JP2018102823A

JP2018102823A - ロボット鉗子

Info

Publication number: JP2018102823A
Application number: JP2016255504A
Authority: JP
Inventors: 英紀田中; Hidenori Tanaka; 哲弘近藤; Tetsuhiro Kondo; 忠穴田; Tadashi Anada
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2018-07-05
Also published as: WO2018123755A1

Abstract

【課題】グリッパーの開閉の双方を良好に行うことができるロボット鉗子を提供する。
【解決手段】ロボット鉗子は、駆動ユニットと、駆動ユニットから延びる挿入管と、挿入管の先端に設けられたグリッパーと、挿入管の先端部内に配置され、圧力室内への作動液の供給によりグリッパーを直接的にまたは中間部材を介して押してグリッパーを開くか閉じる作動部材と、グリッパー、中間部材または作動部材に接続され、駆動ユニット内まで延びるワイヤと、を備え、駆動ユニットは、グリッパーの開閉の一方が行われる際に給排路を通じて圧力室内に作動液を供給し、グリッパーの開閉の他方が行われる際に給排路を通じて圧力室から作動液を排出する給排機構と、圧力室から作動液が排出される際にワイヤを引っ張る引張機構と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、液圧を利用してグリッパーの開閉を行うロボット鉗子に関する。

従来から、内視鏡手術などでは、ロボット鉗子が用いられている。例えば、特許文献１には、図６に示すような、液圧を利用してグリッパー１０３の開閉を行うロボット鉗子１００が開示されている。このロボット鉗子１００は、手動で操作される。

具体的に、図６に示すロボット鉗子１００は、操作部本体１０１、挿入管１０２およびグリッパー１０３、を含む。操作部本体１０１には、グリッパー１０３用の開閉操作部１０４が設けられている。

グリッパー１０３は、図７に示すように、ガイド筒１２０内を摺動するピストン１１０と連結されている。すなわち、ピストン１１０およびガイド筒１２０は、挿入管１０２の先端部内に配置されている。一方、開閉操作部１０４には、筒体１４０が設けられている。筒体１４０とガイド筒１２０とは、挿入管１０２内を通るチューブ１３０によって接続されている。筒体１４０内には、シリンダ１５０が配置されており、プッシャ１６０の小径部がシリンダ１５０内に挿入され、プッシャ１６０の大径部が筒体１４０から露出している。

そして、プッシャ１６０を筒体１４０内に押し込むと、作動液がシリンダ１５０内から押し出され、ピストン１１０が前進してグリッパー１０３が開く。グリッパー１０３を閉じる際には、ロッド１８０を操作して弁体１７０を開状態とした上でプッシャ１６０を筒体１４０から引き出す。これにより、作動液がシリンダ１５０内に引き込まれ、ピストン１１０が後退してグリッパー１０３が閉じる。

特開昭６３−１６０６３１号公報

しかしながら、図６および図７に示すロボット鉗子１００では、チューブ１３０の内部である圧力室内に作動液が供給されるときにはピストン１１０をスムーズに前進させることができるが、圧力室から作動液が排出されるときには、圧力室内の圧力が安定せずに、ピストン１１０をスムーズに後退させることができない。つまり、図６および図７に示すロボット鉗子１００では、グリッパー１０３を良好に開くことができるが、グリッパー１０３を良好に閉じることはできない。

そこで、本発明は、グリッパーの開閉の双方を良好に行うことができるロボット鉗子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のロボット鉗子は、駆動ユニットと、前記駆動ユニットから延びる挿入管と、前記挿入管の先端に設けられたグリッパーと、前記挿入管の先端部内に配置され、圧力室内への作動液の供給により前記グリッパーを直接的にまたは中間部材を介して押して前記グリッパーを開くか閉じる作動部材と、前記グリッパー、前記中間部材または前記作動部材に接続され、前記駆動ユニット内まで延びるワイヤと、を備え、前記駆動ユニットは、前記グリッパーの開閉の一方が行われる際に給排路を通じて前記圧力室内に作動液を供給し、前記グリッパーの開閉の他方が行われる際に前記給排路を通じて前記圧力室から作動液を排出する給排機構と、前記圧力室から作動液が排出される際に前記ワイヤを引っ張る引張機構と、を含む、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、圧力室内に作動液が供給されるときには、作動部材がグリッパーを押すので、グリッパーの開閉の一方を良好に行うことができる。一方、圧力室から作動液が排出されてグリッパーの開閉の他方が行われるときには、グリッパー、中間部材または作動部材がワイヤを介して引っ張られる。従って、グリッパーの開閉の他方も良好に行うことができる。

