JP3605057B2 - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用マニピュレータシステムに係り、特に、動作範囲が広く、機構が単純で、軽量で操作性に優れた状態で医療用マニピュレータを支持する支持機構を有する医療用マニピュレータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、胆嚢摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、図２５に示すように、患者１５０の腹部に小さな穴１５１，１５２，１５３をいくつか開け、それらにトラカール１５４を取り付け、トラカール１５４を介して、それらの穴に内視鏡１６１、鉗子１７１，１７２などを挿入し、術者（通常、外科医）１６０が内視鏡１６１の映像をモニタ１６２で見ながら手術を行っている。このような手術方法は、開腹を必要としないため、患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は適用分野の拡大が期待されている。前述の腹腔鏡下手術は、患者１５０への負担が少ないという点で優れた手術方法である。
【０００３】
しかし、トラカール１５４を通過しての制約された動作しかできなく、また、鉗子１７１，１７２には、開閉するグリッパしか設けられておらず、グリッパの姿勢を自在に変えることは困難であり、操作性に乏しい。以上の要因により、前記手術方法で適切な処置を行えるのは、熟練した術者に限られている。また、手術方法に熟練するまでには、非常に長期間を要する。
【０００４】
このような問題点を解決するために、発明者らは、図２６に示すような、操作指令部２０と、一端側が前記操作指令部２０に接続された連結部２１と、前記連結部２１の他端側に接続された作業部２２と、を備えた医療用マニピュレータ１を提案している。医療用マニピュレータ１は、不動点２３を有するように、支持装置２によって、支持されている。支持装置２の構成は以下のとおりである。医療用マニピュレータ１は、水平回転部１０５および円弧ガイド１０６により２軸回りに回転自在に支持されているとともに、連結支持部２４を介して挿入方向（直動）とその軸回りに支持されている。術者は、操作指令部２０を直接操作することで作業部２１の位置・姿勢を誘導することが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
連結部２１は、不動点２３を中心に極座標系（２回転軸と１直動軸）に支持され、さらに連結部２１の軸回りに回転支持されているため、合計４自由度で支持されていることになる。この自由度を実現する方法として、基本的には、図２７〜図２９に示すように、回転軸、円弧ガイド、平行リンクなど直動軸（挿入方向）を組合せた方式が採用されている。
【０００６】
しかし、挿入方向の動作範囲が少ないという問題がある。操作部２０が挿入方向に動かせる範囲は、連結支持部２４（図２６の矢印３０まで）までであり、不動点２３から連結支持部２４まではデッドスペースとなる。このため、作業部２２の作業領域を十分確保するためには、連結部２１の長さを長くしなければならない。このため、医療用マニピュレータ１が不用意に大きくなり、操作性を低下させる原因となる。不動点２３から連結支持部２４までの距離を短くするという方法も考えられるが、その場合、質量の集中している操作部２０からの距離が長くなり、連結支持部２４にかかるモーメント荷重が非常に大きくなり、機構上好ましくない。
【０００７】
また、術者１６０の操作性を向上するためには、医療用マニピュレータ１の重量補償を行うことが必要である。重力補償を行う方法としては、各関節軸にカウンタウエイトやばね、アクチュエータを配置する方法が一般的である。従来の方法では、重力の影響を受ける直動方向（挿入方向）と、極座標系の２回転軸方向またはその一方の１回転軸方向に対する合計２方向ないし３方向の重力補償が必要であった。従って、機構が複雑になり、また、質量が大きくなるという問題があった。さらに、連結支持部２４に対して挿入方向に対する重力補償が、動作範囲やスペースの観点から非常に困難であった。
【０００８】
さらに、一般的に直動軸や円弧ガイド軸は回転軸に対して摩擦力が大きく、術者が操作する場合の操作力が大きいため、医療用マニピュレータ１の操作性を低下させてしまうことになる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、動作範囲が広く機構が単純であり、軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータシステムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決しようとする手段】
