JP2018175863A - アーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡外科手術等における器具の操作範囲の確保が容易なアーム装置を提供する。【解決手段】器具９０の軸線に沿って延びる第１回転軸１０１まわりに器具９０を回転可能に支持する第１ジンバル部２１と、第１回転軸１０１に対して交差する方向に延びる第２回転軸１０２まわりに器具９０を回動させる第２ジンバル部２２と、第１回転軸１０１および第２回転軸１０２を含む平面に対して交差して延びる第３回転軸１０３まわりに器具９０を回動させる先端部３０と、が設けられ、第３回転軸１０３は、水平方向を０度とし垂直方向の上方を９０度とした際に、０度よりも大きく９０度よりも小さな傾き角度を有することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、アーム装置、特に内視鏡を用いた内視鏡外科手術や内視鏡検査、及び一般的な外科手術に用いて好適なアーム装置に関する。

近年、内視鏡を用いた内視鏡外科手術が普及しつつある。この内視鏡外科手術では、内視鏡や鉗子などの処置具（以降において内視鏡や処置具等を総称して「器具」とも記載する）を保持する器具ホルダが用いられる。器具ホルダとしては、ジンバル部とアーム部から構成されており、内視鏡などの器具を３次元的に操作できる物などが知られている。器具ホルダは、更に、器具を任意の位置で保持することもできる。また、内視鏡を用いた内視鏡検査や、例えば開腹して行われる一般的な外科手術（以降において内視鏡外科手術、内視鏡検査及び一般的な外科手術を総称して「内視鏡外科手術等」とも記載する。）においても、このような器具ホルダを用いて器具を保持して検査や手技が行われるようになってきている。

その一方で、例えば内視鏡外科手術において内視鏡が保持される角度である内視鏡観察角度は、対象疾患毎に異なり、対象疾患毎に適した観察角度があることが知られている。各外科手術で多用される内視鏡観察角度を例示すると、次の通りになる。

消化器外科では、手術ベッドに対して、内視鏡を斜め下方に向けて保持する内視鏡観察角度が多用される。呼吸器外科では、手術ベッドに対して、内視鏡を垂直に近い姿勢で保持する内視鏡観察角度が多用される。泌尿器外科では、手術ベッドに対して、内視鏡を水平に近い姿勢で保持する内視鏡観察角度が多用される。また、内視鏡とともに使用される処置具も、対象疾患や内視鏡観察角度に応じた角度で保持されて用いられることになる。

上述のように様々な内視鏡観察角度に対応するために、例えば内視鏡を保持する器具ホルダとしても種々の構成を有するものが提案されている（例えば、特許文献１および２参照。）。

特許第３５７９３７９号公報 特開平３−１３１１３号公報

上述のジンバル部は、互いに交差する３つの回転軸から構成されている。このような構成を有するジンバル部は、３つの回転軸の回転位置によって、２つの回転軸が同一方向平面上にそろう特異姿勢を取り得る。特異姿勢を取ったジンバル部では、本来３つあるはずの自由度が２つに減ることになる。３つの回転軸が特異姿勢に近くなると、特定の方向にホルダを操作することが難しくなり、内視鏡や処置具の操作範囲が狭くなる。

多様な内視鏡外科手術において、器具ホルダを支障なく使用するには、内視鏡観察角度の範囲内でジンバル部が特異姿勢を取らない必要がある。しかしながら、特許文献１および２に開示された技術では、器具ホルダのジンバル部が特異姿勢を取ることを回避する構成となっていない。

特許文献１に記載された構成では、内視鏡１を水平に近い姿勢で保持すると、回転軸１０４に対して回転軸１０６が重なる。つまり、ジンバル部が特異姿勢を取ることになる。そのため、特許文献１に記載された構成は、泌尿器外科での内視鏡手術に用いると操作性が悪い。

その一方で、特許文献１に記載された構成の先端部１５（回転軸１０４含む）を９０°傾けて配置すると、ジンバル部が特異姿勢を取ることを回避できる。そのため、先端部１５を９０°傾けて配置した器具ホルダは、泌尿器外科での内視鏡手術に用いると操作性がよくなる。

しかしながら、内視鏡１を垂直に近い姿勢で保持すると、ジンバル部が特異姿勢を取ることになる。そのため、先端部１５を９０°傾けて配置した器具ホルダは、呼吸器科外科での内視鏡手術に用いると操作性が悪いという問題があった。

特許文献２に記載された構成では、顕微鏡１２は、平行リンク１５に対して垂直な姿勢を保持するように接続されている。眼科手術においては、顕微鏡１２が垂直な姿勢で保持される観察角度が適している。

しかしながら、平行リンク１５を用いた特許文献２に記載された構成では、前後、左右及び回転に対応した３つの回転軸に対応することができない。つまり、内視鏡外科手術の観察角度は、前後、左右及び回転に対応した３つの回転軸が必要になるため、特許文献２に記載された構成では、自由度が不足しているという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、内視鏡外科手術や内視鏡検査、及び一般の外科手術などにて用いられる器具の操作範囲の確保が容易なアーム装置を提供することを目的とする。

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。
本発明のアーム装置は、器具の軸線に沿って延びる第１回転軸まわりに前記器具を回転可能に支持する第１ジンバル部と、前記第１回転軸に対して交差する方向に延びる第２回転軸まわりに前記器具を回動させる第２ジンバル部と、前記第１回転軸および前記第２回転軸を含む平面に対して交差して延びる第３回転軸まわりに前記器具を回動させる先端部と、が設けられ、前記第３回転軸は、水平方向を０度とし垂直方向の上方を９０度とした際に、０度よりも大きく９０度よりも小さな傾き角度を有することを特徴とする。

本発明のアーム装置によれば、第３回転軸が０度よりも大きく９０度よりも小さな傾き角度を有するため、内視鏡外科手術等において、第１回転軸および第３回転軸の傾き角度が一致することがない。言い換えると、支持される器具における回転の自由度が３つから２つに減少することがない。

