JP2016016238A - マニピュレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】シャフトの先端の関節の動作角度と位置とを独立にかつ直感的に操作する。【解決手段】細長いシャフト3と、該シャフト3の先端に配置された少なくとも1つの関節4と、該関節4の動作指令を入力させる操作部6と、該操作部6を介して入力された動作指令に従って関節4を駆動する駆動部7とを備え、操作部6が、シャフト3に固定され、操作者の片手によって把持されるハンドル9と、該ハンドル9を把持した手の少なくとも1つの指を沿わせることができる位置に配置され、沿わせた指の動作により変位させられる変位部材10と、該変位部材10の変位を検出し動作指令として出力するセンサ11とを備えるマニピュレータ1を提供する。【選択図】図1

Description

本発明は、マニピュレータに関するものである。
従来、腹腔鏡手術に用いられるマニピュレータであって、皮膚に形成された開口部に設置されたトロッカに貫通させるシャフトの先端側に配置された関節をシャフトの基端側に配置された操作部によって操作するマニピュレータが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
このマニピュレータにおいては、操作部に操作者が把持するハンドルが備えられ、ハンドルを把持する手の手首の曲げ量と曲げ方向とを検出し、対応する方向に対応する量だけ関節を湾曲させている。
特許第4014792号公報
しかしながら、特許文献1のマニピュレータでは、手首を曲げると関節が湾曲してしまうので、関節を湾曲させることなく関節の位置を変更したい場合には、手首を曲げずにハンドルの位置を移動させなければならないという不都合がある。すなわち、ハンドルの位置を移動させてシャフトの角度や位置を変更しようとすると、ハンドルを把持する手の手首が曲がってしまい、その結果、関節が湾曲してしまうという不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、シャフトの先端の関節の動作角度と位置とを独立にかつ直感的に操作することができるマニピュレータ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、細長いシャフトと、該シャフトの先端に配置された少なくとも1つの関節と、該関節の動作指令を入力させる操作部と、該操作部を介して入力された動作指令に従って前記関節を駆動する駆動部とを備え、前記操作部が、前記シャフトに固定され、操作者の片手によって把持されるハンドルと、該ハンドルを把持した手の少なくとも1つの指を沿わせることができる位置に配置され、沿わせた指の動作により変位させられる変位部材と、該変位部材の変位を検出し動作指令として出力するセンサとを備えるマニピュレータを提供する。
本態様によれば、操作者がハンドルを片手で把持すると、その手の少なくとも1つの指が変位部材に沿って配置されるので、指を動かして変位部材を変位させると、センサによりその変位が検出され、変位に応じた動作指令に従って駆動部により関節が駆動される。一方、ハンドルを把持した手の手首を曲げながらハンドルの位置を移動させることができ、ハンドルが固定されているシャフトを移動させて、シャフトの先端の関節位置を変更することができる。すなわち、相互に独立して動作させることができる手の指と手首を関節の動作角度の変更と関節の位置の変更とに別々に割り当てることにより、両動作を干渉させずに操作することができる。
上記態様においては、前記変位部材が、前記ハンドルに片持ち梁状に取り付けられた板バネであってもよい。
このようにすることで、操作者が変位部材に沿わせて配置した指を曲げると、板バネからなる変位部材が指からの力を受けて湾曲し各部を変位させるのでその変位量を簡易に取り出すことができる。また、指に加えた力を解除すると、板バネからなる変位部材の弾性復元力によって中立位置に復元するので、関節を中立位置に復元させることができる。
また、上記態様においては、前記センサが、前記板バネ先端の変位量を検出してもよい。
このようにすることで、片持ち梁状の板バネの先端が最も大きく変位するので、動作指令を高い分解能で入力することができる。
また、上記態様においては、前記センサが、前記板バネの歪みを検出する歪みゲージであってもよい。
このようにすることで、板バネの表面に歪みゲージからなるセンサを貼り付けるだけで、コンパクトな構成で板バネの変形から変位量を容易に検出することができる。
