JP2015123512A - 動作伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動装置への接続作業が容易な動作伝達装置を実現することを課題とする。【解決手段】本発明は、全体が棒状の動作伝達装置１であって、棒状で変形しない中央部４と、中央部４の一端側に連結していて、任意方向へ湾曲可能で、かつ、トルク伝達可能な根元側自在継手３と、棒状で変形せず、根元側自在継手３における中央部４と連結された側の端部と逆の端部に連結されている根元側端部２と、中央部４の他端側に連結していて、任意方向へ湾曲可能で、かつ、トルク伝達可能な先端側自在継手５と、棒状で変形せず、先端側自在継手５における中央部４と連結された側の端部と逆の端部に連結されている先端側端部６と、動作伝達装置１の内部に挿通されていて、一端が根元側端部２に固定され、他端が先端側端部６に固定されている３本以上のワイヤと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、全体が棒状で、一端側の動作を他端側に伝達する動作伝達装置に関する。

従来から、全体が棒状の動作伝達装置において、一端側において所定の操作を行うことで他端側の動作を制御する技術の開発が行われている。そのような動作伝達装置は、様々な分野に適用されるが、例えば、鉗子として腹腔鏡手術に適用される。腹腔鏡手術は開腹手術に代わる有効な術式であり、最近ではその手術件数が増加している。腹腔鏡手術を行う手術ロボットシステムでは、例えば、スレーブ（従操作装置）側の鉗子の先端側の柔軟関節の動作が、マスタ（主操作装置）側における操作によって制御される（非特許文献１）。

そのような場合に用いられる鉗子では、例えば、鉗子内部に先端部から他端部まで複数（例えば４本）のワイヤが設けられている。そして、鉗子の先端部の柔軟関節を曲げるときは、鉗子の他端部側で複数のワイヤのうち１つ以上のワイヤをアクチュエータ（空気圧シリンダなど）で引っ張る制御を行う。その場合、鉗子の他端部側では、複数のワイヤそれぞれが駆動装置に接続されている。

J. Ding, K. Xu, R. Goldman, P. Allen, D. Fowler, N. Simaan, "Design, Simulation and Evaluation of Kinematic Alternatives for Insertable Robotic Effectors Platforms in Single Port Access Surgery", 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Alaska, pp.1053-1058 (2010)

しかしながら、前記した従来技術では、鉗子を駆動装置に装着する際に、複数のワイヤそれぞれを駆動装置に接続する必要があるため、接続作業が煩雑であるという問題があった。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、駆動装置への接続作業が容易な動作伝達装置を実現することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、全体が棒状の動作伝達装置であって、棒状で変形しない中央部と、中央部の一端側に連結していて、任意方向へ湾曲可能で、かつ、トルク伝達可能な一端側自在継手と、棒状で変形せず、一端側自在継手における中央部と連結された側の端部と逆の端部に連結されている一端側端部と、中央部の他端側に連結していて、任意方向へ湾曲可能で、かつ、トルク伝達可能な他端側自在継手と、棒状で変形せず、他端側自在継手における中央部と連結された側の端部と逆の端部に連結されている他端側端部と、動作伝達装置の内部に挿通されていて、一端が一端側端部に固定され、他端が他端側端部に固定されている３本以上のワイヤと、を備える。
そして、一端側端部に径方向の力が加えられて、一端側自在継手が湾曲した場合、３本以上のワイヤの張力によって、他端側自在継手が湾曲する。
また、一端側端部に軸周りの方向の力が加えられて、一端側端部が軸周りに回転した場合、そのトルクが一端側自在継手、中央部、他端側自在継手、他端側端部と伝達されることによって、他端側端部が回転する。
また、一端側端部に径方向の力が加えられるとともに軸周りの方向の力が加えられて、一端側自在継手が湾曲の形状を維持したまま軸周りに回転した場合、他端側自在継手は湾曲の形状を維持したまま回転する。
その他の手段については後記する。

