JP2015036161A

JP2015036161A - 関節機構

Info

Publication number: JP2015036161A
Application number: JP2013167775A
Authority: JP
Inventors: 亮笹木; Akira Sasaki; 博充酒井; Hiromitsu Sakai
Original assignee: Toyama University
Current assignee: Toyama University
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2015-02-23

Abstract

【課題】簡易な構造で自在に駆動可能であり、かつ外力を精度よく検知可能な関節機構を提供する。
【解決手段】第一継手部１と、第二継手部２と、連結部３と、二本のベローズ４ａ，４ｂと、液体供給部５を備え、第一継手部１と第二継手部２とは、連結部３により首振り自在に連結されており、二本のベローズ４ａ，４ｂが、何れも一端が第一継手部１に固定され、他端が第二継手部２に固定されていて、連結部３の中心軸周りに９０度ずれた位置に設けられており、液体供給部５が、各ベローズ４ａ，４ｂに対して液体を注入および吸引するものであって、ベローズ４ａ，４ｂの内圧を測定するセンサ６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液圧により駆動する関節機構に関する。

内視鏡下や顕微鏡下で行われる微細手術は、従来型の手術と比べて、患者の負担が少なく回復も早くなる低侵襲医療の一つとして、近年広く普及している。このような微細手術においては、たとえば腹腔鏡手術において腹腔内まで鉗子などを挿入する際や、施術する箇所を切開した状態で切除や摘出、縫合などの作業を行う際など、多くの作業が手術用のマニピュレータにより行われる。

また最近では、脳外科手術において、脳内血管の切開や縫合を行う際にも、手術用のマニピュレータが利用され始めている。従来のように施術者が自らの手で行う手術では、細い血管の縫合のように高精度かつ微細な動きを要する作業時において、手ぶれが生じてしまうため、一般的にφ１ｍｍ以上の血管縫合が限界とされているが、マニピュレータを用いることで、手ぶれが先端の手術器具に伝わることなく、より細い血管の縫合も可能となる。

このようなマニピュレータとしては、従来、特許文献１に示すようなものが知られている。これは、動力源であるモータと、プーリと、プーリに掛け回されモータに繋がれるワイヤを備えるものであり、モータによりワイヤを動かすことで、関節や先端の手術器具を駆動するものである。

特開２０１０−２２０７８６号公報

しかしながら、従来のマニピュレータは、ワイヤやプーリなどの複雑な機械要素を狭い空間に納めた構造となっており、自由度が増すほどより複雑な構成となって、その分故障の可能性が高くなることが問題であった。また、従来のマニピュレータでは、施術者が操作時の微小な手応えを得られないことが問題であった。より微細な作業を実現するため、マニピュレータの先端の手術器具が受けた外力を、施術者が扱う操作器具にフィードバックする技術も研究されているが、微細血管に針を刺す際などの微小な外力の検知が難しく、微細血管の縫合への応用には至っていない。

本発明は、上記事情を鑑みたものであり、簡易な構造で自在に駆動可能であり、かつ外力を精度よく検知可能な関節機構を提供することを目的とする。

本発明は、第一継手部と、第二継手部と、連結部と、二本のベローズと、液体供給部を備え、第一継手部と第二継手部とは、連結部により首振り自在に連結されており、二本のベローズが、何れも一端が第一継手部に固定され、他端が第二継手部に固定されていて、連結部の中心軸周りに９０度ずれた位置に設けられており、液体供給部が、各ベローズに対して液体を注入および吸引するものであって、ベローズの内圧を測定するセンサを有することを特徴とする。

本発明によれば、液体供給部がベローズに対して液体を注入および吸引することでベローズが伸縮し、二本のベローズをそれぞれ伸縮させることで、第一継手部と第二継手部を相互に自在に動かすことができる。よって、ワイヤやプーリといった機械要素を必要とせず、簡易な構造で関節の自在な駆動が可能である。また、第一継手部または第二継手部が外力を受けると、ベローズの内圧（ベローズ内の液体の圧力）が変化する。この内圧の変化をセンサにより測定することで、第一継手部または第二継手部が受ける外力を求めることができる。センサは液体供給部に設けられており、外力を受ける部位（第一継手部または第二継手部）にセンサを設ける必要がなく、また微小な外力も精度よく検知できる。

