JP2015024456A - 関節機構および医療機器 - Google Patents

関節機構および医療機器 Download PDF

Info

Publication number
JP2015024456A
JP2015024456A JP2013154469A JP2013154469A JP2015024456A JP 2015024456 A JP2015024456 A JP 2015024456A JP 2013154469 A JP2013154469 A JP 2013154469A JP 2013154469 A JP2013154469 A JP 2013154469A JP 2015024456 A JP2015024456 A JP 2015024456A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
joint
link
transmission member
transmission
joint mechanism
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013154469A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5996492B2 (ja
Inventor
健 村田
Ken Murata
健 村田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
Priority to JP2013154469A priority Critical patent/JP5996492B2/ja
Priority to CN201480040929.5A priority patent/CN105392602B/zh
Priority to PCT/JP2014/066780 priority patent/WO2015012051A1/ja
Priority to EP14830003.1A priority patent/EP3025830B1/en
Publication of JP2015024456A publication Critical patent/JP2015024456A/ja
Priority to US15/002,600 priority patent/US10016245B2/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5996492B2 publication Critical patent/JP5996492B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30Surgical robots
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/28Surgical forceps
    • A61B17/2804Surgical forceps with two or more pivotal connections
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/02Mechanical layout characterised by the means for converting the movement of the fluid-actuated element into movement of the finally-operated member
    • F15B15/06Mechanical layout characterised by the means for converting the movement of the fluid-actuated element into movement of the finally-operated member for mechanically converting rectilinear movement into non- rectilinear movement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H21/00Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/10Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane
    • F16H21/16Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane for interconverting rotary motion and reciprocating motion
    • F16H21/18Crank gearings; Eccentric gearings
    • F16H21/36Crank gearings; Eccentric gearings without swinging connecting-rod, e.g. with epicyclic parallel motion, slot-and-crank motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H21/00Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/46Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides with movements in three dimensions
    • F16H21/48Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides with movements in three dimensions for conveying rotary motions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H21/00Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/46Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides with movements in three dimensions
    • F16H21/54Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides with movements in three dimensions for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H37/00Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00
    • F16H37/12Gearings comprising primarily toothed or friction gearing, links or levers, and cams, or members of at least two of these types
    • F16H37/124Gearings comprising primarily toothed or friction gearing, links or levers, and cams, or members of at least two of these types for interconverting rotary motion and reciprocating motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H37/00Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00
    • F16H37/12Gearings comprising primarily toothed or friction gearing, links or levers, and cams, or members of at least two of these types
    • F16H37/124Gearings comprising primarily toothed or friction gearing, links or levers, and cams, or members of at least two of these types for interconverting rotary motion and reciprocating motion
    • F16H37/126Guiding mechanism using levers combined with gearings for straight line output movement, e.g. by using gears or pulleys with ratio 2:1
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00831Material properties
    • A61B2017/0084Material properties low friction
    • A61B2017/00845Material properties low friction of moving parts with respect to each other
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/28Surgical forceps
    • A61B17/29Forceps for use in minimally invasive surgery
    • A61B2017/2926Details of heads or jaws
    • A61B2017/2927Details of heads or jaws the angular position of the head being adjustable with respect to the shaft
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/28Surgical forceps
    • A61B17/29Forceps for use in minimally invasive surgery
    • A61B2017/2926Details of heads or jaws
    • A61B2017/2932Transmission of forces to jaw members
    • A61B2017/2939Details of linkages or pivot points
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/28Surgical forceps
    • A61B17/29Forceps for use in minimally invasive surgery
    • A61B2017/2926Details of heads or jaws
    • A61B2017/2932Transmission of forces to jaw members
    • A61B2017/2943Toothed members, e.g. rack and pinion
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30Surgical robots
    • A61B2034/305Details of wrist mechanisms at distal ends of robotic arms
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H21/00Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/10Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane
    • F16H21/12Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane for conveying rotary motion
    • F16H21/14Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane for conveying rotary motion by means of cranks, eccentrics, or like members fixed to one rotary member and guided along tracks on the other

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Ophthalmology & Optometry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)

