JP2016016238A

JP2016016238A - マニピュレータ

Info

Publication number: JP2016016238A
Application number: JP2014142496A
Authority: JP
Inventors: 井上　慎太郎; Shintaro Inoue; 慎太郎井上
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2016-02-01
Also published as: EP3167823A1; US20170112519A1; US9955989B2; EP3167823A4; WO2016006623A1; CN106470621A

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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。