上記発明において前記第３回転軸は、４５度の傾き角度を有することが好ましい。
このように第３回転軸の傾き角度を４５度にすることにより、器具の軸線を水平にした際と、垂直とした際におけるアーム装置の操作性が対称となる。そのため、器具の操作角度範囲を実質的に最大とすることができる。

上記発明においては、前記先端部は、少なくとも１つ以上の平行リンクを有するアーム部に支持されていることが好ましい。
このように平行リンクを有するアーム部により先端部を支持することにより、先端部の配置位置を変更しても、先端部の姿勢を一定に保つことが容易となる。言い換えると、第３回転軸の傾き角度を一定に保ち易くなる。

上記発明においては、一方の端部が支持部に相対回転可能に取り付けられ、他方の端部が前記先端部に対して相対回転可能に取り付けられたリンク部と、前記支持部に対する前記先端部の相対位置を変更させるとともに、前記先端部の姿勢を一定に保つ駆動部と、が設けられていることが好ましい。

このようにリンク部と駆動部により先端部を支持することにより、先端部の配置位置を変更しても、先端部の姿勢を一定に保つことが容易となる。言い換えると、第３回転軸の傾き角度を一定に保ち易くなる。

上記発明においては、前記平行リンクを駆動することにより前記先端部の位置を移動させるアクチュエータ部と、前記先端部を上方移動させる力を前記平行リンクに付与する自重補償部と、が設けられていることが好ましい。

このようにアクチュエータ部および自重補償部を設けることにより、自重補償部を設けない場合と比較して、アクチュエータ部が器具を支持した先端部の位置を移動させる際に必要となる駆動力を小さくすることができる。そのため、アクチュエータ部の小型化が容易となる。

例えば、内視鏡を支持した先端部の重さと釣り合いをとるカウンターウェイトを備えたカウンターウェイト式アーム装置と比較して、器具が延びる方向と反対側の後方の小型化が図りやすい。後方の小型化が図れると、内視鏡外科手術等においてアーム装置が手術者、助手又は看護師の作業の妨げになりにくくなる。

上記発明において前記アクチュエータ部は、空気の供給を受けて駆動する空気圧アクチュエータ部であることが好ましい。
このようにアクチュエータ部として空気圧アクチュエータ部を用いることにより、重量対出力比を大きくすることが容易となり、また、減速機構を用いない簡素な直動動作が実現可能となる。その結果、アーム装置の小型化が更に容易になる。

上記発明において前記先端部は、左右方向に延びるとともに、上下方向に延びる回転軸線まわりに回動するアーム部に支持されていることが好ましい。
このように左右方向に延び、かつ、上下方向に延びる回転軸線まわりに回動するアーム部により先端部を支持することにより、先端部の配置位置を変更しても、先端部の姿勢を一定に保つことが容易となる。言い換えると、第３回転軸の傾き角度を一定に保ち易くなる。

上記発明においては、前記器具を使用する際に配置される箇所に対して着脱可能とされた把持部が設けられていることが好ましい。
このように把持部を設けることにより、アーム装置を器具を使用する際に配置される箇所に固定することが容易となる。例えば、内視鏡外科手術における手術ベッドに対してアーム装置を固定することが容易となり、患者の体位変換のため手術ベッドを傾ける等の操作を行っても、先端部の姿勢を一定に保つことが容易となる。言い換えると、第３回転軸の傾き角度を一定に保ち易くなる。

本発明のアーム装置によれば、第３回転軸が０度よりも大きく９０度よりも小さな傾き角度を有するため、内視鏡外科手術等における器具の操作範囲の確保が容易になるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係るアーム装置の構成を説明する図である。 図１のアーム装置の構成を説明する模式図である。 図１のジンバル機構部の構成を説明する部分拡大図である。 図１の第１アーム部および第２アーム部の構成を説明する部分拡大図である。 アーム装置における第１回転軸および第３回転軸の傾き角度が一致する姿勢を説明する部分拡大図である。 図６（a）は、内視鏡の軸線を水平にした際のアーム装置の姿勢を説明する部分拡大図であり、図６（ｂ）は、内視鏡の軸線を垂直にした際のアーム装置の姿勢を説明する部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態に係るアーム装置の構成を説明する摸式図である。 本発明の第３の実施形態に係るアーム装置の構成を説明する図である。 本発明の第４の実施形態に係るアーム装置の構成を説明する図である。 本発明の第４の実施形態の変形例係るアーム装置の構成を説明する図である。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るアーム装置１ついて図１から図６を参照しながら説明する。本実施形態では、本発明のアーム装置１が内視鏡外科手術における内視鏡９０を保持するものである例に適用して説明する。なお、アーム装置１が保持する器具は、内視鏡の他、内視鏡手術や内視鏡検査及び一般の外科手術にて用いられる鉗子、電気メスやレーザーメスあるいは止血装置などのエネルギーデバイス、ステープラー、バイオプシデバイスや剪刀などの処置具、ロボット鉗子、あるいは手技の際に用いられるその他の器具であってもよく、特に限定されるものではない。なお、前述のロボット鉗子は、細長い棒状のシャフト部と、シャフト部の先端側に設けられた鉗子部と、シャフト部の元側に設けられた鉗子部やシャフト部を駆動する本体部を備えたものである。このロボット鉗子において、使用者の操作や本体部からの駆動により、本体部に対してシャフト部が軸線を中心に回転可能である場合には、これを前記「第１ジンバル部」の構成とみなすことができる。また、ロボット鉗子の鉗子部やシャフト部と、本体部とが分離可能である場合には、本体部をアーム装置の一部として構成することもできる。

アーム装置１は、図１および図２に示すように、内視鏡９０を保持する保持部１０と、ジンバル機構部２０と、先端部３０と、第１アーム部（アーム部）４０と、関節部５０と、第２アーム部（アーム部）６０と、台部７０と、把持部８０と、から主に構成されている。

保持部１０は、図３に示すように、内視鏡９０を保持すると共にジンバル機構部２０の第１ジンバル部２１に取り付けられるものである。保持部１０の構成は、内視鏡９０を保持できるものであればよく、その具体的な構成を限定するものではない。