Abstract

【課題】ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される2つの回転部材間において高負荷の回転力を伝達することができる関節機構およびこれを備える医療機器を提供する。【解決手段】2つの平歯車9,10と、2つの該平歯車9,10を、相互に間隔をあけてねじれの位置関係に配置される2つの関節軸A,B回りに回転可能に支持する支持部材11と、前記平歯車9,10間において回転力を伝達する回転力伝達機構12とを備え、該回転力伝達機構12が、2つの前記関節軸A,Bにそれぞれ直交する平面C,Dどうしの交差線に平行な方向のみに移動可能に支持される剛体からなる伝達部材13と、該伝達部材13と2つの前記平歯車9,10との間にそれぞれ配置され、前記平歯車9,10の回転運動を前記伝達部材13の直線運動に変換するカム機構14またはリンク機構とを備える関節機構を提供する。【選択図】図2

Description

本発明は、関節機構および医療機器に関するものである。
従来、軸部と、該軸部の両端に互いにねじれの位置関係に配置される回転軸回りに回転可能に設けられた2つのギアと、該ギアの回転軸と平行な連結ピンを介して各ギアに連結されたばねリンクとを備える関節機構が知られている。(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1の関節機構は、一方のギアの回転運動に伴い、ばねリンクが軸部の軸断面方向に弾性変形しながら他方のギアに回転力を伝達させ、他方のギアを回転させている。
特開2012−91310号公報
しかしながら、特許文献1の関節機構は、ギアの回転力を回転軸別のギアに伝達するリンクが、ばね部材で形成されているため、関節機構に高負荷がかかると負荷に耐えることができずに弾性変形してしまい、回転力を伝達できないという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される2つの回転部材間において高負荷の回転力を伝達することができる関節機構およびこれを備える医療機器を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、2つの回転部材と、2つの該回転部材を、相互に間隔をあけてねじれの位置関係に配置される2つの関節軸回りに回転可能に支持する支持部材と、前記回転部材間において回転力を伝達する回転力伝達機構とを備え、該回転力伝達機構が、2つの前記関節軸にそれぞれ直交する平面どうしの交差線に平行な方向のみに移動可能に支持される剛体からなる伝達部材と、該伝達部材と2つの前記回転部材との間にそれぞれ配置され、前記回転部材の回転運動を前記伝達部材の直線運動に変換するカム機構またはリンク機構とを備える関節機構を提供する。
本態様によれば、支持部材に回転可能に支持された一方の回転部材に一方の関節軸回りの回転力を加えると、回転力伝達機構の作動により、該回転部材の回転運動は一方のカム機構またはリンク機構によって伝達部材の直線運動に変換され、さらに、他方のカム機構またはリンク機構によって、伝達部材の直線運動が他方の回転部材の回転運動に変換される。すなわち、一方の関節軸回りの一方の回転部材の回転運動は、ねじれの位置関係に配置された他方の関節軸回りの他方の回転部材の回転運動として伝達される。その結果、支持部材よりも基端側に配置される部材に対する一方の関節軸回りの支持部材の揺動平面と、支持部材よりも先端側に配置され他方の回転部材に接続された部材の支持部材に対する揺動平面とを非平行に設定することができ、2つの関節軸回りの屈曲を組み合わせることにより、基端側の部材に対して先端側の部材の先端を3次元的に移動させることができる。
この場合において、一方の回転部材の回転運動は、2つのカム機構またはリンク機構と剛体からなる伝達部材とによって、他方の回転部材の回転運動として確実に伝達される。したがって、支持部材よりも先端側の部材に高い負荷がかかっても、ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される2つの回転部材間において高負荷の回転力を伝達して、その高負荷に耐えることができ、先端側の部材を精度よく移動させることができる。
上記態様においては、前記支持部材に、前記伝達部材を直線移動可能に支持するガイド部材が設けられていてもよい。
このようにすることで、伝達部材の直線運動が、ガイド部材によってブレのないように支持され、2つのカム機構またはリンク機構を高精度に動作させることができる。
上記態様においては、前記カム機構が、前記回転部材または前記伝達部材の一方に設けられ前記伝達部材の移動方向に交差する方向に延びる長孔と、該長孔内に該長孔の長手方向に移動可能に収容され、前記回転部材または前記伝達部材の他方に設けられた可動部とを備えていてもよい。
このようにすることで、一方の回転部材が回転させられると、該回転部材に設けられた長孔または可動部が回転部材とともに円弧運動させられる。円弧運動による回転力の内、伝達部材の移動方向の力成分は、可動部と長孔の内側面とを突き当てることにより回転部材から伝達部材に伝達される一方、伝達部材の移動方向に交差する方向の力成分は、可動部を長孔の長手方向に移動させることで逃がされる。これにより、一方の回転部材の回転運動を伝達部材の直線運動に簡易に変換することができる。
また、伝達部材が直線運動させられると、該伝達部材に設けられた長孔または可動部が伝達部材とともに直線運動させられる。直線運動による押圧力は、可動部と長孔の内側面とを突き当てることにより伝達部材から他方の回転部材へと伝達される。他方の回転部材は、可動部を長孔の長手方向に移動させることで、円弧運動することが許容される。これにより、伝達部材の直線運動を他方の回転部材の回転運動に簡易に変換することができる。
上記態様においては、前記長孔の内側面およびこれに接触する前記可動部の側面の少なくとも一方が、摩擦を低減する材質により構成されていてもよい。