関節機構の関節部の概要を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。関節機構の全体の概要図である。関節機構の駆動についてのフローチャートである。ベローズの内圧の変化を示すグラフである。水量と関節角度の関係を示すグラフである。

本発明の関節機構の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。この関節機構は、種々の装置・器具に用いられるものであるが、ここでは手術用のマニピュレータに用いるものを想定する。そしてこの関節機構は、関節部１０と、液体供給部５からなる。

関節部１０は、図１に示すように、第一継手部１と、第二継手部２と、連結部３と、二本のベローズ４ａ，４ｂを備える。第一継手部１および第二継手部２は、何れも金属製の円柱からなり、下側に第一継手部１が位置しており、上側に第二継手部２が位置している。そして連結部３は、第二継手部２の下面中央に固定してあり、下向きに延びる軸部３１と、軸部３１の下端に形成した球状部３２からなる。一方、第一継手部１の上面中央には、球状部３２が丁度嵌まる大きさの略球形の穴を形成して、球状受部１１としてある。第一継手部１は、円柱の中心軸を通る平面で分割可能となっており、これにより球状受部１１も分割される。第一継手部１を分割した状態で球状部３２を球状受部１１に嵌め込み、分割した第一継手部１を一体に固定すれば、球状受部１１に対して球状部３２が首振り自在に連結される。このようにして、第一継手部１と第二継手部２とは、連結部３により首振り自在に連結されており、すなわち、第一継手部１と、第二継手部２と、連結部３とで、いわゆるユニバーサルジョイントを構成している。そして、二本のベローズ４ａ，４ｂは、何れも樹脂製で伸縮自在な蛇腹状の管であり、それぞれ一端を第一継手部１に固定してあり、他端を第二継手部２に固定してある。ここで、二本のベローズ４ａ，４ｂは、図１に示すように、連結部３の軸部３１を中心軸として、その周りに９０度ずれた位置に設けてある（すなわち、軸部３１をＹ軸として、Ｘ軸方向とＺ軸方向に設けてある）。そして、第一継手部１側においては、ベローズ４ａ，４ｂの内部空間は塞がれている。一方、第二継手部２側においては、ベローズ４ａ，４ｂの取付位置に上下方向に貫通する貫通孔２１を形成してあり、ベローズ４ａ，４ｂの内部空間と貫通孔２１が連通している。

液体供給部５は、図２に示すように、シリンダ７と、アクチュエータ８と、センサ６を備え、これらが略直方体形のフレーム２０に取り付けられている。シリンダ７、アクチュエータ８およびセンサ６は、何れも二つのベローズ４ａ，４ｂに対応して、二つずつ設けられている。シリンダ７はガラス製であって、上端部をフレーム２０に固定してあり、同じくガラス製のピストン７１を上側から挿入してあって、内部には液体として水を封入してある。そして、シリンダ７の下端には樹脂製のチューブ９の一端を接続してあり、チューブ９の他端を第二継手部２の貫通孔２１に接続してある。よって、ピストン７１をシリンダ７に挿入すれば、シリンダ７からチューブ９および貫通孔２１を通ってベローズ４ａ，４ｂに水が注入され、ピストン７１をシリンダ７から引き抜けば、ベローズ４ａ，４ｂから貫通孔２１およびチューブ９を通ってシリンダ７に水が吸引される。また、シリンダ７の上側には、アクチュエータ８をフレーム２０に取り付けて設けてある。このアクチュエータ８は、直動型のいわゆるリニアアクチュエータであり、ピストン７１と接続されていて、ピストン７１がシリンダ７に対して挿入および引き抜き自在となっている。ただし、ピストン７１とアクチュエータ８の間にはセンサ６を挟んで取り付けてある。このセンサ６は、荷重を測定するロードセルであり、これによりベローズ４ａ，４ｂの内圧（ベローズ４ａ，４ｂ内の水の圧力）を測定することができる。

