JP2015136516A - 腕支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者の腕を支持する腕支持装置において、前記腕が載置される載置部を鉛直成分を含む軸回りに回動させる関節を、適切な位置に配置して操作性を向上させること。
【解決手段】（Ａ）に例示するように、アームホルダ（載置部）の鉛直軸回りの回転中心となる軸Ｊとそのアームホルダに支持された肘Ｅとの間隔が５０ｍｍ未満であると、アームホルダを軸Ｊ回りに回動させたときの指先の振れ幅が大きくなり、手術等の繊細な作業では作業性が低下する。これに対して、（Ｂ）に示すように、軸Ｊがアームホルダに支持された肘Ｅよりも５０ｍｍ以上手首Ｗ側で、かつ、前腕Ａの手首Ｗよりも肘Ｅ側の位置を通る場合、指先の動きをコントロールするのが容易となる。従って、その腕支持装置を用いた作業の作業性が向上する。
【選択図】図５

Description

本発明は、作業者の腕を支持する腕支持装置に関する。

例えば脳神経外科手術等のように緻密な手作業が要求される作業では、作業者（例えば手術を行う医師）の腕を支持する腕支持装置が用いられる場合がある。このような腕支持装置としては、可動の関節式保持アームにおける先端に設けられた支持部（載置部）に、ベルト部材を介して医師の腕を固定することで支持部を腕に追従移動させ、フットスイッチの操作時には関節式保持アームを固定して支持部の移動を禁止する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、例えばピンセット等の器具を作業台に置く場合など、支持部から腕を外す都度、ベルト部材の着脱が必要となり、使い勝手が悪い。これに対し、腕台（載置部）を支持する多関節アームに、腕台を上方へ付勢する力を付与することで、腕台を腕の下方から圧接し、圧接による摩擦抵抗で腕台を腕に追従移動させる構成も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２７２１６３号公報 特開２００９−２９１３６３号公報

これらの腕支持装置では、作業者の腕が載置される載置部を鉛直成分を含む軸回りに回動させる関節を設けることが考えられるが、そのような関節が載置部に対してどのような位置にあるのが望ましいかについてはこれまで検討されてこなかった。そこで、本発明は、作業者の腕を支持する腕支持装置において、前記腕が載置される載置部を鉛直成分を含む軸回りに回動させる関節を適切な位置に配置して操作性を向上させることを目的としてなされた。

前記目的を達するためになされた本発明の腕支持装置（１）では、作業者の腕が載置される載置部（１１）には、その載置部に載置される作業者の肘の位置を規定する規定部（１１３）が設けられ、載置部に対する腕の位置が規定される。この載置部を移動可能に支持する支持部（１２）は、複数の関節（３１，３２，３３，３４，３５）を有し、その関節うちの、前記載置部を鉛直成分を含む軸回りに回動させる特定関節（３５）は、次のような位置に配置されている。

すなわち、特定関節は、その軸（鉛直成分を含む軸）が、前記載置部に載置された前記腕に対して、前記規定部によって位置を規定された肘よりも５０ｍｍ以上手首側で、かつ、前記腕の手首よりも肘側の位置を通るように設けられている。特定関節の軸と肘との間隔が５０ｍｍ未満であると、載置部を前記軸回りに回動させたときの指先の振れ幅が大きくなり、手術等の繊細な作業では作業性が低下する。また、特定関節の軸が手首よりも指先側を通っていると、載置部を作業野（例えば手術野）に近づけるときに特定関節と作業野の部材（例えば手術野の身体）とが干渉する虞がある。

これに対して、本発明のように特定関節の軸が、前記載置部に載置された前記腕に対して、前記規定部によって位置を規定された肘よりも５０ｍｍ以上手首側で、かつ、前記腕の手首よりも肘側の位置を通る場合、その腕支持装置を用いた作業の作業性が向上する。すなわち、本発明では、肘の大きな動きを縮尺して指先を動かすことができるので、手術等の繊細な作業における作業性が向上する。なお、前記５０ｍｍとは、おおよその目安であり、５０ｍｍに臨界的な意義があるわけではない。また、肘から手首までは一般的に２５０〜３００ｍｍである。