このようにすることで、回転部材と伝達部材との間で力が伝達される際に、可動部と長孔とが相対的に移動させられても、両者間で発生する摩擦が低減され、力を効率よく伝達することができる。
上記態様においては、前記リンク機構が、リンク部材と、該リンク部材の両端を前記関節軸に平行な2つの軸線回りに揺動可能に前記回転部材と前記伝達部材とに取り付ける2つの揺動軸部とを備えていてもよい。
このようにすることで、回転部材が関節軸回りに回転すると、関節軸に平行な軸線回りに揺動可能に連結されたリンク部材が回転部材および伝達部材に対して揺動し、回転部材の回転運動が伝達部材の直線運動に変換される。この場合に、リンク機構によって、部材のたわみやガタを生じることなく、回転運動を直線運動に変換でき、力を効率よく伝達することができる。
上記態様においては、前記伝達部材が2つのピストンからなり、前記ガイド部材が前記2つのピストンを直線運動可能に収容し、ピストン間に非圧縮性流体を封入可能な貫通孔を有するシリンダ部材からなっていてもよい。
このようにすることで、シリンダ部材によって2つのピストンが、高剛性にかつ高精度に直線移動可能に支持され、一方の回転部材から他方の回転部材への力をより確実に伝達することができる。
本発明の他の態様については、先端にエンドエフェクタを有する第1のリンクと、第2のリンクと、これらのリンクを連結する関節機構が上記各態様のうちいずれか一態様の関節機構を組込んだ医療機器を提供してもよい。
本態様においては、2つのリンクを関節機構に連結すると、第1のリンクの支持部材に対する揺動平面と第2のリンクの支持部材に対する揺動平面とがねじれの位置関係となるため、2つの関節軸回りの屈曲を組み合わせることにより、第2のリンクに対してエンドエフェクタを3次元的に移動させることができる。これにより、動物や人の体内等の医療処置が困難な場所においても、所望の位置および方向にエンドエフェクタを配置して処置や観察を容易にすることができる。
本発明によれば、ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される2つの回転部材間において高負荷の回転力を伝達することができるという効果を奏する。
本発明の実施形態に係る医療機器を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る関節機構の詳細図である。 (a)本発明の実施形態に係る関節機構の基端側の平歯車が時計回りに回転するときのカム機構の拡大図である。(b)本発明の実施形態に係る関節機構の基端側の平歯車が反時計回りに回転するときカム機構の拡大図である。 本発明の実施形態に係る関節機構を用いた医療機器の全体構成図である。 本発明の実施形態の第1の変形例に係るカム機構の拡大横断面図である。 本発明の実施形態の第2の変形例に係るカム機構の拡大横断面図である。 本発明の実施形態の第3の変形例に係る関節機構の概略図である。
本発明の一実施形態に係る関節機構1および医療機器2について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る医療機器2は、図1に示されるように、患者Pの体内に挿入されて患部を処置する鉗子のようなエンドエフェクタ3を先端に備える処置具である。医療機器2は、2つのリンク部材4,5と、これらのリンク部材4,5を連結する本実施形態に係る関節機構1とを備えている。先端側に配置されるリンク部材4は、先端にエンドエフェクタ3を支持している。基端側に配されるリンク部材5は、支柱6の上端に揺動可能に支持されている。図1中、符号7はリンク部材4を駆動する駆動部7、符号8は駆動部7を制御する操作部81を有する制御部8である。
本実施形態に係る関節機構1は、図2に示されるように、2つの平歯車(回転部材)9,10と、これらの平歯車9,10を、相互に間隔をあけたねじれの位置関係に配置される2つの関節軸A,B回りに回転可能に支持する支持部材11と、平歯車9,10間において回転力を伝達する回転力伝達機構12とを備えている。
支持部材11は、図2に示されるように、棒状に形成されており、その両端に、関節軸A,B回りに略180°の角度範囲にわたって形成された平歯車部20,23を一体に備えている。
回転力伝達機構12は、図2に示されるように、直線移動可能に支持された剛体からなる直棒状の伝達部材13と、該伝達部材13の直線運動と平歯車9,10の回転運動とを相互に変換するカム機構14とを備えている。
カム機構14は、図2または図3(a),(b)に示されるように、伝達部材13の両端に設けられ、該伝達部材13の移動方向に直交する方向に延びる長孔15と、各平歯車9,10に関節軸A,Bに平行に固定され、長孔15内にその長手方向に移動可能に収容されたピン(可動部)16とを備えている。
伝達部材13は、図2に示されるように、支持部材11に設けられたガイド部材17によってブレのない直線運動を行うように支持されている。ガイド部材17は、2つの関節軸A,Bにそれぞれ直交する平面の交差線に平行な方向に伝達部材13を直線運動させるように支持している。
すなわち、回転力伝達機構12においては、平歯車9が関節軸A回りに回転すると、該平歯車9に固定されているピン16も回転運動させられる。ピン16の円弧運動は、ガイド部材17によって一方向に直線移動可能に支持されている伝達部材13の移動方向の成分とこれに直交する方向の成分とを含んでいる。
基端側のカム機構14においては、ピン16が長孔15の内側面15aを押すことにより、伝達部材13の移動方向の成分が、伝達部材13を直線移動させることにより直接伝達され、伝達部材13の移動方向に直交する方向の成分は、ピン16を長孔15内において相対移動させることにより、伝達部材13に伝達されることなく逃がされる。これにより、平歯車9の回転運動が伝達部材13の直線運動に変換される。