ジンバル機構部２０には、内視鏡９０の軸線に沿って延びる第１回転軸１０１まわりに内視鏡９０を回転可能に支持する第１ジンバル部２１と、第１回転軸１０１に対して交差する方向、より好ましくは直交する方向に延びる第２回転軸１０２まわりに内視鏡９０を回動可能に支持する第２ジンバル部２２とが主に設けられている。

なお、内視鏡９０の軸線とは、内視鏡９０における筒状に形成された視管９１の軸線のことである。本実施形態では円筒状、または、円柱状に形成された視管の中心軸線である例に適用して説明する。

また、第１回転軸１０１は、内視鏡９０の軸線に沿って延びるものであればよく、両者が一致していてもよいし、間隔をあけて並んで配置されるものであってもよい。本実施形態では、第１回転軸１０１と、内視鏡９０の軸線とが一致している例に適用して説明する。

第１ジンバル部２１は、保持部１０と第２ジンバル部２２との間に配置されるものであり、円柱状に形成されたものである。第１ジンバル部２１の一方の端部には、保持部１０を、第１回転軸１０１を中心として相対回転可能に支持する軸受構造が設けられている。

第２ジンバル部２２は、第１ジンバル部２１と先端部３０との間に配置されるものであり、第１ジンバル部２１側が開口するＵ字形状に形成されたものである。第２ジンバル部２２におけるＵ字形状に形成された開口の内部には、第１ジンバル部２１が配置されている。第２ジンバル部２２におけるＵ字形状の端部と、第１ジンバル部２１の円周面との間には、第１ジンバル部２１を、第２回転軸１０２を中心として相対回転可能に支持する軸受構造が設けられている。

先端部３０は、第１回転軸１０１および第２回転軸１０２を含む平面に対して交差して、より好ましくは直交して延びる第３回転軸１０３まわりに内視鏡９０を回動可能に支持するものである。先端部３０における第２ジンバル部２２が取り付けられる取付面３１は、第３回転軸１０３に対して直交する面であり、第２ジンバル部２２との間に第２ジンバル部２２を、第３回転軸１０３を中心として相対回転可能に支持する軸受構造が設けられている。

取付面３１は、先端部３０における第１アーム部４０と反対側に位置する面であり、水平面または鉛直面に対して傾きを有する面である。より具体的には、取付面３１に対して直交する第３回転軸１０３が、水平方向に対する傾きθが、４５度となるように形成された面である。

なお、本実施形態では、第３回転軸１０３の傾きθが４５度である例に適用して説明するが、第３回転軸１０３の傾きθは、水平方向から鉛直方向までの範囲内（水平方向および鉛直方向は含まない）の任意の値としてもよい。また、第３回転軸１０３の傾きθの基準は上述のように水平方向としてもよいし、鉛直方向としてもよい。

第１アーム部４０は、図４に示すように、先端部３０および関節部５０とともに平行リンク機構を形成するものであり、先端部３０および関節部５０の相対姿勢を保ちつつ、相対移動可能とするものである。第１アーム部４０には、一対の第１ロッド４１と、第１空気圧アクチュエータ部（空気圧アクチュエータ部）４２と、第１自重補償部（自重補償部）４３と、が主に設けられている。

第１ロッド４１は、棒状に形成された部材であり一方の端部が先端部３０に回動可能に取り付けられ、他方の端部が関節部５０に回動可能に取り付けられたものである。一対の第１ロッド４１は、互いに平行に配置されている。

第１空気圧アクチュエータ部４２は、先端部３０および関節部５０の相対位置を移動させるものである。本実施形態では、第１空気圧アクチュエータ部４２が、シリンダおよびピストンを備えたアクチュエータであり、圧力が高められた空気の供給を受けてピストンをスライド駆動するものである例に適用して説明する。

第１空気圧アクチュエータ部４２の一方の端部（例えばシリンダ側の端部）は、関節部５０における一方の第１ロッド４１が取り付けられた位置、またはその近傍に回動可能に取り付けられている。第１空気圧アクチュエータ部４２の他方の端部（例えばピストン側の端部）は、他方の第１ロッド４１の中ほどに回動可能に取り付けられている。

なお、第１空気圧アクチュエータ部４２の他方の端部が取り付けられる位置は、他方の第１ロッド４１の中央部分であってもよいし、中央部分から先端部３０に近い位置であってもよいし、中央部分から関節部５０に近い位置であってもよい。

第１自重補償部４３は、先端部３０を上方に移動させる力を付与するものである。本実施形態では、第１自重補償部４３が引っ張りバネである例に適用して説明する。第１自重補償部４３の一方の端部は、先端部３０における一方の第１ロッド４１が取り付けられた位置、またはその近傍に取り付けられている。第１自重補償部４３の他方の端部は、他方の第１ロッド４１の中ほどに取り付けられている。本実施形態では、第１空気圧アクチュエータ部４２の他方の端部の取り付け位置、またはその近傍に取り付けられている例に適用して説明する。

第２アーム部６０は、関節部５０および台部７０とともに平行リンク機構を形成するものであり、関節部５０および台部７０の相対姿勢を保ちつつ、相対移動を可能とするものであるである。第２アーム部６０には、一対の第２ロッド６１と、第２空気圧アクチュエータ部（空気圧アクチュエータ部）６２と、第２自重補償部（自重補償部）６３Ａ，６３Ｂと、が主に設けられている。

第２ロッド６１は、棒状に形成された部材であり一方の端部が関節部５０に回動可能に取り付けられ、他方の端部が台部７０に回動可能に取り付けられたものである。一対の第２ロッド６１は、互いに平行に配置されている。

第２空気圧アクチュエータ部６２は、関節部５０および台部７０の相対位置を移動させるものである。本実施形態では、第２空気圧アクチュエータ部６２が、シリンダおよびピストンを備えたアクチュエータであり、圧力が高められた空気の供給を受けてピストンをスライド駆動するものである例に適用して説明する。

第２空気圧アクチュエータ部６２の一方の端部（例えばシリンダ側の端部）は、台部７０における一方の第２ロッド６１が取り付けられた位置、またはその近傍に回動可能に取り付けられている。第２空気圧アクチュエータ部６２の他方の端部（例えばピストン側の端部）は、他方の第２ロッド６１の中ほどに回動可能に取り付けられている。