更に、本発明では、前記支持部の少なくとも一箇所に設けられた錘（５１，５２）は、前記腕が前記載置部に載置された状態で少なくとも１つの前記関節に対してその関節回りに重力による力のモーメントが作用するのを抑制する。このため、腕が載置部に載置されているときにその載置部が重力の影響で予期せぬ動きをしたり、腕に載置部から余分な力が加わるのを抑制することができる。従って、本発明の腕支持装置を用いた作業の作業性が一層向上する。

本発明を適用した腕支持装置の外観を表す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は斜視図である。 その腕支持装置のリンク機構の構成を表す模式図である。 その腕支持装置のアームホルダ近傍の構成を表す斜視図である。 その腕支持装置の使用例を模式的に表す側面図である。 その腕支持装置の使用例及び効果を模式的に表す平面図である。

［実施形態の構成］
以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。図１に示す実施形態の腕支持装置１は、手術を行う作業者としての医師Ｄ（図４参照）の腕（具体的には前腕Ａ）を支持する装置である。腕支持装置１は、医師Ｄの前腕Ａが載置されるアームホルダ１１（載置部の一例）と、アームホルダ１１を移動可能に支持する多関節アーム１２（支持部の一例）と、を備える。

多関節アーム１２は、ベース部２１，肩部２２，第１腕部２３，第２腕部２４，及びホルダ支持部２５（載置部用支持部の一例）を備え、５自由度に構成されている。多関節アーム１２の全体を支持するベース部２１は、床Ｆの上における所望の位置に固定的に配置可能となっている。肩部２２は、ベース部２１から鉛直方向に伸び、ベース部２１に対して鉛直軸回りに回動可能に構成されている。第１腕部２３は、一端が肩部２２の上端に水平軸回りに回動可能に接続されている。第２腕部２４は、一端が第１腕部２３の他端に水平軸回りに回動可能に接続されている。ホルダ支持部２５は、第２腕部２４の他端に水平軸回りに回動可能に接続され、その軸と直交する主として鉛直方向の軸Ｊ回りに回動可能にアームホルダ１１を支持する。

図２に模式的に示すように、多関節アーム１２は、５つの関節３１，３２，３３，３４，３５を有している。本実施形態では、関節３１〜３５はいずれも回転関節である。具体的には、関節３１は、ベース部２１の上端に、肩部２２を鉛直軸回りに回転可能に接続する。

第１腕部２３の内部には、２本の棒材４１，４２の両端が上下方向に一定間隔に維持された平行リンク機構４３が設けられ、その平行リンク機構４３の上側の棒材４１の一端が、関節３２を介して肩部２２の上端に水平軸回りに回動可能に接続されている。第２腕部２４の内部には、２本の棒材４５，４６の両端が上下方向に一定間隔に維持された平行リンク機構４７が設けられ、その平行リンク機構４７の上側の棒材４５の一端が、棒材４１の他端に、関節３３を介して水平軸回りに回動可能に接続されている。棒材４５の他端には、水平軸回りに回転可能な関節３４とその関節３４とは回転軸が直交する関節３５（特定関節の一例）とを介して、アームホルダ１１が接続されている。また、関節３５には、アームホルダ１１に加わる力を検出する力センサ４８が設けられている。

棒材４１は、関節３２を突き抜けて延びており、その先端部にカウンタウェイト５１が設けられている。このカウンタウェイト５１は、アームホルダ１１に前腕Ａが載置された状態で関節３２回りに重力による力のモーメントが作用するのを抑制する。また、関節３２に接続された側の棒材４１，４２の一端を連結する棒材４９は、棒材４２よりも下方まで延びており、その先端にカウンタウェイト５２が設けられている。このカウンタウェイト５２は、平行リンク機構４３，４７を介して、アームホルダ１１に前腕Ａが載置された状態で関節３４回りに重力による力のモーメントが作用するのを抑制する。すなわち、カウンタウェイト５１，５２は、錘の一例に相当する。