また、先端側のカム機構14においては、伝達部材13が直線移動することにより、伝達部材13に設けられた長孔15が直線移動させられる。長孔15内に収容されているピン16は、長孔15の内側面15aによって押されることにより移動させられる。ピン16は、関節軸Aとねじれの位置関係にある関節軸B回りに回転可能に支持された平歯車10に固定されているので、伝達部材13の移動量と同じだけ、伝達部材13の移動方向の成分を有する回転運動をさせられ、伝達部材13の移動方向に直交する成分については、長孔15内においてピン16を相対移動させることにより逃がされる。これにより、伝達部材13の直線運動が平歯車10の回転運動に変換され、関節軸A回りの平歯車9の回転運動を、関節軸Aとはねじれの位置関係にある関節軸B回りの平歯車10の回転運動として伝達することができるようになっている。
基端側のリンク部材5には、平歯車9の関節軸Aに平行な軸線回りに回転可能に支持された2つの駆動用平歯車18,19が設けられている。一方の駆動用平歯車18は、関節機構1の支持部材11に設けられた平歯車部20と噛み合っている。他方の駆動用平歯車19は、関節機構1の支持部材11に回転可能に支持された平歯車9と噛み合っている。これらの駆動用平歯車18,19は、図示しない伝達機構によって駆動部7に連結され、個別に回転駆動されるようになっている。
駆動部7の作動により一方の駆動用平歯車18を回転させると、これに噛み合う平歯車部20が関節軸A回りに回転させられる結果、平歯車部20が設けられている支持部材11からエンドエフェクタ3までの先端側部分が関節軸A回りに揺動させられるようになっている。
また、駆動部7の作動により他方の駆動用平歯車19を回転させると、これに噛み合う平歯車9が関節軸A回りに回転させられるようになっている。
また、先端側のリンク部材4には、その基端側に、関節軸Bに平行な軸線回りに略180°の角度範囲にわたって形成された平歯車部21および平歯車22が設けられている。平歯車部21は、関節機構1の支持部材11に設けられた平歯車部23と噛み合っている。また、平歯車22は、関節機構1の軸部に支持された平歯車10と噛み合っている。
平歯車10が回転駆動されるとこれに噛み合う平歯車22が、関節軸B回りに回転させられる結果、リンク部材4からエンドエフェクタ3までの先端側部分が関節軸B回りに揺動させられるようになっている。
関節軸A,Bは相互にねじれの位置関係に配置されているので、リンク部材4に対して関節機構1の支持部材11が関節軸A回りに揺動し、関節機構1の支持部材11に対してリンク部材5が関節軸B回りに揺動することにより、リンク部材5の先端に配置されたエンドエフェクタ3が3次元的に移動させられるようになっている。
このように構成された本実施形態に係る関節機構1および医療機器2の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る医療機器2を用いて、患者Pの体内の患部を処置するには、図1に示されるように、医療機器2の先端に設けられたエンドエフェクタ3を患者Pの体壁を貫通して形成された貫通孔を介して体内に挿入し、制御部8を作動させる。
医療機器2は、図4に示されるように、ユーザが操作部81を介して制御部8によって駆動部7を駆動させ、患者Pの体内にて所望の位置にエンドエフェクタ3を配置して作動させることにより、患部の治療を行うことができる。
この場合に、本実施形態に係る関節機構1によれば、リンク部材5に対して支持部材11を揺動させるには、制御部8からの信号により駆動部7を作動させて、駆動用平歯車18を回転させることにより、支持部材11の平歯車部20を回転させる。これにより、支持部材11はリンク部材5に対して、関節軸A回りに、関節軸Aに直交する揺動平面Cに沿って揺動させられる。一方、支持部材11に対してリンク部材4を揺動させるには、制御部8からの信号により駆動部7を作動させて、基端側のリンク部材5に設けられた駆動用平歯車19を回転させる。
駆動用平歯車19の回転は、これに噛み合う平歯車9に関節軸A回りの回転として伝達される。平歯車9が回転させられると、回転力伝達機構12の作動により、該平歯車9の回転運動が基端側のカム機構14によって伝達部材13の直線運動に変換される。そして、伝達部材13の直線運動がガイド部材17により直線運動をブレのないように支持されながら先端側のカム機構14に直線運動が伝達され、先端側のカム機構14に伝達された直線運動が平歯車10の回転運動に変換される。すなわち、関節軸A回りの平歯車9の回転運動は、ねじれの位置に配置された関節軸B回りの平歯車10の回転運動として伝達される。
そして、平歯車10が関節軸B回りに回転させられると、これに噛み合う平歯車22が関節軸B回りに回転させられる結果、平歯車22が固定されているリンク部材4が関節軸B回りに、関節軸Bに直交する揺動平面Dに沿って揺動させられることになる。
その結果、支持部材11よりも基端側に配置されるリンク部材5に対する関節軸A回りの支持部材11の揺動平面Cと、支持部材11よりも先端側に配置され平歯車10に接続されたリンク部材4の支持部材11に対する揺動平面Dとが非平行となるので、異なる揺動平面C,Dに沿う揺動を組み合わせることにより、基端側のリンク部材5に対して先端側のリンク部材4の先端に連結されたエンドエフェクタ3を3次元的に移動させることができる。
この場合において、平歯車9の回転運動は、2つのカム機構14と剛体からなる伝達部材13とによって、平歯車10の回転運動として確実に伝達される。したがって、支持部材11よりも先端側のリンク部材4に高い負荷がかかっても、ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される2つの平歯車9,10間において高負荷の回転力を伝達して、その負荷に耐えることができ、エンドエフェクタ3を精度よく移動させることができる。
また、伝達部材13の直線運動が、ガイド部材17によってブレのないように支持され、2つのカム機構14を高精度に動作させることができる。