上記目的を達成させるために、本発明の医療用マニピュレータシステムは、医療用マニピュレータとこの医療用マニピュレータを支持する支持機構とを備える医療用マニピュレータシステムであって、前記医療用マニピュレータは、操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続された作業部とを備え、前記支持機構は、前記医療用マニピュレータを吊り下げ支持する可撓性部材と、前記医療用マニピュレータの３次元位置が変化した状態においても前記可撓性部材に一定の張力を付与する張力付与手段と、前記張力付与手段を支持するアームとを有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記可撓性部材は、前記医療用マニピュレータの患者への最大挿入状態において、前記医療用マニピュレータの患者への挿入部の位置と前記医療用マニピュレータの重心位置との間の中間点より前記操作指令部側の位置で前記医療用マニピュレータを支持することを特徴とする。また、医療用マニピュレータとこの医療用マニピュレータを支持する支持機構とを備える医療用マニピュレータシステムであって、前記医療用マニピュレータは、操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続された作業部とを備え、前記支持機構は、前記医療用マニピュレータの３次元位置が変化した状態においても張力が概ね一定に保たれるように、前記医療用マニピュレータの患者への最大挿入状態において、前記医療用マニピュレータの患者への挿入部の位置と前記医療用マニピュレータの重心位置との間の中間点より前記操作指令部側の位置で前記医療用マニピュレータを吊り下げ支持する可撓性部材を有することを特徴とする。
【００１２】
また、前記医療用マニピュレータは、前記連結部の軸回りに回転自在な部材を介して前記可撓性部材に吊り下げ支持されていることを特徴とする。
【００１３】
また、前記支持機構を手術室天井面に設置し、前記可撓性部材の上端を手術室天井近傍に設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、前記支持機構を手術室天井面に設置し、前記可撓性部材の上端を手術室天井近傍に設けたことを特徴とする。また、前記支持機構はカウンタウエイトを有し、前記医療用マニピュレータは前記カウンタウエイトと釣り合い状態で前記支持機構に支持されている
ことを特徴とする。また、前記医療用マニピュレータは、手術台に設置された前記支持機構によって支持されていることを特徴とする。また、前記医療用マニピュレータは、移動台車に設置された前記支持機構によって支持されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、従来のような極座標系を用いた支持機構の構成でないため、例えば連結支持部２４（図２６参照）を介して挿入方向（直動）とその軸回りに支持する構成をとらず、したがって、動作範囲が広く、また、重力補償が容易な構成が可能になり、機構が単純で、軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータシステムを提供することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータシステムの構成を示す斜視図である。
【００１８】
本発明の実施の形態による医療用マニピュレータシステムにおいて、医療用マニピュレータ１は操作指令部２０と、一端が操作指令部２０に接続された連結部２１と、連結部２１の他端側に接続された作業部２２とを備え、医療用マニピュレータ１が可撓性部材３を有する支持機構２により吊り下げ支持されている。また、医療用マニピュレータ１の３次元位置が変化した状態においても、可撓性部材３はそのの張力が概ね一定に保たれるように支持機構２に支持されている。
【００１９】
支持機構２は、支持装置２の固定部１０に水平方向に回転支持された第１の回転軸１０１と、第１の回転軸１０１の出力軸側１１に固定された第１アーム１２と、第１アーム先端部１３に水平方向に回転支持された第２の回転軸１０２と、第２の回転軸１０２の出力軸側１４に固定された第２アーム１５と、第２アーム５上に配置された一定荷重バネ１６と、一定荷重バネ１６の端部に固定された可撓性部材３と、アイドラプーリ１７とから構成されている。なお、図２のように、一定荷重バネ１６と可撓性部材３などが一体化されて形成された一定荷重バネ１８を用いても良い。一定荷重バネ１６は概ね医療用マニピュレータ１の重力と一致する値となっている。
【００２０】
術者が操作部２０を操作した場合、医療用マニピュレータ１の３次元位置が変化するが、水平方向の位置は、第１アーム１２と第２アーム１５で、鉛直方向の位置は、一定荷重バネ１６または１８により、可撓性部材３の張力は常に一定の荷重で医療用マニピュレータ１を支持することが可能となっている。