本発明によれば、駆動装置への接続作業が容易な動作伝達装置を実現することができる。

（ａ）は、本実施形態の動作伝達装置の外観図であり、（ｂ）は、その両端部の拡大図である。 （ａ）は、本実施形態の動作伝達装置の内部構造図であり、（ｂ）は、その両端部の拡大図であり、（ｃ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、本実施形態の動作伝達装置の図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面図であり、（ｂ）は、その両端部の拡大図である。 （ａ）は、本実施形態の動作伝達装置の両端部が湾曲した様子を示す図であり、（ｂ）は、その両端部の拡大図である。 （ａ）は、本実施形態において、鉗子として用いる場合の動作伝達装置の外観図であり、（ｂ）は、その両端部の拡大図である。 本実施形態の遠隔操作システムの全体構成図である。 本実施形態の動作伝達装置と駆動装置の構造図である。 （ａ）は、本実施形態の変形例の動作伝達装置の外観図であり、（ｂ）は、その動作伝達装置の両端部が湾曲した様子を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態と称する。）に係る動作伝達装置について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態の動作伝達装置は、例えば、鉗子として腹腔鏡手術を行う手術ロボットシステムに使用される。

まず、図１（ａ）（ｂ）を参照して、本実施形態の動作伝達装置１の全体構造について説明する。動作伝達装置１は、全体が円筒状（棒状）で、例えばステンレス製であり、根元側端部２と、根元側自在継手３と、中央部４と、先端側自在継手５と、先端側端部６と、を備える。

中央部４は、円筒状（棒状）で、腹腔鏡手術などでの動作伝達装置１の使用時に変形しない強度（以下、単に「変形しない強度」と称する。）を有している。
根元側自在継手３（一端側自在継手）は、中央部４の一端側（図１（ａ）（ｂ）の左側）に連結していて、任意方向へ湾曲可能で、かつ、トルク伝達可能な自在継手（ユニバーサルジョイント）である。根元側自在継手３としては、例えば、いわゆるマシーンドスプリングを用いるのが好ましい。マシーンドスプリングは、細長い金属を螺旋状に変形させて製作する従来のコイルスプリングと異なり、金属の塊から切削加工して製作することにより、特に、径方向の厚みを大きくするなどしてねじり剛性を高めることができ、トルク伝達可能な自在継手を実現しやすいからである。

根元側端部２（一端側端部）は、端部２ａが塞がれた円筒状（棒状）で変形しない強度を有しており、根元側自在継手３における中央部４と連結された側の端部と逆の端部に連結されている。
先端側自在継手５は、中央部４の他端側（図１（ａ）（ｂ）の右側）に連結していて、任意方向へ湾曲可能で、かつ、トルク伝達可能な自在継手である。先端側自在継手５としては、例えば、根元側自在継手３と同様、マシーンドスプリングを用いるのが好ましい。
先端側端部６（他端側端部）は、端部６ａが塞がれた円筒状（棒状）で変形しない強度を有しており、先端側自在継手５における中央部４と連結された側の端部と逆の端部に連結されている。

次に、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して、動作伝達装置１の内部構造について説明する。動作伝達装置１は、さらに、４本のワイヤ１１，１２，１３，１４を備えている。
４本のワイヤ１１，１２，１３，１４は、それぞれ、動作伝達装置１の内部に挿通されていて、一端が根元側端部２に固定され、他端が先端側端部６に固定されている。

また、４本のワイヤ１１，１２，１３，１４は、図２（ｃ）に示すように、動作伝達装置１の軸に垂直な断面視で、軸を中心として９０度ずつ異なる方向にそれぞれ配置されている。ワイヤが４本以下の場合では、この配置のときが、根元側自在継手３の湾曲動作を一番正確に先端側自在継手５に伝達できる。
なお、４本のワイヤ１１，１２，１３，１４は、根元側自在継手３と先端側自在継手５に設けられた孔７（内周部８の外側に位置）の内部を挿通していて径方向（動作伝達装置１の軸線に直交する方向。以下同様）の動きを拘束されており、また、根元側端部２、中央部４、先端側端部６においても所定の構造（根元側自在継手３、先端側自在継手５の孔７と同様の孔など）により径方向の動きを拘束されているのが好ましい。

また、４本のワイヤ１１，１２，１３，１４は、例えば、ステンレス製のものを使用できるが、これに限定されず、引っ張りに対して伸張しないものであればよく、材質としては各種金属のほか強化プラスチックなどの非金属であってもよい。

次に、動作伝達装置１の動作について説明する。
図３（ａ）（ｂ）は、動作伝達装置１についての、図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
図３（ａ）（ｂ）に示すように、動作伝達装置１は、外部から力が加えられていない場合、全体が一直線状となっている。