また、上記態様においては、前記変位部材が、前記ハンドルに対して揺動可能に取り付けられ、前記センサが前記変位部材の揺動角度を検出するエンコーダであってもよい。
このようにすることで、変位部材のバネ剛性に依存せずにエンコーダによって精度よく変位部材の変位を揺動角度として検出することができる。
また、上記態様においては、前記変位部材が、その変位方向に交差する方向に揺動可能に前記ハンドルに取り付けられ、該変位部材の揺動角度を検出する第2のセンサを備えていてもよい。
このようにすることで、変位部材の変位をセンサにより検出し、変位部材の揺動角度を第2のセンサにより検出することにより、単一の変位部材によって2方向の動作指令の入力を行うことができる。これにより、シャフトの先端に配置した2つの関節を独立に駆動することができる。
また、上記態様においては、前記変位部材を変位させる指とは異なる指により操作可能な位置に入力部を備えていてもよい。
このようにすることで、変位部材を変位させる指とは異なる指によって入力部を操作することにより、他の入力、例えば、関節よりも先端側に配置したエンドエフェクタの作動指令等を行うことができる。
本発明によれば、シャフトの先端の関節の動作角度と位置とを独立にかつ直感的に操作することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るマニピュレータを示す全体構成図である。 図1のマニピュレータの操作部を示す斜視図である。 図2の操作部を右手で把持した状態を示す斜視図である。 変位部材に指の力がかかっていない状態の(a)平面図および(b)磁力センサを示す図である。 変位部材に指の力がかかっている状態の(a)平面図および(b)磁力センサを示す図である。 図2の第1の変形例であって、変位部材の変位を検出するセンサとして歪みゲージを装着した操作部を示す斜視図である。 図2の第2の変形例であって、変位部材の変位を検出するセンサとしてエンコーダを装着した操作部を示す斜視図である。 図2の第3の変形例であって、変位部材としてリンク機構を有する操作部の斜視図である。 図2の第4の変形例であって、変位部材の揺動を検出するエンコーダを装着した操作部を示す斜視図である。 図2の操作部に処置具を作動させるスイッチを備える(a)平面図および(b)処置具の先端部を示す斜視図である。 図2の操作部に他の関節を作動させるダイヤルを備える(a)平面図および(b)処置具の先端部を示す斜視図である。
本発明の一実施形態に係るマニピュレータについて図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータ1は、図1に示されるように、例えば、腹腔鏡手術に用いられるマニピュレータ1であって、皮膚Aを貫通して配置されるトロッカ2を貫通して挿入される細長いシャフト3と、該シャフト3の先端に配置された関節4と、該関節の先端側に配置される処置具5と、関節4を操作する操作部6と、関節4を駆動する駆動部7と、該駆動部7を制御する制御部8とを備えている。
シャフト3は、例えば、硬質の円筒状に形成され、関節4や処置具5を駆動するための図示しないワイヤや配線等が内部を貫通して配置されている。関節4は、図1に示す例では、シャフト3の長手軸に直交する軸線回りに処置具5を含む先端部を揺動可能に支持する屈曲関節である。処置具5は、把持鉗子やエネルギ鉗子等、体内の患部Bを処置するためのものである。
操作部6は、図1に示されるように、シャフト3の長手方向の途中位置に固定されるハンドル9と、図2に示されるように、ハンドル9に片持ち梁状に固定された板バネ(変位部材)10と、該板バネ10の先端位置の変位量を検出するセンサ11とを備えている。
ハンドル9は、例えば、四角柱状に形成され、図3に示されるように、操作者の右手の掌と、中指、薬指および小指によって把持されるようになっている。
板バネ10は、短冊状の平板からなり、操作者がその右手によってハンドル9を把持した状態で、その手の人差し指を真っ直ぐに延ばすことにより、人差し指が長手方向に沿って配置される位置に設けられている。
センサ11は、例えば、板バネ10の揺動端に一端が固定された磁性材料からなるワイヤ12と、該ワイヤ12の他端を長手方向に移動可能に挿入させ、その挿入長に応じて電圧が変化する磁気センサ13とを備えている。磁気センサ13は、例えば、ハンドル9に固定されている。また、符号14は、ワイヤ12を移動可能に被覆するシースである。