【００２１】
可撓性部材３は、理想的には医療用マニピュレータ１の重心位置の近傍を支持する。手術時にはトラカール２３の部分でも支持される構成になるため、厳密に重心を支持する必要は無いが、重心近傍を支持することで、トラカール２３に不必要な荷重を生じることを防ぐことが可能となる。
【００２２】
本発明による実施例では、医療用マニピュレータ１の患者１５０へ最大挿入状態においても、挿入部（トラカール）２３の位置と医療用マニピュレータ１の重心位置の中間点より操作指令部２０側に、可撓性部材３による医療用マニピュレータ１の吊り下げ位置がくるように支持している。
【００２３】
吊り下げ位置について図３により説明する。医療用マニピュレータ１の自重による荷重をＦＧ、トラカール２３の位置をＯ、トラカール２３の位置Ｏから可撓性部材３の吊り下げ位置Ｘまでの距離をＬ１、トラカール２３の位置Ｏから医療用マニピュレータ１の重心位置Ｇまでの距離をＬ２とすると、可撓性部材３の張力ＦＸとトラカール２３の位置Ｏに加わる荷重ＦＯは、力とモーメントの吊り合いから、
ＦＯ／ＦＧ＝Ｌ２／Ｌ１−１
ＦＸ／ＦＧ＝Ｌ２／Ｌ１
となる。吊り下げ位置Ｘの変化に対する荷重の変化を調べるために、横軸にＬ２／Ｌ１として、ＦＯ／ＦＧ、ＦＸ／ＦＧを図示すると、図４のように表せる。
【００２４】
同図から、Ｌ２／Ｌ２＝１すなわち、重心位置Ｇ近傍を支持することで、トラカール２３の位置をＯに加える荷重ＦＯを、０（ゼロ）とすることができる。
【００２５】
一方、Ｌ１／Ｌ２＜０．５すなわち、ＯＧ間の中点よりＸがＯ側になると、トラカール２３の位置Ｏに加わる荷重ＦＯは、医療用マニピュレータ１の自重による荷重がＦＧより大きくなることを示している。したがって、トラカール２３の位置Ｏに過大な荷重が加わることになる。この荷重は、患者に対して加わることになる。基本的に支える荷重より大きい荷重がトラカール２３の位置Ｏに加わるということは、支持装置として好ましくない。
【００２６】
支持装置Ｘが最もトラカール２３の位置Ｏに近づくのは、最大挿入状態の時である。したがって、本発明による実施例では、医療用マニピュレータ１の患者１５０への最大挿入状態においても、医療用マニピュレータ１の患者１５０への挿入部（トラカール）２３の位置Ｏと医療用マニピュレータ１の重心位置Ｇの中間点より操作指令部２０側に、可撓性部材３による医療用マニピュレータ１の吊り下げ位置Ｘが位置するようにしている。これにより、トラカール２３の位置Ｏに、医療用マニピュレータ１の自重による荷重をＦＧより大きな荷重が加わることを防止することができる。
【００２７】
さらに、重心位置Ｇより、操作指令部２０側に、可撓性部材３による医療用マニピュレータ１の吊り下げ位置Ｘが位置するようにすることが望ましい。これにより、トラカール２３の位置Ｏの荷重だけでなく、可撓性部材３の張力も、医療用マニピュレータ１の自重による荷重ＦＧより大きな荷重が加わることを防止することができる。
【００２８】
もちろん、トラカール２３に生じる反力が許容できる荷重の範囲内であれば、可撓性部材３によって支持する位置は制限されるものではなく、重心から離れた位置であっても問題はない。
【００２９】
図５、図６は、一定荷重バネ１６ではなく、カウンタウエイト１９を用いた例を示す。図７は、一定荷重バネ１６ではなくコイルバネ３１を用いた例を示す。コイルバネ３１を用いた場合、一定荷重バネに比べて荷重の変化が大きいが、バネ定数の小さいバネを用いることで荷重の変化を低減させることが可能である。
【００３０】
図８は、医療用マニピュレータ１を可撓性部材３で直接、吊り下げた状態を示している。この支持方法では、医療用マニピュレータ１を連結部２１の軸回りに回転させる場合、可撓性部材３が操作を妨げる場合がある。より操作性を良くするためには、図１等で示すように、医療用マニピュレータ１と可撓性部材３の間に連結部２１の軸回りに回転自在な部材１８を介して支持することが望ましい。軸受けなどでしっかり回転自在に支持してもよいが、単に医療用マニピュレータ１が連結部２１の軸回りに容易に回転できる構成になっていれば良い。これにより、可撓性部材３が操作を妨げることを防ぐことが可能となる。
【００３１】
なお、回転自在な部材１８は、連結部２１の軸回りとほぼ同軸上に回転自在となるように支持されていれば、連結部２１にではなく操作部２ｃ近傍に設けてもよい。
【００３２】
図９は、可撓性部材３の動作範囲を規制する機構を設けたものである。ストッパ３３ａ，３３ｂの位置を適宜調整することでドグ３２の移動できる範囲が変化するため、医療用マニピュレータ１の鉛直方向の動作範囲を任意に設定することが可能である。
【００３３】