なお、第２空気圧アクチュエータ部６２の他方の端部が取り付けられる位置は、他方の第２ロッド６１の中央部分であってもよいし、中央部分から先端部３０に近い位置であってもよいし、中央部分から関節部５０に近い位置であってもよい。

第２自重補償部６３Ａ，６３Ｂは、第２アーム部６０を鉛直方向へ移動させる力を付与するものである。本実施形態では、第２自重補償部６３Ａ，６３Ｂが引っ張りバネである例に適用して説明する。第２自重補償部６３Ａの一方の端部は、台部７０における一方の第２ロッド６１が取り付けられた位置、またはその近傍に取り付けられている。第２自重補償部６３Ａの他方の端部は、他方の第２ロッド６１の中ほどに取り付けられている。本実施形態では、第２空気圧アクチュエータ部６２の他方の端部の取り付け位置、またはその近傍に取り付けられている例に適用して説明する。第２自重補償部６３Ｂの一方の端部は、関節部５０における一方の第２ロッド６１が取り付けられた位置、またはその近傍に取り付けられている。第２自重補償部６３Ｂの他方の端部は、他方の第２ロッド６１の中ほどに取り付けられている。

把持部８０は、図１および図２に示すように、内視鏡９０を使用する際に配置される箇所（例えば、内視鏡手術の際に用いられるベッド）に対して着脱可能とされたものである。把持部８０は、台部７０に隣接して配置され、鉛直方向に延びる第４回転軸１０４を中心として台部７０を相対回転可能に支持するものでもある。なお、把持部８０における着脱構成は、公知の構成を用いてよく特に限定するものではない。

次に、上記の構成からなるアーム装置１における動きについて説明する。まず、ジンバル機構部２０の動きについて図２および図３を参照しながら説明する。
第２ジンバル部２２が、先端部３０に対して第３回転軸１０３を中心として回転すると、第２ジンバル部２２とともに第１ジンバル部２１、保持部１０および内視鏡９０も第３回転軸１０３を中心として回転する。第１ジンバル部２１が、第２ジンバル部２２に対して第２回転軸１０２を中心として回動すると、第１ジンバル部２１とともに保持部１０および内視鏡９０も第２回転軸１０２を中心として回動する。

保持部１０が、第１ジンバル部２１に対して第１回転軸１０１を中心として回転すると、保持部１０とともに内視鏡９０も第１回転軸１０１を中心として回転する。そのため、内視鏡９０は、第１回転軸１０１、第２回転軸１０２および第３回転軸１０３の３つの軸を中心とした回転方向への移動が可能となる。

次に、台部７０に対する先端部３０の動き、言い換えると、第１アーム部４０および第２アーム部６０の動きについて、図２および図４を参照しながら説明する。
まず、第１空気圧アクチュエータ部４２および第２空気圧アクチュエータ部６２による第１アーム部４０および第２アーム部６０の動きについて説明し、次いで、第１自重補償部４３および第２自重補償部６３Ａ，６３Ｂによる第１アーム部４０および第２アーム部６０の動きについて説明する。

圧力が高められた駆動用の空気が供給されることにより、第２空気圧アクチュエータ部６２は、シリンダからピストンが突出したり引き込まれたりする。例えば、シリンダからピストンが突出することにより第２空気圧アクチュエータ部６２の長手方向の寸法が長くなる。これにより、第２アーム部６０の一対の第２ロッド６１は、鉛直方向に近づく方向へ回動する。言い換えると、関節部５０が上方向に移動するように回動する。逆に、シリンダへピストンが引き込まれると第２空気圧アクチュエータ部６２の長手方向の寸法が短くなる。これにより、第２アーム部６０の一対の第２ロッド６１は、水平方向に近づく方向へ回動する。言い換えると、関節部５０が下方向に移動するように回動する。

第１空気圧アクチュエータ部４２も、第２空気圧アクチュエータ部６２と同様に、圧力が高められた駆動用の空気が供給されることにより、シリンダからピストンが突出したり引き込まれたりする。第１空気圧アクチュエータ部４２の長手方向の寸法が長くなると、第１アーム部４０の一対の第１ロッド４１は、先端部３０が上方に移動するように回動する。逆に、第１空気圧アクチュエータ部４２の長手方向の寸法が短くなると、第１アーム部４０の一対の第１ロッド４１は、先端部３０が下方に移動するように回動する。

第２自重補償部６３Ａ，６３Ｂは、長手方向の寸法が長くなるように引き延ばされた状態で第２アーム部６０に取り付けられている。そのため、第２自重補償部６３Ａ，６３Ｂは、自らの長手方向の寸法が短くなる方向に付勢力を発生させている。この付勢力は、内視鏡９０等の自重に逆らい、関節部５０が上方向に回動する力として働く。

第１自重補償部４３は、長手方向の寸法が長くなるように引き延ばされた状態で第１アーム部４０に取り付けられている。そのため、第１自重補償部４３は、自らの長手方向の寸法が短くなる方向に付勢力を発生させている。この付勢力は、内視鏡９０等の自重に逆らい、先端部３０が上方向に回動する力として働く。

上記の構成のアーム装置１によれば、第３回転軸１０３の傾きθが４５度であり、０度よりも大きく９０度よりも小さいため、内視鏡外科手術において、第１回転軸１０１および第３回転軸１０３の傾き角度が一致することがない。言い換えると、支持される内視鏡９０における回転の自由度が３つから２つに減少することがない。

つまり、第１回転軸１０１および第３回転軸１０３の傾き角度が一致するアーム装置１の姿勢は、図５に示すように、内視鏡９０が斜め上向きに延びる姿勢である。内視鏡外科手術において、内視鏡９０を図５に示す姿勢で使用することはないため、支持される内視鏡９０における回転の自由度が３つから２つに減少することがない。