なお、上述した実施形態においては、関節機構1は、図5に示されるように、長孔15の内側面15aおよびこれに接触するピン16の側面16aの少なくとも一方が、摩擦を低減する材質(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ホワイトメタル、真鍮)により構成されていてもよい。
これにより、平歯車9,10と伝達部材13との間で力が伝達される際に、ピン16と長孔15とが相対的に移動させられても、両者間で発生する摩擦が低減され、力を効率よく伝達することができる。
また、上述した実施形態においては、関節機構1は、図6に示されるように、カム機構14が、ピン16に支持され、平歯車9,10と伝達部材13との間に介在する平歯車9,10およびピン16よりも摩擦係数が低い材質で形成された低摩擦部材24(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ホワイトメタル、真鍮)を備えていてもよい。
このようにすることで、平歯車9,10の回転運動に伴い、伝達部材13と平歯車9,10とが接触することにより発生していた摩擦力が、低摩擦部材24を介在させることで軽減される。これにより、カム機構14が回転運動と直線運動とを変換する場合に発生する摩擦力による負荷が軽減され、関節機構1にかかる負荷をさらに軽減することができる。
また、上述した関節機構1において、カム機構14の可動部が必ずしもピン16で構成される必要はなく、これに代えて、平歯車9,10から関節軸A,Bに対して平行に延びる突起であってもよい。
また、上述したカム機構14において、長孔15は、図2,3に示されるように伝達部材13に対して貫通して形成されてもよいし、図5,6に示されるように貫通していなくてもよい。
また、本実施形態においては、低摩擦部材24に代わり、伝達部材13と平歯車9,10との摩擦を低減する構成として、ピン16をベアリングにより支持してもよい。
また、本実施形態においては、カム機構14として、長孔15とピン16とからなるものを例示したが、平歯車9,10と伝達部材13との接続部において回転運動と直線運動とを変換するものであれば、これに限られるものではない。カム機構14としては、長孔15が平歯車9,10または伝達部材13の一方に設けられ、ピン16が平歯車9,10または伝達部材13の他方に設けられていればよい。
また、上述した医療機器2において、エンドエフェクタ3は、鉗子に代わり、内視鏡であってもよい。
また、上述した医療機器2において、関節機構1と先端側のリンク部材4との間に、関節機構1または関節機構1の平歯車9,10の関節軸A,Bが平行であるような構成の他の関節機構をさらに追加してもよい。
このようにすることで、屈曲される箇所を増加させることができ、基端側のリンク部材5に対するエンドエフェクタ3の揺動角度範囲を増大させて、エンドエフェクタ3の動作範囲を広げることができる。
また、本実施形態においては、図7に示されるように、上述した伝達部材13に代えて2つのピストン27,28を、カム機構14に代えてリンク機構29を、ガイド部材32としてピストン27,28を直線移動可能に収容するシリンダ部材34を、採用してもよい。
リンク機構29は、剛体で形成されるリンク部材30と、該リンク部材30の両端を関節軸A,Bに平行な2つの軸線回りに揺動可能に平歯車9,10とピストン27,28とに取り付ける2つの揺動軸部31とを備えている。
シリンダ部材34の貫通孔33内に収容された2つのピストン27,28の間には非圧縮性流体が封入されている。
このように構成することにより、平歯車9が関節軸A回りに回転させられると、平歯車9に取り付けられたリンク機構29により、平歯車9の回転運動におけるピストン27の移動方向に直交する方向の成分は、関節軸Aに平行な軸線回りにリンク部材30の両端が揺動することにより逃がされる。また、平歯車9の回転運動におけるピストン27の移動方向の成分は、リンク部材30の両端の変位量の差分だけピストン27の直線運動量に変換される。これにより、リンク機構29によって、部材のたわみやガタを生じることなく、平歯車9の回転運動をピストン27の直線運動に変換でき、力を効率よく伝達することができる。
また、揺動軸部31として、ボールジョイントを用いることが好ましい。これにより、さらに力を効率よく伝達することができる。
そして、ピストン27からの直線運動がガイド部材32内の非圧縮性流体に伝達されると、非圧縮性流体の流体圧(例えば油圧)によりピストン27の移動量と同じだけの直線運動がピストン28に伝達される。これにより、ピストン28に伝達された直線運動は、平歯車10の回転運動に変換される。その結果、シリンダ部材34によって2つのピストン27,28が、高剛性に、かつ高精度に直線移動可能に支持され、平歯車9から平歯車10への力をより確実に伝達することができる。
なお、上述した関節機構25においては、貫通孔33の内側面33aおよびこれに接触するピストン27,28の側面27a,28aの少なくとも一方が、摩擦を低減する材質(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ホワイトメタル、真鍮)により構成されていてもよい。
このようにすることで、ピストン27,28とシリンダ部材34との間で力が伝達される際に、ピストン27,28と貫通孔33とが相対的に移動させられても、両者間で発生する摩擦が低減され、力を効率よく伝達することができる。
1,25 関節機構
2 医療機器
3 エンドエフェクタ
4,5 リンク部材
6 支柱
7 駆動部
8 制御部
9,10,22 平歯車
11 支持部材
12,26 回転力伝達機構
13 伝達部材
14 カム機構
15 長孔
16 ピン(可動部)
17,32 ガイド部材
18,19 駆動用平歯車
20,21,23 平歯車部
24 低摩擦部材
27,28 ピストン(伝達部材)
29 リンク機構
30 リンク部材
31 揺動軸部
33 貫通孔
34 シリンダ部材
A,B 関節軸
C,D 揺動平面
P 患者