そして、図４（ａ）（ｂ）に示すように、動作伝達装置１は、根元側端部２に径方向の力が加えられて、根元側自在継手３が湾曲した場合、ワイヤ１３，１４の張力によって、先端側自在継手５が根元側自在継手３と逆の方向に湾曲する。
また、ワイヤ１１，１２についても同様であり、図１、図２に示す動作伝達装置１は、根元側端部２に径方向の力が加えられて、根元側自在継手３が任意の方向に湾曲した場合、ワイヤ１１，１２，１３，１４の張力によって、先端側自在継手５が根元側自在継手３と逆の方向に湾曲する。

また、図１に示す動作伝達装置１は、根元側端部２に軸周りの方向の力が加えられて、根元側端部２が軸周りに回転した場合、そのトルクが根元側自在継手３、中央部４、先端側自在継手５、先端側端部６と伝達されることによって、先端側端部６が回転する。

また、図１に示す動作伝達装置１は、根元側端部２に径方向の力が加えられるとともに軸周りの方向の力が加えられて、根元側自在継手３が湾曲の形状を維持したまま軸周りに回転した場合、先端側自在継手５は湾曲の形状を維持したまま回転する。

次に、図５（ａ）（ｂ）を参照して、鉗子として用いる場合の動作伝達装置１Ａの構造について説明する。図５（ａ）（ｂ）の動作伝達装置１Ａは、図１の動作伝達装置１と比較して、先端側端部６が鉗子先端部６Ａに置き換わっている点で相違している。なお、動作伝達装置１Ａを使用する場合は、鉗子先端部６Ａの動作を制御するためのワイヤなどを別途設ければよい。

次に、図６を参照して、動作伝達装置１を含む遠隔操作システム１００について説明する。
図６に示すように、遠隔操作システム１００は、動作伝達装置１Ａ、駆動装置２１、力センサ２２、スレーブコンピュータ２３、マスタコンピュータ２４、力覚提示装置２５を備えて構成される。

動作伝達装置１Ａは、遠隔操作対象物に対して動作する。
駆動装置２１は、スレーブコンピュータ２３から受信した、力覚提示装置２５の操作者の手や指の位置情報を含む制御信号に基いて、動作伝達装置１の動作制御を行う。
力センサ２２は、動作伝達装置１Ａが遠隔操作対象物から受けている力（反力）を検出し、その力情報をスレーブコンピュータ２３に伝達する。

スレーブコンピュータ２３は、駆動装置２１に位置情報を含む制御信号を送信するなどして駆動装置２１を制御したり、力センサ２２から力情報を受信したり、マスタコンピュータ２４と各種情報（力情報、位置情報など）を送受信したりする。

マスタコンピュータ２４は、スレーブコンピュータ２３および力覚提示装置２５と各種情報（力情報、位置情報など）を送受信したり、各種演算処理を行ったりする。

力覚提示装置２５は、操作者の手や指などによる操作に応じて位置情報をマスタコンピュータ２４に送信したり、マスタコンピュータ２４から受信した力情報に基いて操作者に力覚を与えたりする。力覚提示装置２５としては、公知の装置（例えば、センサブル・テクノロジーズ社製のＰＨＡＮＴＯＭ Ｏｍｎｉ）を利用することができる。

次に、図７を参照して、本実施形態の駆動装置２１の構造について説明する。図７に示すように、駆動装置２１は、根元側基部３１、回転用アクチュエータ３２、グリッパ開閉用アクチュエータ３３、グリッパ駆動用アダプタ３４、グリッパ３５、リンク機構３６、リンク駆動用アクチュエータ３７、リンク駆動用アクチュエータ３８、中央部支持部３９、保持用アダプタ４０，４１を備えている。

保持用アダプタ４０，４１は、樹脂などの弾力性のある素材で形成されており、中央部支持部３９に固着され、開口部から受け入れた動作伝達装置１Ａの中央部４を保持する。そして、保持用アダプタ４０，４１は、動作伝達装置１Ａを、開口部から抜けないように拘束しつつ、軸周りに回転可能に保持する。

回転用アクチュエータ３２は、グリッパ開閉用アクチュエータ３３と、根元側基部３１の孔を介して接続されていて、グリッパ開閉用アクチュエータ３３を軸周りに回転させる。
グリッパ駆動用アダプタ３４は、グリッパ開閉用アクチュエータ３３に固着されている。