関節３５を除いて、各関節３１，３２，３３，３４の全てには、当該関節３１，３２，３３，３４の機能（本実施形態では回転機能）を制限する（本実施形態ではロックする）ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａが設けられている。本実施形態では、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａとして、電磁ブレーキが用いられている。これにより、腕支持装置１において、アームホルダ１１の移動を制限（本実施形態ではロック）する動作モードであるロックモードと、アームホルダ１１の移動の制限（ロック）を解除した動作モードであるフリーモードと、が実現される。

ロックモードは、固定されたアームホルダ１１の上に医師Ｄが前腕Ａを載置する状態を想定した動作モードである。ロックモードでは、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａにより関節３１，３２，３３，３４が固定され、アームホルダ１１の移動が禁止（位置が固定）される。ロックモードにおいては、医師Ｄがアームホルダ１１から前腕Ａを外しても、アームホルダ１１の位置が固定されている。ただし、関節３５にはブレーキがないため、すなわち、関節３５を除いて、各関節３１，３２，３３，３４には、回転機能を制限するブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａが設けられているため、ロックモードであっても、アームホルダ１１の角度は軸Ｊ回りに自由に調整することができる。

一方、フリーモードは、医師Ｄがアームホルダ１１を前腕Ａに追従移動させる状態を想定した動作モードである。フリーモードでは、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａによる関節３１，３２，３３，３４の固定が解除され、アームホルダ１１を自由に動かすことができる。フリーモードにおいて、アームホルダ１１から前腕Ａに加わる力は極めて小さく、ブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａの摺動抵抗も小さいので、医師Ｄは前腕Ａにそれ程力を加えなくてもその前腕Ａにアームホルダ１１を追従移動させることができる。ロックモードとフリーモードとの切換は、医師Ｄによるボタン操作に応じて切り替えられてもよく、前腕Ａに加わる力を力センサ４８等にて検出することによって自動的に切り替えられてもよい。

図３に示すように、アームホルダ１１は、上方が開いた断面Ｕ字形の形状に構成された載置面（底面）１１１と、その載置面１１１に載置される前腕Ａの長手方向（以下、腕軸方向という。）における肘Ｅ（図４参照）側にせり上がった肘位置規定部１１３（規定部の一例）とを備える。この載置面１１１には、前腕Ａの手首Ｗより肘Ｅ側の部分が載置され、肘Ｅが肘位置規定部１１３に当接することによってその位置が規定される。

アームホルダ１１には、断面Ｕ字形の長手方向に沿って複数（５つ）の調整穴１１５が形成されている。ホルダ支持部２５の上面には、関節３５の動作に応じて軸Ｊ回りに回転する回転板２５１が設けられている。回転板２５１の上面には、アームホルダ１１の複数の調整穴１１５のうち、隣接する２つの調整穴１１５と対応するボルト穴２５３が形成されている。アームホルダ１１は、隣接する２つの調整穴１１５を介して、断面Ｕ字形の上方から２本のボルト１１６により、回転板２５１の上面に固定される。この複数の調整穴１１５とボルト穴２５３により、肘位置規定部１１３によって規定された肘Ｅの位置と軸Ｊとの間隔（腕軸方向の間隔）Ｌが調整可能である。この間隔Ｌは５０ｍｍ以上（より好ましくは７０〜１００ｍｍ）とされるのが好ましい。また、回転板２５１が回転する際に作用する摺動抵抗は、０．０１〜０．１Ｎｍとなるように調整されている。なお、アームホルダ１１の回転板２５１への装着時には、アームホルダ１１に載置された前腕Ａの腕軸が軸Ｊと直交する。アームホルダ１１の複数の調整穴１１５の中心間隔（ピッチ）は、術者（医師Ｄ）の腕の長さ、好みに合わせて設計することが可能で、ピッチは１０〜１５ｍｍ程度が好ましい。