Claims (7)

  1. 2つの回転部材と、
    2つの該回転部材を、相互に間隔をあけてねじれの位置関係に配置される2つの関節軸回りに回転可能に支持する支持部材と、
    前記回転部材間において回転力を伝達する回転力伝達機構とを備え、
    該回転力伝達機構が、2つの前記関節軸にそれぞれ直交する平面どうしの交差線に平行な方向のみに移動可能に支持される剛体からなる伝達部材と、該伝達部材と2つの前記回転部材との間にそれぞれ配置され、前記回転部材の回転運動を前記伝達部材の直線運動に変換するカム機構またはリンク機構とを備える関節機構。
  2. 前記支持部材に、前記伝達部材を直線移動可能に支持するガイド部材が設けられている請求項1に記載の関節機構。
  3. 前記カム機構が、前記回転部材または前記伝達部材の一方に設けられ前記伝達部材の移動方向に交差する方向に延びる長孔と、該長孔内に該長孔の長手方向に移動可能に収容され、前記回転部材または前記伝達部材の他方に設けられた可動部とを備える請求項1および請求項2に記載の関節機構。
  4. 前記長孔の内側面およびこれに接触する前記可動部の側面の少なくとも一方が、摩擦を低減する材質により構成される請求項3に記載の関節機構。
  5. 前記リンク機構が、リンク部材と、該リンク部材の両端を前記関節軸に平行な2つの軸線回りに揺動可能に前記回転部材と前記伝達部材とに取り付ける2つの揺動軸部とを備える請求項2に記載の関節機構。
  6. 前記伝達部材が2つのピストンからなり、前記ガイド部材が前記2つのピストンを直線運動可能に収容し、ピストン間に非圧縮性流体を封入可能な貫通孔を有するシリンダ部材からなる請求項5に記載の関節機構。
  7. 先端にエンドエフェクタを有する第1のリンクと、第2のリンクと、これらのリンクを連結する請求項1から請求項6のいずれかに記載の関節機構とを備える医療機器。