駆動部7は、例えば、モータであり、シャフト3内を貫通するワイヤに牽引力を付与して、関節4を駆動するようになっている。
制御部8は、センサ11からの出力を受け取って、該出力に応じた駆動指令を駆動部7に出力す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マニピュレータ1の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータ1を用いて体内の患部Bを処置するには、図1に示されるように、皮膚Aを貫通して配置されているトロッカ2の貫通孔内にマニピュレータ1の先端側からシャフト3を挿入し、先端の処置具5および関節4を体内に配置する。
この状態で、操作者は、別途体内に挿入された図示しない内視鏡により取得された画像をモニタで確認しながら、図3に示されるように、ハンドル9を右手で把持し、右手の人差し指Cを板バネ10に沿わせるように配置する。ハンドル9はシャフト3に固定されているので、ハンドル9を移動させることにより、シャフト3をその長手軸方向に移動させ、あるいはトロッカ2を支点として傾斜角度を変更するようにシャフト3を移動させることができる。
すなわち、シャフト3の移動によってシャフト3の先端に配置されている関節4の位置を調節することができる。
次いで、操作者は、ハンドル9を把持している右手の人差し指Cを曲げることにより、板バネ10を湾曲させる。板バネ10の先端にはワイヤ12が固定されているので、板バネ10が湾曲して先端が変位すると、ワイヤ12がシース14内で移動して、ワイヤ12の他端の磁気センサ13内への挿入長が変化する。
すなわち、図4(a)に示されるように、板バネ10が真っ直ぐに伸びている状態では、図4(b)に示されるように、磁気センサ13内へのワイヤ12の挿入長は短いが、図5(a)に示されるように、板バネ10が湾曲させられた状態では、図5(b)に示されるように、磁気センサ13内へのワイヤ12の挿入長は長くなる。磁気センサ13は、ワイヤ12の挿入長に応じた電圧を出力するので、出力された電圧の大きさによって板バネ10の先端の変位量を検出することができる。
磁気センサ13により検出された板バネ10の先端の変位量が制御部8に入力されると、制御部8は、変位量に応じた駆動指令を駆動部7に送り、駆動部7が駆動指令に応じた角度だけ関節4を屈曲させる。すなわち、操作者が動かした右手の人差し指Cの移動量だけシャフト3の先端の関節4を屈曲させて処置具5の方向を変化させることができる。
この場合において、本実施形態に係るマニピュレータ1によれば、シャフト3の先端の関節4の位置を右手の手首の曲げ具合や右腕の移動量によって調節することができる一方、関節4の動作角度は右手の人差し指Cの曲げ具合によって調節することができる。手首や腕の動作時に人差し指Cは動作させずに済み、逆に、人差し指Cの動作時にも手首や腕を曲げずに済む。すなわち、関節4の位置の調節と関節4の屈曲動作とを相互に干渉させずに独立して行うことができ、処置具5を直感的に思い通りに動かすことができるという利点がある。
また、本実施形態によれば、変位部材を板バネ10によって構成しているので、操作者が人差し指Cに加えていた力を解除すると、板バネ10の弾性復元力によって、図4(a)に示される真っ直ぐな状態に戻る。これにより、手の力を抜くだけで関節4を中立位置に戻すことができる。
なお、本実施形態においては、ワイヤ12と磁気センサ13とによって板バネ10の変位量を検出することとしたが、これに代えて、図6に示されるように、板バネ10の表面に貼り付けた歪みゲージ15によって板バネ10の変位量を検出することにしてもよい。
また、変位部材として、図7に示されるように、板バネ10に代えて、平板部材16をハンドル9に揺動可能に支持させ、ハンドル9に対する平板部材16の揺動角度をエンコーダ17によって検出することにしてもよい。
また、変位部材として、図8に示されるように、板バネ10に代えて、複数のリンク18を揺動可能に連結してなるリンク機構19を採用してもよい。また、人差し指Cに被せる図示しない指サックのような変位部材を採用してもよい。
また、図9に示されるように、ハンドル9に対して板バネ10をその変位方向に直交する方向に揺動可能に取り付け、その揺動角度を検出するエンコーダ(第2のセンサ)20を設けることにしてもよい。