第３回転軸１０３の傾き角度を４５度とすることにより、内視鏡９０の軸線を水平にした際（図６（a）参照。）と、垂直とした際（図６（ｂ）参照。）におけるアーム装置１の操作性が対称となる。そのため、内視鏡９０の操作角度範囲を実質的に最大とすることができる。

平行リンクを有する第１アーム部４０および第２アーム部６０により先端部３０を支持することにより、先端部３０の配置位置を変更しても、先端部３０の姿勢を一定に保つことが容易となる。言い換えると、第３回転軸１０３の傾き角度を一定に保ち易くなる。

第１自重補償部４３、および、第２自重補償部６３Ａ，６３Ｂを設けることにより、自重補償部を設けない場合と比較して、第１空気圧アクチュエータ部４２および第２空気圧アクチュエータ部６２が内視鏡９０を支持した先端部３０の位置を移動させる際に必要となる駆動力を小さくすることができる。そのため、第１空気圧アクチュエータ部４２および第２空気圧アクチュエータ部６２の小型化が容易となる。

例えば、内視鏡９０を支持した先端部３０の重さと釣り合いをとるカウンターウェイトを備えたカウンターウェイト式アーム装置と比較して、内視鏡９０が延びる方向と反対側の後方の小型化が図りやすい。後方の小型化が図れると、内視鏡外科手術においてアーム装置１が手術者、助手又は看護師の作業の妨げになりにくくなる。

第１空気圧アクチュエータ部４２および第２空気圧アクチュエータ部６２を用いることにより、重量対出力比を大きくすることが容易となり、また、減速機構を用いない簡素な直動動作が実現可能となる。その結果、アーム装置１の小型化が更に容易になる。

把持部８０を設けることにより、アーム装置１を内視鏡９０を使用する際に配置される箇所に固定することが容易となる。例えば、内視鏡外科手術における手術ベッドに対してアーム装置１を固定することが容易となり、患者の体位変換のため手術ベッドを傾ける等の操作を行っても、先端部３０の姿勢を一定に保つことが容易となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図７を参照しながら説明する。本実施形態のアーム装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第１アーム部および第２アーム部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図７を用いて第１アーム部および第２アーム部の構成について説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

本実施形態のアーム装置２０１における第１アーム部２４０は、図７に示すように、先端部３０および関節部５０とともにベルト連結アームの機構を形成するものであり、先端部３０および関節部５０の相対姿勢を保ちつつ、相対移動可能とするものである。第１アーム部２４０には、第１リンク部（リンク部）２４１と、第１駆動部（駆動部）２４５と、が主に設けられている。

第１リンク部２４１は、棒状に形成された部材であり一方の端部が先端部３０に回動可能に取り付けられ、他方の端部が関節部５０に回動可能に取り付けられたものである。本実施形態では、１つの第１リンク部２４１が設けられている例に適用して説明する。

第１駆動部２４５は、先端部３０および関節部５０の相対姿勢を保ちつつ、先端部３０および関節部５０を相対移動させるものである。第１駆動部２４５には、第１ベルト部２４６と、先端部側歯車２４７と、第１関節部側歯車２４８と、が主に設けられている。

第１ベルト部２４６は、円環状に形成された部材であって、先端部側歯車２４７および第１関節部側歯車２４８に巻回して配置されるものである。また、第１ベルト部２４６には、先端部側歯車２４７および第１関節部側歯車２４８と噛み合う複数の噛み合い形状が形成されたものでもある。

先端部側歯車２４７は、先端部３０に配置された円板状または円柱状に形成された部材であり、第１ベルト部２４６が巻きつけられる円周面に、第１ベルト部２４６と噛み合う噛み合い形状が形成されたものである。

第１関節部側歯車２４８は、関節部５０に配置された円板状または円柱状に形成された部材であり、第１ベルト部２４６が巻きつけられる円周面に、第１ベルト部２４６と噛み合う噛み合い形状が形成されたものである。

第２アーム部２６０は、関節部５０および台部７０とともにベルト連結アームの機構を形成するものであり、関節部５０および台部７０の相対姿勢を保ちつつ、相対移動を可能とするものであるである。第２アーム部２６０には、第２リンク部（リンク部）２６１と、第２駆動部（駆動部）２６５と、が主に設けられている。

第２リンク部２６１は、棒状に形成された部材であり一方の端部が関節部５０に回動可能に取り付けられ、他方の端部が台部７０に回動可能に取り付けられたものである。本実施形態では、１つの第２リンク部２６１が設けられている例に適用して説明する。

第２駆動部２６５は、関節部５０および台部７０の相対姿勢を保ちつつ、関節部５０および台部７０を相対移動させるものである。第２駆動部２６５には、第２ベルト部２６６と、台部側歯車２６７と、第２関節部側歯車２６８と、が主に設けられている。

第２ベルト部２６６は、円環状に形成された部材であって、台部側歯車２６７および第２関節部側歯車２６８に巻回して配置されるものである。また、第２ベルト部２６６には、台部側歯車２６７および第２関節部側歯車２６８と噛み合う複数の噛み合い形状が形成されたものでもある。

台部側歯車２６７は、台部７０に配置された円板状または円柱状に形成された部材であり、第２ベルト部２６６が巻きつけられる円周面に、第２ベルト部２６６と噛み合う噛み合い形状が形成されたものである。

第２関節部側歯車２６８は、関節部５０に配置された円板状または円柱状に形成された部材であり、第２ベルト部２６６が巻きつけられる円周面に、第２ベルト部２６６と噛み合う噛み合い形状が形成されたものである。

次に、上記の構成からなるアーム装置２０１における動き、具体的には台部７０に対する先端部３０の動き、言い換えると、第１アーム部４０および第２アーム部６０の動きについて説明する。なお、ジンバル機構部２０の動きについては、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

台部７０に対して関節部５０が相対移動する場合、関節部５０は第２リンク部２６１に支えられながら相対移動する。具体的には、第２リンク部２６１は、台部７０および関節部５０に対して相対的に回動しながら相対姿勢（傾き）が変化する。