［実施形態の効果及び他の実施形態］
以下、そのように調整された本実施形態の腕支持装置１の効果について説明する。腕支持装置１が使用される場合、図４に例示するように、医師Ｄは、椅子Ｃをその腕支持装置１の隣に配置して、その椅子Ｃに腰掛けた状態で前腕Ａをアームホルダ１１に載置する。その後、動作モードがフリーモードとされると、医師Ｄはアームホルダ１１を前腕Ａに容易に追従移動させることができる。すなわち、カウンタウェイト５１，５２の作用により、アームホルダ１１に前腕Ａが載置された状態で関節３２，３４回りに重力による力のモーメントが作用するのが抑制される。換言すれば、多関節アーム１２は、前腕Ａの自重と同じ力でアームホルダ１１を前腕Ａに圧接した状態で釣り合っている。

このため、アームホルダ１１は、前記圧接による摩擦抵抗で前腕Ａに良好に追従移動する。また、前記釣り合いにより、前腕Ａがアームホルダ１１に載置されているときにそのアームホルダ１１が重力の影響で予期せぬ動きをしたり、前腕Ａにアームホルダ１１から余分な力が加わるのを抑制することができる。更に、前腕Ａの肘Ｅは、肘位置規定部１１３によって位置が規定されるので、アームホルダ１１の腕軸方向への移動が一層円滑に行える。

また、回転板２５１の軸Ｊは肘位置規定部１１３によって位置を規定された肘Ｅよりも５０ｍｍ以上手首Ｗ側で、かつ、手首Ｗよりも肘Ｅ側の位置を通るように設けられている。このため、腕支持装置１を用いた作業の作業性が一層向上する。すなわち、図５（Ａ）に例示するように、軸Ｊと肘Ｅとの間隔が５０ｍｍ未満であると、アームホルダ１１を軸Ｊ回りに回動させたときの指先の振れ幅が大きくなり、手術等の繊細な作業では作業性が低下する。これに対して、図５（Ｂ）に示すように、軸Ｊが肘位置規定部１１３によって位置を規定された肘Ｅよりも５０ｍｍ以上手首Ｗ側で、かつ、前腕Ａの手首Ｗよりも肘Ｅ側の位置を通る場合、指先の動きをコントロールするのが容易となる。すなわち、肘Ｅの大きな動きを縮尺して指先を動かすことができるので、手術等の繊細な作業における作業性が向上する。従って、その腕支持装置１を用いた作業の作業性が向上する。

また、腕支持装置１では、関節３５がブレーキを持たないため、ロックモードでもアームホルダ１１を軸Ｊ回りに回動させることができ、前腕Ａを安定して軸Ｊ回りに動かすことができる。

一方、軸Ｊが手首Ｗよりも指先側を通っていると、アームホルダ１１やホルダ支持部２５が手術野の身体と干渉する虞があるが、腕支持装置１ではそのような事態も抑制することができる。更に、腕支持装置１では、軸Ｊをどの程度手首Ｗに近づけるかを、複数の調整穴１１５のうち、どの隣接する調整穴１１５にボルト１１６を挿入してホルダ支持部２５に固定するかによって医師Ｄの好みに応じて腕軸方向に容易に調整することができる。また、回転板２５１の摺動抵抗が小さすぎると前腕Ａが動きすぎてしまい、その摺動抵抗が大きすぎると前腕Ａを動かしづらくなるが、本実施形態ではその摺動抵抗を０．０１〜０．１Ｎｍとしているので、前腕Ａを微動させることが容易となる。従って、本実施形態では、手術等の繊細な作業における作業性が一層向上する。

また、関節３５を除いて、各関節３１，３２，３３，３４には、回転機能を制限するブレーキ３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａが設けられているため、ロックモードであっても、アームホルダ１１の角度は軸Ｊ回りに自由に調整することができる。このロックモードにより、医師Ｄが固定されたアームホルダ１１の上に前腕Ａを載置したまま、前腕Ａを軸Ｊ回りに自由に回転することができるため、医師Ｄは細かい作業を疲労することなく、長時間に亘り、自由に実施することができる。特に、数ミリ単位で異なる部位を縫合する細かい作業を実施するときに効果を発揮することができる。

