の先端との間に、前記主軸部材に位置が固定されて設けられた折り返し円柱体と、
前記駆動部材に一部が接続され、前記円弧凸面と前記折り返しプーリとの間にわたって1回以上巻き掛けられた環状の可撓性部材と、
を有し、
前記駆動部材が基端側に向かって移動して前記可撓性部材を引くことにより、前記一体型受動体は前記伝達部材と共に先端側に向かって移動し、前記折り返し円柱体の基端側は、前記欠損部まで入り込むことを特徴とする医療用マニピュレータ。 A medical manipulator in which an end effector provided on the distal end side operates by the advancement and retraction of the drive member,
A transmission member for transmitting a driving force to the end effector;
A main shaft member that supports the transmission member so as to advance and retreat; and
It is integrally formed in the vicinity of the base end side of the transmission member, and has a convex arc convex surface toward the base end side, and the arc convex surface enters the inside of a virtual circle forming a part of the tip end side. An arc-shaped integrated passive body that forms a non-convex defect portion in the shape toward the tip side, and
Between the integrated passive body and the tip of the transmission member, a folded cylinder provided with a position fixed to the main shaft member;
An annular flexible member that is partially connected to the drive member and wound around at least once between the arc convex surface and the folding pulley;
Have
When the driving member moves toward the proximal end and pulls the flexible member, the integrated passive body moves toward the distal end side together with the transmission member, and the proximal end side of the folded cylindrical body is A medical manipulator characterized in that it penetrates to the defect part.
前記欠損部は、先端側に向けて開口した円弧凹面によって形成されていることを特徴とする医療用マニピュレータ。 The medical manipulator according to claim 1, wherein
The medical manipulator characterized in that the defect portion is formed by an arc concave surface opened toward the distal end side.
前記駆動部材が基端側に向かって移動して前記可撓性部材を引くことにより、前記一体型受動体は前記伝達部材と共に先端側に向かって移動し、前記折り返し円柱体の基端側は、前記円弧凹面の凹面両端を結ぶ弦線を越えて、前記円弧凹面が形成する円弧凹部の内部まで入り込むことを特徴とする医療用マニピュレータ。 The medical manipulator according to claim 2,
When the driving member moves toward the proximal end and pulls the flexible member, the integrated passive body moves toward the distal end side together with the transmission member, and the proximal end side of the folded cylindrical body is A medical manipulator characterized in that it passes through a chord line connecting both ends of the concave surface of the arc concave surface and enters into the arc concave portion formed by the arc concave surface.
前記駆動部材、前記エンドエフェクタ、前記一体型受動体、前記折り返し円柱体、前記可撓性部材と、
前記伝達部材より基端側に設けられたアイドル円柱体と、
前記アイドル円柱体と前記伝達部材との間に設けられたガイド円柱体と、
を含む第2エンドエフェクタ駆動機構と、
前記伝達部材の基端側近傍に設けられた受動円柱体と、
前記駆動部材、前記可撓性部材、前記アイドル円柱体、前記受動円柱体、前記ガイド円柱体に相当する部材を備える第1エンドエフェクタ駆動機構と、
前記第1エンドエフェクタ駆動機構の前記駆動部材と前記第2エンドエフェクタの前記駆動部材を逆方向に進退させる駆動部材進退機構とを有することを特徴とする医療用マニピュレータ。 The medical manipulator according to any one of claims 1 to 3,
The drive member, the end effector, the integrated passive body, the folded cylindrical body, the flexible member,
An idle cylinder provided on the base end side from the transmission member;
A guide cylinder provided between the idle cylinder and the transmission member;
A second end effector drive mechanism including:
A passive cylinder provided in the vicinity of the base end side of the transmission member;
A first end effector drive mechanism comprising a member corresponding to the drive member, the flexible member, the idle cylinder, the passive cylinder, and the guide cylinder;
A medical manipulator comprising: a drive member advancement / retraction mechanism for advancing / retreating the drive member of the first end effector drive mechanism and the drive member of the second end effector in opposite directions.
前記円弧凹面は、前記折り返し円柱体と平面視同径、又は前記折り返し円柱体より平面視大径の円弧であることを特徴とする医療用マニピュレータ。 The medical manipulator according to any one of claims 2 to 4,
The medical manipulator according to claim 1, wherein the arc concave surface is an arc having the same diameter as that of the folded column body in plan view or a larger diameter in plan view than the folded column body.
前記円弧凸面は、前記折り返し円柱体と平面視同径の円弧であることを特徴とする医療用マニピュレータ。 In the medical manipulator according to any one of claims 1 to 5,
The medical manipulator according to claim 1, wherein the arc convex surface is an arc having the same diameter as that of the folded cylindrical body in plan view.
前記円弧凸面は、平面視中心角が140°〜220°の円弧であることを特徴とする医療用マニピュレータ。 The medical manipulator according to claim 6, wherein
The medical manipulator according to claim 1, wherein the arc convex surface is an arc having a central angle in a plan view of 140 ° to 220 °.
前記伝達部材、前記一体型受動体、及び前記折り返し円柱体を収容する主軸部材と、
前記主軸部材によって支持されたピンとを有し、
前記ピンは、前記折り返し円柱体を軸支する片持ち梁であることを特徴とする医療用マニピュレータ。 In the medical manipulator according to any one of claims 1 to 7,
A main shaft member that houses the transmission member, the integrated passive body, and the folded cylindrical body;
A pin supported by the main shaft member;
The medical manipulator, wherein the pin is a cantilever beam that pivotally supports the folded cylindrical body.
前記アイドル円柱体は、前記ガイド円柱体より大径の円柱体であることを特徴とする医療用マニピュレータ。 In the medical manipulator according to any one of claims 1 to 8,
The medical manipulator, wherein the idle cylinder is a cylinder having a larger diameter than the guide cylinder.
前記駆動部材は、人手によって操作する入力部に対して機械的に接続されていることを特徴とする医療用マニピュレータ。 The medical manipulator according to any one of claims 1 to 9,
The medical manipulator, wherein the driving member is mechanically connected to an input unit operated manually.
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