前記引張機構は、前記ワイヤが巻き回されたプーリと、前記ワイヤを引っ張る方向に前記プーリを回転させる渦巻きバネを含んでもよい。この構成によれば、渦巻きバネを用いた安価な構成で上記の効果を得ることができる。

前記引張機構は、前記ワイヤが巻き回されたプーリと、前記プーリと連結されたモータを含んでもよい。この構成によれば、圧力室内に作動液が供給されて作動部材がグリッパーを押すときには、ワイヤを積極的に繰り出すことができる。

例えば、前記作動部材は、シリンダ内を摺動するピストンであり、前記グリッパーを前記中間部材を介して押し、前記中間部材は、前記ピストンの直線運動を前記グリッパーの開閉運動に変換してもよい。

あるいは、前記グリッパーは、少なくとも１つの可動爪を含み、前記作動部材は、伸縮可能な管状部と、前記管状部の一端を閉塞し、前記少なくとも１つの可動爪に当接する頭部を有するベローズであり、前記グリッパーを直接的に押し、前記ワイヤは、前記少なくとも１つの可動爪に接続されていてもよい。

本発明によれば、グリッパーの開閉の双方を良好に行うことができる。

本発明の第１実施形態に係るロボット鉗子の側面図である。図１に示すロボット鉗子の先端部の断面図である。図１に示すロボット鉗子の駆動ユニットの概略構成図である。本発明の第２実施形態に係るロボット鉗子の先端部の断面図である。変形例の駆動ユニットの概略構成図である。従来のロボット鉗子の斜視図である。従来のロボット鉗子の内部構造を示す断面図である。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るロボット鉗子１Ａを示す。このロボット鉗子１Ａは、作動液の液圧を利用してグリッパー１３の開閉を行うものである。作動液は、特に限定されるものではないが、例えば、生理食塩水や油などである。

例えば、ロボット鉗子１Ａは手術支援ロボットに用いられる。この場合、ロボット鉗子１Ａがスレーブ側装置のマニピュレータに取り付けられ、マスタ側装置で医師により遠隔操作される。マニピュレータは、患者の皮膚に設けられた穴が支点となるようにロボット鉗子１Ａの姿勢を自在に変更する。

具体的に、ロボット鉗子１Ａは、駆動ユニット１１と、駆動ユニット１１から延びて患者の体内に挿入される挿入管１２と、挿入管１２の先端に支持部２を介して設けられたグリッパー１３を含む。なお、以下では、説明の便宜上、挿入管１２の軸方向を前後方向（グリッパー１３側を前方、駆動ユニット１１側を後方）という。

グリッパー１３は、例えば、患部や縫合用の針などを把持する。図２に示すように、グリッパー１３は、一対の爪１４を有する。支持部２は、それらの爪１４を揺動可能に支持するピン２１を有する。

挿入管１２の先端部内には、作動部材３が配置されている。作動部材３は、後述する圧力室３１内への作動液の供給によりグリッパー１３を中間部材２０を介して押してグリッパー１３を閉じる。ただし、作動部材３は、グリッパー１３を中間部材２０を介して押してグリッパー１３を開いてもよい。

本実施形態では、作動部材３が、後述する第１シリンダ４２内を摺動するピストン３Ａである。このため、中間部材２０は、ピストン３Ａの直線運動をグリッパー１３の開閉運動に変換する。具体的に、中間部材２０は、ピストン３Ａからグリッパー１３に向かって延びるロッド２３と、ロッド２３と爪１４とを連結する一対のリンク２２を含む。

挿入管１２は、直線状に延びる高剛性の管である。挿入管１２の先端部内には、圧力室３１が形成されている。より詳しくは、挿入管１２の先端部内には、前後方向に延びる管状体３２と、管状体３２の前端部内に嵌まり込む第１シリンダ４２と、管状体３２の後端部内に嵌まり込む第２シリンダ５２が配置されている。また、管状体３２の前端部および第１シリンダ４２と挿入管１２の内周面の間には、環状の第１ホルダ４１が介在しており、管状体３２の後端部および第２シリンダ５２と挿入管１２の内周面の間には、環状の第２ホルダ５１が介在している。なお、第２シリンダ５２の前面には、後述するスリーブ６１用のストッパ５３が取り付けられている。