次に、このように構成した関節機構の動作について、図３のフローチャートに基づいて説明する。まず、施術者が操縦器具を操作するなどして信号を入力する。信号は電子計算機や電子回路により適宜変換され、液体供給部５のアクチュエータ８に対して入力される。信号に応じてアクチュエータ８が動作し、ピストン７１をシリンダ７に挿入、またはピストン７１をシリンダ７から引き抜く。この際、ピストン７１（アクチュエータ８）の移動距離とシリンダ７の断面積の積が、ベローズ４ａ，４ｂに注入またはベローズ４ａ，４ｂから吸引される水量Ｑとなる。たとえば、第二継手部２が固定された状態において、Ｘ軸方向のベローズ４ａに水を注入すると、ベローズ４ａが伸びて、第一継手部１がＸ軸の正方向に傾斜する。逆にＸ軸方向のベローズ４ａから水を吸引すると、ベローズ４ａが縮んで、第一継手部１がＸ軸の負方向に傾斜する。また、Ｚ軸方向のベローズ４ｂに水を注入すると、ベローズ４ｂが伸びて、第一継手部１がＺ軸の正方向に傾斜する。逆にＺ軸方向のベローズ４ｂから水を吸引すると、ベローズ４ｂが縮んで、第一継手部１がＺ軸の負方向に傾斜する。ここで、第一継手部１の傾斜角度は、ベローズ４ａ，４ｂの特性に基づき、水量Ｑに対して一義的に定まるものであり、Ｘ軸方向のベローズ４ａとＺ軸方向のベローズ４ｂにそれぞれ水を注入または吸引することで、関節部を任意の方向および角度θに傾斜させることができる。このようにして、施術者の操作器具による入力に対して、関節部の屈折という出力が得られる。

一方、関節部１０（第一継手部１または第二継手部２）が外力Ｆを受けると、ベローズ４ａ，４ｂの内圧（ベローズ４ａ，４ｂ内の水の圧力Ｐ）が変化する。水の圧力Ｐは、パスカルの原理に基づいて、ピストン７１に増幅されて伝わるので、ピストン７１に取り付けたセンサ６により各ベローズ４ａ，４ｂ内の水の圧力Ｐを測定することで、外力Ｆの働く方向および大きさを測定できる。こうして測定した外力（センサ６の出力信号）を、電子計算機や電子回路により適宜変換して、操縦器具に触覚としてフィードバックすることで、施術者が操作時の手応えを得ることができる。

次に、このように構成した関節機構における、ベローズの内圧の測定結果の例を示す。ここでは、関節部（第一継手部または第二継手部）に把持部を取り付けて針を把持させ、針が模擬血管を貫通するまで関節部を屈折させ、その際のベローズの内圧を測定した。また比較のため、負荷を与えずに関節部を同じ角度だけ屈折させた場合のベローズの内圧も測定した。図４は、その測定結果を示すグラフであり、横軸が時間ｔ［ｓ］、縦軸がベローズ内の水の圧力Ｐ［ｋＰａ］となっている。これによれば、模擬血管刺入時と無負荷時の何れにおいても、前半部分（ｔ＝０〜３．５）は関節が屈折している途中の状態であり、関節の屈折に伴って、時間に略比例して圧力が上昇している。一方、後半部分（ｔ＝３．５〜７）は関節が停止した状態であり、圧力は一定値となっている。そして、模擬血管刺入時と、無負荷時の圧力差が、模擬血管を刺入する際に関節部が受けた力である。よって、刺入時と無負荷時の圧力差を求め、さらに圧力差の勾配を求めることで、針が接触した瞬間を推定できる。