医療用マニピュレータ１の詳細の構成例と手術時のイメージ図を、図１０、図１１に示す。医療用マニピュレータ１は、操作指令部２０と、一端側が前記操作指令部２０に接続された連結部２１と、前記連結部２１の他端側に接続された作業部２２とを備えている。作業部２２は、２つの回転軸（ヨー軸３４とロール軸３５）とグリッパ軸３６から構成されている。同様に、操作指令部２０は、２つの回転軸（ヨー軸３７とロール軸３８）とグリッパ軸３９から構成されている。術者は、操作指令部２０を把持し、作業部２２の位置姿勢を操作する。
【００３４】
なお、医療用マニピュレータ１の構成は必ずしも図１０に示すものと同じである必要はない。
【００３５】
図１２は、手術室４０内の手術台４１に、医療用マニピュレータ１と支持機構２を設置した図である。手術台４１の端部や周囲に固定台４２を設け、支持機構２を固定している。手術台４１の広範囲にわたって動作範囲をカバーすることができる。図１３は、移動台車４４に搭載した図である。必要に応じて医療用マニピュレータシステムを手術台４１の近傍に配置し、使用しない時には邪魔にならない位置に保管しておくことが可能である。
【００３６】
図１４、図１５は、回転軸１０１と直動軸１０４を組み合わせた実施例である。もちろん、直動軸１０１だけの組み合わせでも良い。
【００３７】
図１６は、回転軸１０１と第１アーム１２で構成した場合である。回転軸１０２と第２アーム１５をなくすことで、動作に制約が生じるが、十分高い位置から可撓性部材３を吊り下げることで、その影響を低減することができる。
【００３８】
図１７は、３つの回転軸１０１〜１０３を組み合わせた実施例である。この場合、カウンタウエイト３３により医療用マニピュレータ１の自重を釣り合い状態で支持している。図１等に示した先の実施例の場合は、可撓性部材３が鉛直方向に伸縮する構成となっていたが、本実施例は、可撓性部材３の長さは一定であってもよい。したがって、図１８に示すように、可撓性部材３を極力短くすることも可能である。可撓性部材３を短くすることで、操作者の操作力が直接的に支持機構２に加わるため、支持機構２と医療用マニピュレータ１の水平面内の位置のずれを最小限にすることが可能である。図１９、図２０は、回転軸ないし直動軸を組み合わせた他の例である。
【００３９】
図２１〜図２４は、本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータシステムの構成を示す斜視図である。支持機構２を手術室天井面４２に設置し、可撓性部材３の上端を手術室４２の天井近傍に設けている。支持装置２の構成は、基本的には、図１等に示した先の実施例と同様である。直動軸と回転軸の組み合わせにより構成されている。図２４は双腕とした場合である。支持機構２を手術室４２の天井面４２に設置し、可撓性部材３の上端を手術室４２の天井近傍に設けることで、手術台４１の周囲に支持機構２がなくなり、手術に十分なスペースを確保できる。
【００４０】
また、医療用マニピュレータ１と可撓性部材３を容易に着脱可能にすることにより、必要に応じて、可撓性部材３の下端に医療用マニピュレータ１を取り付けたりはずしたりすることで、手術に応じた医療用マニピュレータ１に適宜交換して使用することが可能である。着脱は可撓性部材３の部分のみあるいは回転自在な部材１８を含めて着脱しても良い。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、極座標系の機構で支持した場合の連結支持部２４（図２６参照）を無くすることができるため、連結部２１の挿入方向の動作範囲を十分広く取ることが可能になる。また、支持機構２を少ない機構要素で構成できるため、軽量コンパクトで、操作性に優れた支持装置から構成される医療用マニピュレータシステムを提供することが可能になる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、動作範囲が広く機構が単純であり、軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図３】医療用マニピュレータの支持位置と荷重の関係を示す図。
【図４】医療用マニピュレータの支持位置と荷重の関係を示すグラフ。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図６】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図７】医療用マニピュレータのコイルバネによる支持方法の例を示す図。
【図８】医療用マニピュレータの吊り下げ部の例を示す図。
【図９】可撓性部材の動作制限方法の例を示す図。
【図１０】医療用マニピュレータの概略斜視図。
【図１１】医療用マニピュレータシステムの手術時のイメージ図。
【図１２】医療用マニピュレータシステムを手術台に設置したことを示す図。