更に、アームホルダ１１の固定位置を腕軸方向に調整することができるため、医師Ｄが実施する作業内容や、医師Ｄの個人的な好みや体格差などに応じて、前腕Ａの微動範囲が調整でき、より一層作業性を向上することができる。

なお、アームホルダ１１の腕軸方向の調整方法は、一般にスライド調整・固定方法もあるが、本案のようにスライド方向（腕軸方向）と直角方向をなす方向からネジ固定を行うことで、腕の前後方向の動きに対するすべり・ずれを防止し安全を確保する効果がある。

なお、本発明は前記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、回転板２５１に作用する摺動抵抗は他の値であってもよい。また、多関節アーム１２における関節数やカウンタウェイトの数は種々に変更することができる。また、アームホルダ１１の形状も、種々に変更することができる。更に、本発明は、手術用の腕支持装置以外にも、精密機械製造用の腕支持装置等、種々の分野に適用することができる。

１…腕支持装置 １１…アームホルダ １２…多関節アーム
２１…ベース部 ２２…肩部 ２３…第１腕部 ２４…第２腕部
２５…ホルダ支持部 ３１，３２，３３，３４，３５…関節
４３，４７…平行リンク機構 ５１，５２…カウンタウェイト
１１１…載置面 １１３…肘位置規定部 １１５…調整穴
１１６…ボルト ２５１…回転板 ２５３…ボルト穴
Ａ…前腕 Ｄ…医師 Ｅ…肘

Claims (8)

1. 作業者の腕を支持する腕支持装置（１）であって、
   前記腕が載置される載置部（１１）と、
   前記載置部に設けられ、その載置部に載置される作業者の肘の位置を規定する規定部（１１３）と、
   複数の関節（３１，３２，３３，３４，３５）を有し、前記載置部を移動可能に支持する支持部（１２）と、
   前記支持部の少なくとも一箇所に設けられ、前記腕が前記載置部に載置された状態で、少なくとも１つの前記関節に対してその関節回りに重力による力のモーメントが作用するのを抑制する錘（５１，５２）と、
   を備え、
   前記複数の関節のうちの一つは、前記載置部を鉛直成分を含む軸回りに回動させる特定関節（３５）であり、その特定関節の軸は、前記載置部に載置された前記腕に対して、前記規定部によって位置を規定された肘よりも５０ｍｍ以上手首側で、かつ、前記腕の手首よりも肘側の位置を通るように設けられたことを特徴とする腕支持装置。
2. 前記特定関節は、前記載置部に載置された前記腕に対して、前記規定部によって位置を規定された肘よりも５０〜１００ｍｍ手首側に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の腕支持装置。
3. 前記特定関節回りに前記載置部を回動させるときにその載置部に作用する摺動抵抗は、０．０１〜０．１Ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の腕支持装置。
4. 前記載置部は、前記特定関節に対する装着位置を前記腕の長手方向に調整可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の腕支持装置。
5. 前記複数の関節のうち少なくとも１つの関節の機能を制限して前記載置部の移動を制限するブレーキ（３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ）を、
   更に備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の腕支持装置。
6. 前記ブレーキは、前記特定関節を除いて、前記複数の関節の全てに備えられたことを特徴とする請求項５に記載の腕支持装置。
7. 前記載置部は、上方が開いた断面Ｕ字形の形状で構成された載置面（１１１）を有することを特徴とする請求項４項に記載の腕支持装置。
8. 前記載置部は、前記特定関節に対する装着位置を調整するべく前記断面Ｕ字形の長手方向に沿って複数の調整穴（１１５）が形成され、前記調整穴を介して、前記支持部の一端に設けられた載置部用支持部（２５）に固定されることを特徴とする請求項７項に記載の腕支持装置。