台部７０に対する関節部５０の相対姿勢は、次のようにして一定に保たれる。つまり、相対移動に伴う関節部５０の相対姿勢の変化に応じて、第２ベルト部２６６が駆動される。第２ベルト部２６６の駆動により第２関節部側歯車２６８が回転駆動され、この回転により関節部５０の相対姿勢が一定に保たれる。

例えば、台部側歯車２６７をモータなどの電動機により回転させることにより、第２ベルト部２６６を駆動し、関節部５０に固定された第２関節部側歯車２６８を回転駆動させることにより、関節部５０の相対姿勢を一定に保ってもよい。あるいは、台部側歯車２６７は台部７０に固定され、関節部５０の相対移動および固定された台部側歯車２６７によって第２ベルト部２６６が駆動され、第２ベルト部２６６の駆動による第２関節部側歯車２６８の回転を、ギアなどを介して関節部５０に伝達することにより、関節部５０の相対姿勢を一定に保ってもよい。なお、関節部５０の相対姿勢を一定に保つ方法としては公知の方法を用いることができ、特に限定するものではない。

関節部５０に対して先端部３０が相対移動する場合、先端部３０は第１リンク部２４１に支えられながら相対移動する。具体的には、第１リンク部２４１は、関節部５０および先端部３０に対して相対的に回動しながら相対姿勢（傾き）が変化する。

関節部５０に対する先端部３０の相対姿勢は、次のようにして一定に保たれる。つまり、相対移動に伴う先端部３０の相対姿勢の変化に応じて、第１ベルト部２４６が駆動される。第１ベルト部２４６の駆動により第１関節部側歯車２４８が回転駆動され、この回転により先端部３０の相対姿勢が一定に保たれる。

例えば、第１関節部側歯車２４８をモータなどの電動機により回転させることにより、第１ベルト部２４６を駆動し、先端部３０に固定された先端部側歯車２４７を回転駆動させることにより、先端部３０の相対姿勢を一定に保ってもよい。あるいは、第１関節部側歯車２４８は関節部５０に固定され、先端部３０の相対移動および固定された第１関節部側歯車２４８によって第１ベルト部２４６が駆動され、第１ベルト部２４６の駆動による先端部側歯車２４７の回転を、ギアなどを介して先端部３０に伝達することにより、先端部３０の相対姿勢を一定に保ってもよい。なお、先端部３０の相対姿勢を一定に保つ方法としては公知の方法を用いることができ、特に限定するものではない。

上記の構成のアーム装置２０１によれば、第１リンク部２４１と第１駆動部２４５、および、第２リンク部２６１と第２駆動部２６５によって先端部３０を支持することにより、先端部３０の配置位置を変更しても、先端部３０の姿勢を一定に保つことが容易となる。言い換えると、第３回転軸１０３の傾き角度を一定に保ち易くなる。

なお、本実施形態では、第１駆動部２４５に第１ベルト部２４６が設けられ、第１ベルト部２４６に第２ベルト部２６６が設けられる例に適用して説明したが、第１ベルト部２４６および第２ベルト部２６６の代わりに、ワイヤを用いた部材を用いてもよく、特に限定するものではない。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図８を参照しながら説明する。本実施形態のアーム装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第１アーム部および第２アーム部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図８を用いて第１アーム部および第２アーム部の構成について説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

本実施形態のアーム装置３０１は、図８に示すように、保持部１０と、ジンバル機構部２０と、先端部３０と、第１アーム部（アーム部）３４０と、第２アーム部（アーム部）３６０と、台部７０と、から主に構成されている。

第１アーム部３４０は、先端部３０と第２アーム部３６０との間に配置される横方向または水平方向に延びる柱状の部材である。本実施形態では、第１アーム部３４０が水平方向に延びる例に適用して説明するが、先端部３０に向かって先端部３０側の端部が上方、又は下方に傾斜したものであってもよい。

第２アーム部３６０は、第１アーム部３４０と台部７０との間に配置される横方向または水平方向に延びる柱状の部材である。本実施形態では、第２アーム部３６０が水平方向に延びる例に適用して説明するが、台部７０に向かって台部７０側の端部が上方、又は下方に傾斜したものであってもよい。

第１アーム部３４０および第２アーム部３６０は、第１アーム部３４０の端部が上側に配置され、第２アーム部３６０の端部が下側に配置され、両者が重なって配置されている。第１アーム部３４０および第２アーム部３６０の間には、鉛直方向に延びる第１アーム回転軸（回転軸線）１０５を中心として相対的に回転可能とする軸受構造が設けられている。

第２アーム部３６０および台部７０は、第２アーム部３６０の端部が台部７０の上端に重なって配置されている。第２アーム部３６０および台部７０の間には、鉛直方向に延びる第２アーム回転軸（回転軸線）１０６を中心として相対的に回転可能とする軸受構造が設けられている。

上記の構成のアーム装置３０１によれば、左右方向に延び、かつ、上下方向に延びる第１アーム回転軸１０５まわりに回動する第１アーム部３４０、および、左右方向に延び、かつ、上下方向に延びる第２アーム回転軸１０６まわりに回動する第２アーム部３６０により先端部３０を支持することにより、先端部３０の配置位置を変更しても、先端部３０の姿勢を一定に保つことが容易となる。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について主に図９を参照しながら説明する。本実施形態のアーム装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、アーム装置４０１が保持する器具の種類、及びジンバル機構部の構成が相違する。よって、本実施形態においては、アーム装置４０１が保持する器具に関連する構成及びジンバル機構部について主に説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。

本実施形態のアーム装置４０１は、ロボット鉗子９００を保持するものであり、図９に示すように、ジンバル機構部４２０と、先端部３０と、第１アーム部（アーム部）４０と、関節部５０と、第２アーム部（アーム部）６０と、台部７０と、把持部８０と、から主に構成されている。

ジンバル機構部４２０には、詳細は後述するロボット鉗子９００のシャフト部９０１の軸線に沿って延びる第１回転軸１０１を中心に回転可能にロボット鉗子９００を保持する第１ジンバル部４２１と、第１回転軸１０１に対して交差する方向、より好ましくは直交する方向に延びる第２回転軸１０２まわりにロボット鉗子９００を回動可能に支持する第２ジンバル部４２２とが主に設けられている。