【図１３】医療用マニピュレータシステムを台車に設置したことを示す図。
【図１４】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１５】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１６】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１７】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１８】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１９】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図２０】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図２１】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２２】本発明の第２の実施形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２３】本発明の第２の実施形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２４】本発明の第２の実施形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２５】従来の腹腔鏡手術の様子を示す図。
【図２６】本発明者らがすでに提案している医療用マニピュレータシステムを示す図。
【図２７】従来の支持機構を示す図。
【図２８】従来の支持機構を示す図。
【図２９】従来の支持機構を示す図。
【符号の説明】
１ 医療マニピュレータ
２ 支持機構
３ 可撓性部材
１２ 第１アーム
１４ 第２アーム
１６ 一定荷重バネ
１９ カウンタウエイト
２０ 操作指令部
２１ 連結部
２２ 作業部
２３ 不動点、トラカール
２４ 支持連結部
３１ コイルバネ
１５０ 患者
１６０ 医師
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用マニピュレータシステムに係り、特に、動作範囲が広く、機構が単純で、軽量で操作性に優れた状態で医療用マニピュレータを支持する支持機構を有する医療用マニピュレータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、胆嚢摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、図２５に示すように、患者１５０の腹部に小さな穴１５１，１５２，１５３をいくつか開け、それらにトラカール１５４を取り付け、トラカール１５４を介して、それらの穴に内視鏡１６１、鉗子１７１，１７２などを挿入し、術者（通常、外科医）１６０が内視鏡１６１の映像をモニタ１６２で見ながら手術を行っている。このような手術方法は、開腹を必要としないため、患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は適用分野の拡大が期待されている。前述の腹腔鏡下手術は、患者１５０への負担が少ないという点で優れた手術方法である。
【０００３】
しかし、トラカール１５４を通過しての制約された動作しかできなく、また、鉗子１７１，１７２には、開閉するグリッパしか設けられておらず、グリッパの姿勢を自在に変えることは困難であり、操作性に乏しい。以上の要因により、前記手術方法で適切な処置を行えるのは、熟練した術者に限られている。また、手術方法に熟練するまでには、非常に長期間を要する。
【０００４】
このような問題点を解決するために、発明者らは、図２６に示すような、操作指令部２０と、一端側が前記操作指令部２０に接続された連結部２１と、前記連結部２１の他端側に接続された作業部２２と、を備えた医療用マニピュレータ１を提案している。医療用マニピュレータ１は、不動点２３を有するように、支持装置２によって、支持されている。支持装置２の構成は以下のとおりである。医療用マニピュレータ１は、水平回転部１０５および円弧ガイド１０６により２軸回りに回転自在に支持されているとともに、連結支持部２４を介して挿入方向（直動）とその軸回りに支持されている。術者は、操作指令部２０を直接操作することで作業部２１の位置・姿勢を誘導することが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