このように構成した関節機構によれば、液体供給部がベローズに対して水を注入および吸引することでベローズが伸縮する。そして、連結部の中心軸周りに９０度ずれた位置に設けた二本のベローズをそれぞれ伸縮させることで、第一継手部と第二継手部を相互に自在に動かすことができる。よって、ワイヤやプーリといった機械要素を必要とせず、簡易な構造で関節の自在な駆動が可能であり、制御が容易であって、故障の可能性が低い。また、第一継手部または第二継手部が外力を受けた際のベローズの内圧（ベローズ内の水の圧力）の変化をセンサにより測定することで、第一継手部または第二継手部が受ける外力を求めることができる。センサは液体供給部に設けられており、外力を受ける部位（第一継手部または第二継手部）にセンサを設ける必要がなく、機構を小型化することができる。また、外力はパスカルの原理に基づいて、ピストンに増幅されて伝わるので、微小な外力も精度よく検知できる。さらに、駆動のための液体として水を用いているので、万一漏れ出した場合であっても周囲に危険を及ぼすことはない。

なお、上記の作用効果に基づけば、この関節機構は、特に手術用のマニピュレータに用いるものとして好適である。すなわち、構成が簡易で故障の可能性が低いので、手術中の使用に際しても信頼性が高い。また、外力を検知するセンサが液体供給部に設けられており、機構を小型化することができるので、狭小な術野でも対応できる。さらに、外力がピストンに増幅されて伝わるので、微細手術における微小な外力も検知できる。また、水を用いているので、漏れ出した場合でも患者に影響を及ぼさない。

さらに、この関節機構においては、液体供給部のシリンダおよびピストンを、ガラス、プラスチックまたは金属などの非弾性素材にすることで、ピストンの挿入時および引抜時におけるシリンダやピストンの変形を防ぎ、注入または吸引される水量と関節角度の間に生じるヒステリシス（ピストンの挿入時と引抜時における関節角度の差）を抑えることができる。素材としては、摩擦片の出にくいガラスやプラスチックが特に好ましい。図５は、ガラス製のシリンダおよびピストンを用いた場合において、ピストンの挿入時と引抜時に注入または吸引される水量Ｑ［ｍｌ］と関節角度θ［ｄｅｇ］の関係を示すグラフである。これによれば、挿入時（実線）と引抜時（破線）において、同じ水量に対する関節角度は略同じであり、ヒステリシスが抑えられていることがわかる。ヒステリシスを抑えたことにより、外力を精度よく検知し、より正確に動作させることができ、この点においても、特に手術用のマニピュレータに用いるものとして好適である。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。この関節機構は、手術用のマニピュレータに用いるものとして好適なものであるが、その他の種々の用途に用いるものであってもよい。また、第一継手部および第二継手部の形状は、この関節機構が用いられる機械器具に応じて適宜変更されるものである。さらに、連結部の形状・構造についても、いわゆるユニバーサルジョイントを構成するものであれば、どのようなものであってもよい。また、液体供給部の構造についても、ベローズに対して任意の量の液体を注入または吸引することができるものであれば、どのようなものであってもよい。さらに、液体の種類も水に限られず、たとえば手術用のマニピュレータに用いることを想定した場合、生理食塩水などであってもよい。

１第一継手部
２第二継手部
３連結部
４ａ，４ｂベローズ
５液体供給部
６センサ

Claims

第一継手部（１）と、第二継手部（２）と、連結部（３）と、二本のベローズ（４ａ，４ｂ）と、液体供給部（５）を備え、
第一継手部（１）と第二継手部（２）とは、連結部（３）により首振り自在に連結されており、
二本のベローズ（４ａ，４ｂ）が、何れも一端が第一継手部（１）に固定され、他端が第二継手部（２）に固定されていて、連結部（３）の中心軸周りに９０度ずれた位置に設けられており、
液体供給部（５）が、各ベローズ（４ａ，４ｂ）に対して液体を注入および吸引するものであって、ベローズ（４ａ，４ｂ）の内圧を測定するセンサ（６）を有することを特徴とする関節機構。