ここで、アーム装置４０１が保持するロボット鉗子９００とは、内視鏡手術などにおいて患者の体腔に挿入され、使用者による遠隔操作により、患部の組織などを把持するものである。このロボット鉗子９００は、細長い棒状のシャフト部９０１と、シャフト部９０１の先側に設けられた鉗子部９０２と、シャフト部９０１の元側に設けられたカートリッジ９０３と、カートリッジ９０３が接続されるドライバ９０４から主に構成されている。

ドライバ９０４は、カートリッジ９０３に動力を伝える駆動部である。ドライバ９０４は、図示されていない制御部に接続されており、使用者の操作等に基づく制御部からの制御信号に従って所定の動力をカートリッジ９０３に伝達する。なおドライバ９０４には、カートリッジ９０３を着脱自在に固定する図示されていない固定機構が設けられており、後述するカートリッジ９０３が、脱着自在に固定される。

カートリッジ９０３は、ドライバ９０４から伝達された動力によって鉗子部９０２を駆動する部分である。カートリッジ９０３の、ドライバ９０４とは反対側の面からは、シャフト部９０１が第１回転軸１０１が延びる方向に向かって伸びている。

シャフト部９０１は、カートリッジ９０３から入力された動力を鉗子部９０２に伝達する円筒形の棒状の部分である。具体的には、カートリッジ９０３から入力された動力は、シャフト部９０１の内側に備えられた図示されていないワイヤなどの動力伝達部材を介して鉗子部９０２に伝達される。なお、カートリッジ９０３は、シャフト部９０１を、シャフト部９０１の軸線を中心にカートリッジ９０３に対して相対回転させるシャフト回転機構を備えてもよい。この場合カートリッジ９０３は、ドライバ９０４から伝達された駆動力によって、シャフト部９０１を、シャフト部９０１の軸線を中心に所定の方向に回転させる。ここでシャフト部９０１の軸線とは、シャフト部９０１の任意の横断面の中心を通る中心軸線である。なおシャフト部９０１は、カートリッジ９０３から取り付け取り外し自在な構成としてもよい。

鉗子部９０２は、シャフト部９０１を介して伝達された駆動力によって開閉動作して、組織などを把持する部分である。鉗子部９０２の組織などを把持する部分に、組織の切開や止血等を行う電気メスとしての機能が備えられていてもよい。なお、図９に示すロボット鉗子９００の形状は例示であり、アーム装置４０１が保持するのに適した形状であれば、その他の形状であってもよい。

本実施形態のジンバル機構部４２０を構成する第１ジンバル部４２１は、ロボット鉗子９００を、シャフト部９０１の軸線と第１回転軸１０１が一致する位置にて第１回転軸１０１を中心に回転可能に保持する回転機構を備えている。

本実施形態では、この第１ジンバル部４２１が、ドライバ９０４よりも大きな内径の円筒形状をし、その円筒形状の内側に挿入されたドライバ９０４を回転可能に保持する構成を有している例に適用して以降の説明を行う。具体的には、本実施形態に係る第１ジンバル部４２１が、外筒部４３１と、外筒部４３１の内側に配置される円筒形状の内筒部４３２と、図示されていない内筒支持部と、図示されていないドライバ保持部から主に構成されている例に適用して以降の説明を行う。

外筒部４３１は、その内径がドライバ９０４の外径よりも大きな円筒形状の部分であり、第２回転軸１０２を中心に回動可能に第２ジンバル部４２２によって支持される部分である。内筒部４３２は、その外径が外筒部４３１の内径よりも小さく、その内径がドライバ９０４よりも大きな円筒形状の部分で、外筒部４３１の内側に配置されるものである。内筒支持部は、外筒部４３１と内筒部４３２の間に配置され、外筒部４３１の内側に配置された内筒部４３２を、その中心軸線が外筒部４３１の中心軸線と一致する位置で外筒部４３１に対して相対回転可能に支持する部分である。なお内筒支持部は、ベアリングなどの部材から構成されている。本実施形態では、この外筒部４３１と内筒部４３２の中心軸線が、第１回転軸１０１となっている。即ち内筒部４３２は、外筒部４３１と同一の中心軸線（第１回転軸１０１）を中心に、外筒部４３１に対して相対回転可能に支持されている。

内筒部４３２の内側の側面には、挿入されたドライバ９０４を内筒部４３２の内側に固定する図示されていないドライバ保持部が設けられている。即ち、ドライバ保持部によって保持されたドライバ９０４は、内筒部４３２と共に外筒部４３１に対して相対回転可能になっている。なおドライバ保持部は、内筒部４３２の任意の回転位置においてシャフト部９０１の軸線と第１回転軸１０１が一致する様にドライバ９０４を保持する。

本実施形態にかかる第１ジンバル部４２１は、この様に構成されることでロボット鉗子９００を、シャフト部９０１の軸線と第１回転軸１０１が一致する位置において第１回転軸１０１を中心に回転可能に保持することができるようになっている。

なお、第１ジンバル部４２１の構成は上記に限定される訳ではなく、同様の機能を有した回転機構を備えたものであれば、これと異なる構成であっても構わない。
第２ジンバル部４２２は、第１ジンバル部４２１と先端部３０との間に配置されるものであり、その構成及び機能は第１の実施形態の第２ジンバル部２２と同一である。

なお本実施形態では、第１ジンバル部４２１のドライバ保持部が、ドライバ９０４を公知の方法により取り外し可能に保持する例に適用して以降の説明を行うが、シャフト部９０１がドライバ９０４に対して第１回転軸１０１を中心に回転可能に構成されていれば、例えばドライバ９０４と第１ジンバル部４２１が一体として構成されていてもよい。また、前述のように、シャフト部９０１がカートリッジ９０３から取り付け取り外し自在な構成とされている場合には、第１ジンバル部４２１、カートリッジ９０３及びドライバ９０４が一体として構成されていてもよい。更に、カートリッジ９０３がシャフト回転機構を備えている場合には、第１ジンバル部４２１は回転機構を備えていなくてもよい。