グリッパ開閉用アクチュエータ３３は、グリッパ駆動用アダプタ３４を介してグリッパ３５を開閉する。
グリッパ３５は、動作伝達装置１Ａの根元側端部２を把持する。なお、図７では、動作伝達装置１Ａの根元側端部２は、グリッパ３５によって把持されやすいように、凹部を有するものとした。

根元側基部３１と中央部支持部３９は、リンク機構３６を介して接続されている。
リンク駆動用アクチュエータ３７は、根元側基部３１の底面と中央部支持部３９の底面に固定されている。
リンク駆動用アクチュエータ３８は、根元側基部３１の底面と中央部支持部３９の底面に固定されている。

次に、駆動装置２１による動作伝達装置１Ａの動作について説明する。
回転用アクチュエータ３２を駆動してグリッパ開閉用アクチュエータ３３を軸周りに回転させることで、そのトルクが、グリッパ駆動用アダプタ３４、グリッパ３５、根元側端部２、根元側自在継手３、中央部４、先端側自在継手５、鉗子先端部６Ａと伝達され、鉗子先端部６Ａを回転させることができる。

また、リンク駆動用アクチュエータ３７，３８の一方のみを駆動することで、中央部支持部３９を符号Ｃの方向に移動させることができ、それに応じて根元側自在継手３が湾曲し、それによって先端側自在継手５を湾曲させることができる。
また、リンク駆動用アクチュエータ３７，３８の両方を同じ動きで駆動することで、中央部支持部３９を符号Ｄの方向に移動させることができ、それに応じて根元側自在継手３が湾曲し、それによって先端側自在継手５を湾曲させることができる。

つまり、リンク駆動用アクチュエータ３７，３８の両方の動きを組み合わせることで、中央部支持部３９を任意の方向に移動させることができ、それに応じて根元側自在継手３が湾曲し、それによって先端側自在継手５を湾曲させることができる。
なお、中央部支持部３９を固定して、根元側基部３１を移動可能にしておくことで、リンク駆動用アクチュエータ３７，３８を駆動したときに、動作伝達装置１Ａの中央部４は固定で、根元側自在継手３の湾曲に応じて先端側自在継手５を湾曲させることができる。

このように、本実施形態の動作伝達装置１（動作伝達装置１Ａも含む。以下同様）によれば、駆動装置２１への接続作業や分離作業が容易な動作伝達装置を実現することができる。つまり、動作伝達装置１を駆動装置２１に接続する際は、動作伝達装置１の中央部４を保持用アダプタ４０，４１に対して人手でワンタッチで取り付けるとともに、グリッパ３５で根元側端部２を把持するだけでよく、従来技術のように鉗子の複数のワイヤそれぞれを駆動装置に接続する必要がない。同様に、動作伝達装置１の駆動装置２１からの分離（接続の逆動作）も容易に行うことができる。

なお、従来技術の鉗子では、複数のワイヤそれぞれを駆動装置に接続する必要があったため、接続作業や分離作業の際に、要清潔（清潔を要すること）の鉗子の清潔状態を維持するのが容易ではなかった。一方、本実施形態によれば、保持用アダプタ４０，４１、グリッパ駆動用アダプタ３４、グリッパ３５を使い捨てにしたり滅菌処理したりするだけで、動作伝達装置１の駆動装置２１に対する接続作業や分離作業の際に、動作伝達装置１の清潔状態を維持することができて、非常に便利である。

（変形例）
次に、図８（ａ）（ｂ）を参照して、動作伝達装置の変形例について説明する。図８（ａ）（ｂ）に示すように、変形例の動作伝達装置１Ｂは、図１の動作伝達装置１と比較して、根元側端部２と中央部４の間に根元側自在継手３Ａ、根元側中間部５１、根元側自在継手３Ｂを備えており、また、先端側端部６と中央部４の間に先端側自在継手５Ａ、先端側中間部５２、先端側自在継手５Ｂを備えている。

そして、図示を省略するが、例えば、根元側自在継手３Ａと先端側自在継手５Ａの組に対応するワイヤ４本と、根元側自在継手３Ｂと先端側自在継手５Ｂの組に対応するワイヤ４本とが、それぞれ独立に、動作伝達装置１Ｂ内に配置される。そうすることで、図８（ｂ）に示すように、根元側自在継手３Ａを動作させたときに先端側自在継手５Ａを対称的に動作させ、また、根元側自在継手３Ｂを動作させたときに先端側自在継手５Ｂを対称的に動作させることができる。