第１シリンダ４２の中心穴内には、上述したピストン３Ａ（作動部材３）が配置されている。ピストン３Ａは、上述したように、第１シリンダ４２内を摺動する。ピストン３Ａの外周面には、当該外周面と第１シリンダ４２の中心穴の内周面との間をシールするシール部材３３が装着されている。

ピストン３Ａには、ワイヤ６が接続されている。ワイヤ６は、第１シリンダ４２の中心穴、管状体３２の内部、第２シリンダ５２の中心穴および挿入管１２内を通って、駆動ユニット１１内まで延びている（図３参照）。ワイヤ６には、第２シリンダ５２と対応する位置に、スリーブ６１が固定されている。スリーブ６１は、第２シリンダ５２の中心穴内に配置されており、第２シリンダ５２内を摺動する。スリーブ６１の外周面には、当該外周面と第２シリンダ５２の中心穴の内周面との間をシールするシール部材６２が装着されている。

ピストン３Ａは、第１シリンダ４２と共に管状体３２の前側開口を閉塞し、スリーブ６１は、第２シリンダ５２と共に管状体３２の後側開口を閉塞している。このように管状体３２の内部が両側から閉塞されることにより、圧力室３１が形成されている。つまり、ピストン３Ａの後端面には、圧力室３１内の圧力が作用する。このため、圧力室３１内へ作動液が供給されるとピストン３Ａがグリッパー１３に近づくように前進し、圧力室３１から作動液が排出されるとピストン３Ａがグリッパー１３から遠ざかるように後退する。

第２シリンダ５２およびストッパ５３には、圧力室３１に開口する流路５５が形成されている。流路５５は、第２シリンダ５２の後端面からストッパ５３の前面まで前後方向に延びている。ただし、流路５５は必ずしも直線状である必要はなく、途中で折れ曲がっていてもよい。流路５５には管路５６が接続されており、管路５６は、挿入管１２内を通って、駆動ユニット１１内まで延びている（図３参照）。流路５５および管路５６は、給排路５を構成する。

図３に示すように、駆動ユニット１１は、作動液を操作するための給排機構７と、ワイヤ６を操作するための引張機構９を含む。なお、図示は省略するが、駆動ユニット１１は、給排機構７および引張機構９の他に、挿入管１２をその軸方向にスライドさせる機構、および挿入管１２をその中心軸回りに回転させる機構を含んでもよい。さらに、挿入管１２の先端部が揺動可能に構成され、駆動ユニット１１が、挿入管１２の先端部を揺動させる機構を含んでもよい。この場合、挿入管１２の揺動部に、ワイヤ６の向きを変更するプーリが配置される。

給排機構７は、グリッパー１３が閉じられる際に給排路５を通じて圧力室３１内に作動液を供給し、グリッパー１３が開かれる際に給排路５を通じて圧力室３１から作動液を排出する。具体的に、給排機構７は、管路５６が接続されたシリンダ７１と、シリンダ７１内に配置されたピストン７２を含む。

本実施形態では、シリンダ７１が前後方向に延びているが、シリンダ７１の軸方向は特に限定されるものではない。シリンダ７１は、ピストン７２を摺動可能に保持する管状部と、管状部の前側開口を閉塞する前壁を有している。そして、ピストン７２とシリンダ７１の前壁との間に、給排路５を介して圧力室３１と連通する圧力室７０が形成されている。

ピストン７２は、前後方向に延びるロッド７３により直動機構８と連結されている。直動機構８は、中継シャフト８１により、後述するプーリ９１を介してモータ９２の出力シャフト９３と連結されている。直動機構８は、モータ９２の出力シャフト９３の回転運動をロッド７３の直線運動に変換する。

引張機構９は、圧力室３１から作動液が排出される際に、ワイヤ６を引っ張る。さらに、本実施形態では、引張機構９が、圧力室３１内に作動液が供給される際に、ワイヤ６を繰り出す。具体的に、引張機構９は、ワイヤ６が巻き回されたプーリ９１と、プーリ９１と連結された出力シャフト９３を有するモータ９２を含む。つまり、モータ９２は、引張機構９と給排機構７で共有される。モータ９２は、例えばサーボモータである。