JP2013154469A 2013-07-25 2013-07-25 関節機構および医療機器 Active JP5996492B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013154469A JP5996492B2 (ja) 2013-07-25 2013-07-25 関節機構および医療機器
CN201480040929.5A CN105392602B (zh) 2013-07-25 2014-06-25 关节机构和医疗设备
PCT/JP2014/066780 WO2015012051A1 (ja) 2013-07-25 2014-06-25 関節機構および医療機器
EP14830003.1A EP3025830B1 (en) 2013-07-25 2014-06-25 Joint mechanism and medical equipment
US15/002,600 US10016245B2 (en) 2013-07-25 2016-01-21 Joint mechanism and medical equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013154469A JP5996492B2 (ja) 2013-07-25 2013-07-25 関節機構および医療機器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015024456A true JP2015024456A (ja) 2015-02-05
JP5996492B2 JP5996492B2 (ja) 2016-09-21

Family

ID=52393103

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013154469A Active JP5996492B2 (ja) 2013-07-25 2013-07-25 関節機構および医療機器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10016245B2 (ja)
EP (1) EP3025830B1 (ja)
JP (1) JP5996492B2 (ja)
CN (1) CN105392602B (ja)
WO (1) WO2015012051A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10555786B2 (en) 2015-02-26 2020-02-11 Olympus Corporation Operation input device and medical manipulator system
IT202200007889A1 (it) * 2022-04-21 2023-10-21 Marco Ceccarelli Giunto azionato da meccanismi