以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
例えば、動作伝達装置１の内部に挿通されるワイヤは、４本でなくても、３本、または、５本以上であってもよい。
また、動作伝達装置１の内部の軸に垂直な断面における中央部分に、軸方向の全長にわたるワイヤ（強度維持などのため）を別途設けてもよい。

また、図１では、動作伝達装置１において、根元側自在継手３の軸方向の長さが、先端側自在継手５の軸方向の長さよりも長いものとしているが、それぞれの長さは、動作伝達装置１の使用状況に応じて任意に設定可能であり、同じであってもよいし、長短関係が逆であってもよい。なお、根元側自在継手３と先端側自在継手５のそれぞれの軸方向の長さを異ならせることで、根元側自在継手３の湾曲動作に対する先端側自在継手５の湾曲動作の大きさを調整することができる。

また、４本のワイヤ１１，１２，１３，１４は、例えば、ニッケルチタン合金製など、引っ張りの力だけでなく押しの力も伝達できるもので実現すれば、根元側自在継手３の湾曲の動作をより速く先端側自在継手５に伝達することができる。

また、図１では、動作伝達装置１において、先端側端部６の軸方向の長さが根元側端部２の軸方向の長さよりも長いものとしているが、それぞれの長さは、動作伝達装置１の使用状況に応じて任意に設定可能であり、同じであってもよいし、長短関係が逆であってもよい。

また、根元側自在継手３と先端側自在継手５の組について、図１では１組の場合、図８では２組の場合を説明したが、３組以上であってもよい。
また、動作伝達装置１は、軸に垂直な断面視で、外周が円の形状であるものとしたが、その他に、外周が楕円や矩形などの他の形状であってもよい。
その他、具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 動作伝達装置
２ 根元側端部
３，３Ａ，３Ｂ 根元側自在継手
４ 中央部
５，５Ａ，５Ｂ 先端側自在継手
６ 先端側端部
６Ａ 鉗子先端部
７ 孔
８ 内周部
１１，１２，１３，１４ ワイヤ
２１ 駆動装置
２２ 力センサ
２３ スレーブコンピュータ
２４ マスタコンピュータ
２５ 力覚提示装置
３１ 根元側基部
３２ 回転用アクチュエータ
３３ グリッパ開閉用アクチュエータ
３４ グリッパ駆動用アダプタ
３５ グリッパ
３６ リンク機構
３７ リンク駆動用アクチュエータ
３８ リンク駆動用アクチュエータ
３９ 中央部支持部
４０ 保持用アダプタ
５１ 根元側中間部
５２ 先端側中間部
１００ 遠隔操作システム

Claims (3)

1. 全体が棒状の動作伝達装置であって、
   棒状で変形しない中央部と、
   前記中央部の一端側に連結していて、任意方向へ湾曲可能で、かつ、トルク伝達可能な一端側自在継手と、
   棒状で変形せず、前記一端側自在継手における前記中央部と連結された側の端部と逆の端部に連結されている一端側端部と、
   前記中央部の他端側に連結していて、任意方向へ湾曲可能で、かつ、トルク伝達可能な他端側自在継手と、
   棒状で変形せず、前記他端側自在継手における前記中央部と連結された側の端部と逆の端部に連結されている他端側端部と、
   前記動作伝達装置の内部に挿通されていて、一端が前記一端側端部に固定され、他端が前記他端側端部に固定されている３本以上のワイヤと、を備え、
   前記一端側端部に径方向の力が加えられて、前記一端側自在継手が湾曲した場合、前記３本以上のワイヤの張力によって、前記他端側自在継手が湾曲し、
   前記一端側端部に軸周りの方向の力が加えられて、前記一端側端部が軸周りに回転した場合、そのトルクが前記一端側自在継手、前記中央部、前記他端側自在継手、前記他端側端部と伝達されることによって、前記他端側端部が回転し、
   前記一端側端部に径方向の力が加えられるとともに軸周りの方向の力が加えられて、前記一端側自在継手が湾曲の形状を維持したまま軸周りに回転した場合、前記他端側自在継手は湾曲の形状を維持したまま回転する
   ことを特徴とする動作伝達装置。
2. 前記ワイヤは、４本であり、前記動作伝達装置の軸に垂直な断面視で、軸を中心として９０度ずつ異なる方向にそれぞれ配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の動作伝達装置。
3. 前記一端側自在継手と前記他端側自在継手のそれぞれの軸方向の長さが異なっている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の動作伝達装置。

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