以上説明した構成のロボット鉗子１Ａでは、グリッパー１３を閉じる際は、モータ９２が一方向に回転し、ワイヤ６がプーリ９１から繰り出されながらピストン７２が前進する。これにより、作動液が圧力室７０から圧力室３１へ供給されてピストン３Ａが前進し、グリッパー１３が閉じる。

逆に、グリッパー１３を開く際は、モータ９２が逆方向に回転し、ワイヤ６がプーリ９１に巻き取られながらピストン７２が後退する。これにより、作動液が圧力室３１から圧力室７０へ排出されてピストン３Ａが後退し、グリッパー１３が開く。

このように、本実施形態のロボット鉗子１Ａでは、圧力室３１内に作動液が供給されるときには、ピストン３Ａが中間部材２０を介してグリッパー１３を押すので、グリッパー１３を良好に閉じることができる。一方、圧力室３１から作動液が排出されてグリッパー１３が開かれるときには、ピストン３Ａがワイヤ６を介して引っ張られる。従って、グリッパー１３を良好に開くことができる。つまり、グリッパー１３の開閉の双方を良好に行うことができる。

また、本実施形態では、圧力室３１内に作動液が供給されたときにグリッパー１３が閉じるので、高い把持力を得ることができる。

＜変形例＞
ワイヤ６は、必ずしもピストン３Ａに接続されている必要はない。例えば、ワイヤ６が管状体３２と挿入管１２の間を通る場合は、ワイヤ６がロッド２３、リンク２２または爪１４に接続されてもよい。

また、第１ホルダ４１とピストン３Ａとの間に、ピストン３Ａを後方に向けて付勢する圧縮コイルバネが配置されてもよい。さらに、第１ホルダ４１、管状体３２および第２ホルダ５１が省略され、第１シリンダ４２および第２シリンダ５２が拡径されて、これらによって両側から閉塞される挿入管１２の内部が圧力室３１となっていてもよい。

（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態に係るロボット鉗子１Ｂを示す。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。本実施形態では、ロボット鉗子１Ｂの駆動ユニット１１の構成は、図３に示すとおりである。

本実施形態では、グリッパー１３が、側面視で直線状の固定爪１５と、側面視でＬ字状の可動爪１６を含む。固定爪１５は、支持部２に固定され、可動爪１６は、その屈曲部で、支持部２のピン２４により揺動可能に支持されている。

より詳しくは、可動爪１６は、固定爪１５と対向する本体部と、この本体部と直交するレバー部を含む。そして、可動爪１６のレバー部の先端に、ワイヤ６が接続されている。

さらに、本実施形態では、挿入管１２の先端部内に、筒状の第１ホルダ４５が配置され、さらに第１ホルダ４５内に袋状のベローズ３Ｂが配置されている。ベローズ３Ｂは、前後方向に伸縮可能な管状部と、管状部の前端を閉塞する頭部を有している。そして、ベローズ３Ｂの頭部が可動爪１６のレバー部に当接する。

ベローズ３Ｂの管状部の後端には、前方に小径部、後方に大径部を有する管状体３４の前端が接続されている。管状体３４の後端部は、第１実施形態と同様に、第２シリンダ５２と第２ホルダ５１の間に挟まれている。なお、本実施形態では、第２シリンダ５２の中心穴に、管路５６が接続されている。

本実施形態では、ベローズ３Ｂの内部および管状体３４の内部が圧力室３１を構成する。ベローズ３Ｂは、圧力室３１内への作動液の供給によりグリッパー１３の可動爪１６のレバー部を直接的に押してグリッパー１３を閉じる作動部材３である。ただし、ベローズ３Ｂは、可動爪１６のレバー部を直接的に押してグリッパー１３を開いてもよい。

本実施形態では、グリッパー１３を閉じる際は、モータ９２（図３参照）が一方向に回転し、ワイヤ６がプーリ９１から繰り出されながらピストン７２が前進する。これにより、作動液が圧力室７０から圧力室３１へ供給されてベローズ３Ｂが前方に膨張し、グリッパー１３が閉じる。

逆に、グリッパー１３を開く際は、モータ９２が逆方向に回転し、ワイヤ６がプーリ９１に巻き取られながらピストン７２が後退する。これにより、作動液が圧力室３１から圧力室７０へ排出されてベローズ３Ｂが後方に収縮し、グリッパー１３が開く。