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106308934B (zh) * 2016-08-31 2019-03-15 北京术锐技术有限公司 一种多运动副组合驱动的柔性手术工具系统
EP3517050B1 (en) 2016-08-31 2023-10-11 Beijing Surgerii Robotics Company Limited Flexible surgical instrument system
CN109259865B (zh) * 2018-09-12 2021-10-26 大连交通大学 智能脊柱微创手术机器人
CN111407412B (zh) * 2020-04-01 2021-03-30 深圳市人工智能与机器人研究院 一种自然腔道手术末端操作器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008307310A (ja) * 2007-06-18 2008-12-25 Hitachi Ltd 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
JP2012091310A (ja) * 2010-09-30 2012-05-17 Olympus Corp 屈曲関節機構並びにその屈曲関節機構を有する術具及びその屈曲関節機構を有するマニピュレータ

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US238839A (en) * 1881-03-15 Halp to ohaeles m
US248775A (en) * 1881-10-25 Mechanical movement
US229295A (en) * 1880-06-29 Mechanical movement
JP3912251B2 (ja) * 2002-10-02 2007-05-09 株式会社日立製作所 マニピュレータ
CN100336640C (zh) * 2005-02-01 2007-09-12 天津大学 外科手术机器人从操作手
JP4755047B2 (ja) * 2006-08-08 2011-08-24 テルモ株式会社 作業機構及びマニピュレータ
US20090100948A1 (en) * 2007-10-19 2009-04-23 Takashi Ushiku Rectilinear-motion actuator
JP5384869B2 (ja) * 2008-07-24 2014-01-08 オリンパスメディカルシステムズ株式会社 内視鏡処置システム
US9055961B2 (en) * 2011-02-18 2015-06-16 Intuitive Surgical Operations, Inc. Fusing and cutting surgical instrument and related methods
JP5856745B2 (ja) 2011-03-15 2016-02-10 オリンパス株式会社 手術システム及びその制御方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008307310A (ja) * 2007-06-18 2008-12-25 Hitachi Ltd 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
JP2012091310A (ja) * 2010-09-30 2012-05-17 Olympus Corp 屈曲関節機構並びにその屈曲関節機構を有する術具及びその屈曲関節機構を有するマニピュレータ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10555786B2 (en) 2015-02-26 2020-02-11 Olympus Corporation Operation input device and medical manipulator system
IT202200007889A1 (it) * 2022-04-21 2023-10-21 Marco Ceccarelli Giunto azionato da meccanismi

Also Published As

Publication number Publication date
CN105392602B (zh) 2017-03-29
US20160135907A1 (en) 2016-05-19
WO2015012051A1 (ja) 2015-01-29
CN105392602A (zh) 2016-03-09
EP3025830A1 (en) 2016-06-01
JP5996492B2 (ja) 2016-09-21
EP3025830B1 (en) 2018-03-14
US10016245B2 (en) 2018-07-10
EP3025830A4 (en) 2017-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5996492B2 (ja) 関節機構および医療機器
JP5787325B2 (ja) 人間型電動ハンド
KR101359053B1 (ko) 관절 구조를 고정시키기 위한 장치
JP2016131773A (ja) 多関節構造の鉗子
US9656396B2 (en) Annular spring and robot joint mechanism using the same
WO2008020964A3 (en) Surgical instrument
JP6694521B2 (ja) 屈曲機構および医療用マニピュレータ
RU2011102169A (ru) Гибкий запястный элемент, способы его изготовления и использования
WO2015166214A1 (en) Compliant actuator
JP2016154717A (ja) 多関節構造の鉗子
JP2009078341A (ja) ロボットハンド
CN109480922B (zh) 一种用于微创手术的四自由度远中心运动并联机构
WO2014021218A1 (ja) 術具及び医療用マニピュレータ
JP2013071200A (ja) ギヤユニットおよびロボット
RU157044U1 (ru) Пространственный механизм
JP2008194789A (ja) 力覚提示装置、および、それを備えたパワーアシストアームおよびパワーアシスト装置
JP2014097550A (ja) 剛性可変駆動装置及び関節駆動機構
JP2007307686A (ja) ロボットアームおよびロボット
JP2010099403A (ja) 3軸を有する手術支援マニピュレータ
WO2020035893A1 (ja) 手術用マニピュレータ
KR101237893B1 (ko) 수술용 관절, 수술도구, 및 구동장치
CN211723295U (zh) 吻合器末端执行器、其偏转装置及采用其的吻合器
KR101306766B1 (ko) 리니어 액추에이터 방식 관절 모듈 및 이를 포함하는 로봇 암
KR101031037B1 (ko) 로봇용 관절 기구
JP2012187426A (ja) 義手

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151014

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160726

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160824

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5996492

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250