これにより、人差し指Cの曲げによって板バネ10を湾曲させてシャフト3の先端の関節4を作動させ、人差し指Cの付け根の関節の動きによって板バネ10を揺動させ、シャフト3の先端の他の関節を作動させることができる。すなわち、シャフト3の先端に2つの関節を有するマニピュレータ1を人差し指Cによって操作することができる。図中、符号21は、人差し指Cの先端を通すことにより、人差し指Cを変位部材に沿わせた状態に維持するベルトである。
また、図10(a)に示されるように、人差し指Cによって板バネ10を操作しながら、親指Dで操作できる位置に、処置具5を作動させるスイッチ22を設けてもよい。例えば、図10(b)に示す例では、把持鉗子からなる処置具5を開閉させるスイッチ22とすればよい。スイッチ22の位置は、親指Dで操作できる位置であれば、図10(a)の位置には限られない。人差し指Cや親指D以外の他の指で操作できる位置に設けてもよい。
また、図11(a)に示されるように、人差し指Cによって板バネ10を操作しながら、親指Dで操作できる位置に、図11(b)に示されるように、屈曲関節4以外の関節23を作動させるダイヤル24を設けてもよい。ダイヤル24の位置も、親指Dで操作できる位置であれば、図11(a)の位置には限られない。人差し指Cや親指D以外の他の指で操作できる位置に設けてもよい。
また、図7または図8に示されるように、変位部材を平板部材16やリンク機構19等で構成する場合には、平板部材16の揺動軸や各リンク18の節にクラッチ機構(図示略)を配置して、変位部材を変位したままの状態に維持することができるようにしてもよい。これにより、変位部材に作用させる人差し指Cの力を解除してもシャフト3の先端の関節4の湾曲状態を保持することができる。したがって、関節4の屈曲状態を維持しながら他の操作を行う際に便利である。
また、処置具5として力覚センサ(図示略)を備えるものを採用し、リンク機構19からなる変位部材の各リンク18の節にモータを配置して、力覚センサによって検出された力を駆動部7にフィードバックすることにより、人差し指C側に伝達する反力を発生させることにしてもよい。例えば、処置具5としてリトラクタや鉗子を用いる場合に、反力を発生させることにより、患部Bに過大な負荷がかかることを防止することができる。
また、本実施形態においては、操作者が右手によって操作することとしたが、左手でもよいし、両手で操作してもよい。また、人差し指Cによって操作する場合を例示して説明したが、他の指あるいは2以上の指によって操作することにしてもよい。
C 人差し指(指)
1 マニピュレータ
3 シャフト
4 関節
6 操作部
7 駆動部
9 ハンドル
10 板バネ(変位部材)
11 センサ
15 歪みゲージ(センサ)
16 平板部材(変位部材)
17 エンコーダ
19 リンク機構(変位部材)
20 エンコーダ(第2のセンサ)
22 スイッチ(入力部)
24 ダイヤル(入力部)

Claims (7)

  1. 細長いシャフトと、
    該シャフトの先端に配置された少なくとも1つの関節と、
    該関節の動作指令を入力させる操作部と、
    該操作部を介して入力された動作指令に従って前記関節を駆動する駆動部とを備え、
    前記操作部が、前記シャフトに固定され、操作者の片手によって把持されるハンドルと、該ハンドルを把持した手の少なくとも1つの指を沿わせることができる位置に配置され、沿わせた指の動作により変位させられる変位部材と、該変位部材の変位を検出し動作指令として出力するセンサとを備えるマニピュレータ。
  2. 前記変位部材が、前記ハンドルに片持ち梁状に取り付けられた板バネである請求項1に記載のマニピュレータ。
  3. 前記センサが、前記板バネ先端の変位量を検出する請求項2に記載のマニピュレータ。
  4. 前記センサが、前記板バネの歪みを検出する歪みゲージである請求項2に記載のマニピュレータ。
  5. 前記変位部材が、前記ハンドルに対して揺動可能に取り付けられ、
    前記センサが前記変位部材の揺動角度を検出するエンコーダである請求項1に記載のマニピュレータ。
  6. 前記変位部材が、その変位方向に交差する方向に揺動可能に前記ハンドルに取り付けられ、
    該変位部材の揺動角度を検出する第2のセンサを備えている請求項2から請求項5のいずれかに記載のマニピュレータ。
  7. 前記変位部材を変位させる指とは異なる指により操作可能な位置に入力部を備える請求項1から請求項6のいずれかに記載のマニピュレータ。
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