このように、本実施形態のロボット鉗子１Ｂでは、圧力室３１内に作動液が供給されるときには、ベローズ３Ｂがグリッパー１３の可動爪１６を押すので、グリッパー１３を良好に閉じることができる。一方、圧力室３１から作動液が排出されてグリッパー１３が開かれるときには、グリッパー１３の可動爪１６がワイヤ６を介して引っ張られる。従って、グリッパー１３を良好に開くことができる。つまり、グリッパー１３の開閉の双方を良好に行うことができる。

＜変形例＞
グリッパー１３は、固定爪１５を含まずに、一対の可動爪１６を含んでもよい。この場合、ベローズ３Ｂの頭部が双方の可動爪１６に当接してもよいし、ベローズ３Ｂが可動爪１６と対応するように２つ設けられてもよい。

（その他の実施形態）
本発明は上述した第１および第２実施形態に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変形が可能である。

例えば、図５に示すように、引張機構９は、モータ９２の代わりに、ワイヤ６を引っ張る方向にプーリ９１を回転させる渦巻きバネ９４を含んでもよい。この場合、給排機構７に専用のモータ８２が設置され、このモータ８２の出力シャフト８３が直動機構８に連結されてもよい。

この構成によれば、渦巻きバネ９４を用いた安価な構成でグリッパー１３の開閉の双方を良好に行うことができるという効果を得ることができる。ただし、第１または第２実施形態のように、引張機構９がプーリ９１と連結されたモータ９２を含めば、圧力室３１内に作動液が供給されて作動部材３（ピストン３Ａまたはベローズ３Ｂ）がグリッパー１３を押すときには、ワイヤ６を積極的に繰り出すことができる。

また、図５に示す構成において、直動機構８およびモータ８２が省略され、ピストン７２が手動で操作されてもよい。この場合、挿入管１２がフレキシブルであり、挿入管１２内に所定ピッチでリングが設けられ、これらのリングでワイヤ６がガイドされてもよい。

また、給排機構７は、必ずしもシリンダ７１およびピストン７２を含む必要はなく、小型の回転式ポンプであってもよい。この場合、モータ９２とポンプとの間にギアボックスを介在させてもよい。

また、ワイヤ６は、必ずしも挿入管１２内を通っている必要はなく、挿入管１２の外周面上に配置されてもよい。

１Ａ，１Ｂロボット鉗子
１１駆動ユニット
１２挿入管
１３グリッパー
１５固定爪
１６可動爪
２０中間部材
３作動部材
３Ａピストン
３Ｂベローズ
３１圧力室
５給排路
６ワイヤ
７給排機構
９引張機構
９１プーリ
９２モータ
９４渦巻きバネ

Claims

駆動ユニットと、
前記駆動ユニットから延びる挿入管と、
前記挿入管の先端に設けられたグリッパーと、
前記挿入管の先端部内に配置され、圧力室内への作動液の供給により前記グリッパーを直接的にまたは中間部材を介して押して前記グリッパーを開くか閉じる作動部材と、
前記グリッパー、前記中間部材または前記作動部材に接続され、前記駆動ユニット内まで延びるワイヤと、を備え、
前記駆動ユニットは、
前記グリッパーの開閉の一方が行われる際に給排路を通じて前記圧力室内に作動液を供給し、前記グリッパーの開閉の他方が行われる際に前記給排路を通じて前記圧力室から作動液を排出する給排機構と、
前記圧力室から作動液が排出される際に前記ワイヤを引っ張る引張機構と、を含む、ロボット鉗子。
前記引張機構は、前記ワイヤが巻き回されたプーリと、前記ワイヤを引っ張る方向に前記プーリを回転させる渦巻きバネを含む、請求項１に記載のロボット鉗子。
前記引張機構は、前記ワイヤが巻き回されたプーリと、前記プーリと連結されたモータを含む、請求項１に記載のロボット鉗子。
前記作動部材は、シリンダ内を摺動するピストンであり、前記グリッパーを前記中間部材を介して押し、
前記中間部材は、前記ピストンの直線運動を前記グリッパーの開閉運動に変換する、請求項１〜３の何れか一項に記載のロボット鉗子。
前記グリッパーは、少なくとも１つの可動爪を含み、
前記作動部材は、伸縮可能な管状部と、前記管状部の一端を閉塞し、前記少なくとも１つの可動爪に当接する頭部を有するベローズであり、前記グリッパーを直接的に押し、
前記ワイヤは、前記少なくとも１つの可動爪に接続されている、請求項１〜３の何れか一項に記載のロボット鉗子。