本実施形態によるアーム装置４０１によれば、第１ジンバル部４２１がシャフト部９０１の軸線と第１回転軸１０１とが一致するようにロボット鉗子９００を保持する。このため、例えば鉗子部９０２が組織等を把持する向きを変更するために、第１回転軸１０１を中心にロボット鉗子９００を回転させても、把持しようとする対象組織に対する鉗子部９０２の位置が移動することはなく、使用者はロボット鉗子９００の操作を容易に行うことができる。なお、カートリッジ９０３がシャフト回転機構を備えている場合には、使用者はカートリッジ９０３がシャフト回転機構を駆動させて鉗子部９０２の向きを変更させることができる。この場合には、カートリッジ９０３のシャフト回転機構が特許請求の範囲における第１ジンバル部としての機能を有することになる。

〔第４の実施形態の変形例〕
カートリッジ９０３が、前述のシャフト回転機構を有している場合には、第２ジンバル部がロボット鉗子を直接保持する構成としてもよい。以下、図１０を参照して本変形例に係るジンバル機構部５２０について具体的に説明する。

ジンバル機構部５２０の第２ジンバル部５２２は、取付面３１とは反対の端側に、第２回転軸１０２まわりにロボット鉗子９００を回動可能に保持する図示されていない鉗子保持部を備えている。この鉗子保持部は、使用者による操作に従って挟み込むなどして、カートリッジ９０３あるいはドライバ９０４を第２回転軸１０２まわりに回動可能に保持する。なお鉗子保持部は、他の公知の方法によりカートリッジ９０３あるいはドライバ９０４を回動可能に保持してもよい。本実施形態では、この鉗子保持部が、シャフト部９０１の軸線が第２回転軸１０２と交わる位置で、カートリッジ９０３あるいはドライバ９０４を保持する例に適用して説明を行う。なお、鉗子保持部は、シャフト部９０１の軸線と第２回転軸１０２が交わらない位置関係でカートリッジ９０３あるいはドライバ９０４を保持してもよい。

本変形例では、鉗子部９０２の把持する方向を変更する場合、使用者は、カートリッジ９０３のシャフト回転機構を動作させ、シャフト９０１を回転させて鉗子部９０２の向きを変更する。この場合、カートリッジ９０３のシャフト回転機構が特許請求の範囲における第１ジンバル部としての機能を有することになる。
この様に構成されたジンバル機構部５２０によれば、簡易な構成のアーム装置を提供することが可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では、第２ジンバル部２２の第３回転軸１０３を中心とした回転、第１ジンバル部２１の第２回転軸１０２を中心とした回転、及び保持部１０の第１回転軸１０１を中心とした回転、第１ジンバル部４２１の第１回転軸１０１を中心とした回転、あるいはロボット鉗子９００の第２回転軸１０２を中心とした回転が、手動で行われる例について説明したが、それらの回転動作がアクチュエータ駆動で行われるようにしてもよい。具体的には、各回転に対応する部分にモータなどの回転駆動部が設けられ、外部からの制御信号に従ってこの回転駆動部が駆動することで、各回転動作が行われるようにしてもよい。また、それらの回転動作が、用途や使用状態等に応じて、あるいは使用者による選択操作等によって、手動あるいはアクチュエータ駆動に切り変えられるものとしてもよい。あるいはそれらの回転動作を、手動とアクチュエータ駆動の両方で行えるものとしてもよい。また、本発明を上記の実施形態に適用したものに限られることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定するものではない。

１，２０１，３０１，４０１…アーム装置、２１，４２１…第１ジンバル部、２２，４２２，５２２…第２ジンバル部、３０…先端部、４０，３４０…第１アーム部（アーム部）、４２…第１空気圧アクチュエータ部（空気圧アクチュエータ部）、４３…第１自重補償部（自重補償部）、６０…第２アーム部（アーム部）、６２…第２空気圧アクチュエータ部（空気圧アクチュエータ部）、６３Ａ，６３Ｂ…第２自重補償部（自重補償部）、８０…把持部、９０…内視鏡（器具）、１０１…第１回転軸、１０２…第２回転軸、１０３…第３回転軸、２４１…第１リンク部（リンク部）、２４５…第１駆動部（駆動部）、２６１…第２リンク部（リンク部）、２６５…第２駆動部（駆動部）、９００…ロボット鉗子

Claims (8)

1. 器具の軸線に沿って延びる第１回転軸まわりに前記器具を回転可能に支持する第１ジンバル部と、
   前記第１回転軸に対して交差する方向に延びる第２回転軸まわりに前記器具を回動させる第２ジンバル部と、
   前記第１回転軸および前記第２回転軸を含む平面に対して交差して延びる第３回転軸まわりに前記器具を回動させる先端部と、
   が設けられ、
   前記第３回転軸は、水平方向を０度とし垂直方向の上方を９０度とした際に、０度よりも大きく９０度よりも小さな傾き角度を有することを特徴とするアーム装置。
2. 前記第３回転軸は、４５度の傾き角度を有することを特徴とする請求項１記載のアーム装置。
3. 前記先端部は、少なくとも１つ以上の平行リンクを有するアーム部に支持されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアーム装置。
4. 一方の端部が支持部に相対回転可能に取り付けられ、他方の端部が前記先端部に対して相対回転可能に取り付けられたリンク部と、
   前記支持部に対する前記先端部の相対位置を変更させるとともに、前記先端部の姿勢を一定に保つ駆動部と、
   が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のアーム装置。
5. 前記平行リンクを駆動することにより前記先端部の位置を移動させるアクチュエータ部と、
   前記先端部を上方移動させる力を前記平行リンクに付与する自重補償部と、設けられていることを特徴とする請求項３記載のアーム装置。
6. 前記アクチュエータ部は、空気の供給を受けて駆動する空気圧アクチュエータ部であることを特徴とする請求項５記載のアーム装置。
7. 前記先端部は、左右方向に延びるとともに、上下方向に延びる回転軸線まわりに回動するアーム部に支持されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアーム装置。
8. 前記器具を使用する際に配置される箇所に対して着脱可能とされた把持部が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のアーム装置。

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