連結部２１は、不動点２３を中心に極座標系（２回転軸と１直動軸）に支持され、さらに連結部２１の軸回りに回転支持されているため、合計４自由度で支持されていることになる。この自由度を実現する方法として、基本的には、図２７〜図２９に示すように、回転軸、円弧ガイド、平行リンクなど直動軸（挿入方向）を組合せた方式が採用されている。
【０００６】
しかし、挿入方向の動作範囲が少ないという問題がある。操作部２０が挿入方向に動かせる範囲は、連結支持部２４（図２６の矢印３０まで）までであり、不動点２３から連結支持部２４まではデッドスペースとなる。このため、作業部２２の作業領域を十分確保するためには、連結部２１の長さを長くしなければならない。このため、医療用マニピュレータ１が不用意に大きくなり、操作性を低下させる原因となる。不動点２３から連結支持部２４までの距離を短くするという方法も考えられるが、その場合、質量の集中している操作部２０からの距離が長くなり、連結支持部２４にかかるモーメント荷重が非常に大きくなり、機構上好ましくない。
【０００７】
また、術者１６０の操作性を向上するためには、医療用マニピュレータ１の重量補償を行うことが必要である。重力補償を行う方法としては、各関節軸にカウンタウエイトやばね、アクチュエータを配置する方法が一般的である。従来の方法では、重力の影響を受ける直動方向（挿入方向）と、極座標系の２回転軸方向またはその一方の１回転軸方向に対する合計２方向ないし３方向の重力補償が必要であった。従って、機構が複雑になり、また、質量が大きくなるという問題があった。さらに、連結支持部２４に対して挿入方向に対する重力補償が、動作範囲やスペースの観点から非常に困難であった。
【０００８】
さらに、一般的に直動軸や円弧ガイド軸は回転軸に対して摩擦力が大きく、術者が操作する場合の操作力が大きいため、医療用マニピュレータ１の操作性を低下させてしまうことになる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、動作範囲が広く機構が単純であり、軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータシステムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決しようとする手段】
上記目的を達成させるために、本発明の医療用マニピュレータシステムは、医療用マニピュレータとこの医療用マニピュレータを支持する支持機構とを備える医療用マニピュレータシステムであって、前記医療用マニピュレータは、操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続された作業部とを備え、前記支持機構は、前記医療用マニピュレータを吊り下げ支持する可撓性部材と、前記医療用マニピュレータの３次元位置が変化した状態においても前記可撓性部材に一定の張力を付与する張力付与手段と、前記張力付与手段を支持するアームとを有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記可撓性部材は、前記医療用マニピュレータの患者への最大挿入状態において、前記医療用マニピュレータの患者への挿入部の位置と前記医療用マニピュレータの重心位置との間の中間点より前記操作指令部側の位置で前記医療用マニピュレータを支持することを特徴とする。また、医療用マニピュレータとこの医療用マニピュレータを支持する支持機構とを備える医療用マニピュレータシステムであって、前記医療用マニピュレータは、操作指令部と、一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、前記連結部の他端側に接続された作業部とを備え、前記支持機構は、前記医療用マニピュレータの３次元位置が変化した状態においても張力が概ね一定に保たれるように、前記医療用マニピュレータの患者への最大挿入状態において、前記医療用マニピュレータの患者への挿入部の位置と前記医療用マニピュレータの重心位置との間の中間点より前記操作指令部側の位置で前記医療用マニピュレータを吊り下げ支持する可撓性部材を有することを特徴とする。
【００１２】
また、前記医療用マニピュレータは、前記連結部の軸回りに回転自在な部材を介して前記可撓性部材に吊り下げ支持されていることを特徴とする。
【００１３】
また、前記支持機構を手術室天井面に設置し、前記可撓性部材の上端を手術室天井近傍に設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、前記支持機構を手術室天井面に設置し、前記可撓性部材の上端を手術室天井近傍に設けたことを特徴とする。また、前記支持機構はカウンタウエイトを有し、前記医療用マニピュレータは前記カウンタウエイトと釣り合い状態で前記支持機構に支持されている
ことを特徴とする。また、前記医療用マニピュレータは、手術台に設置された前記支持機構によって支持されていることを特徴とする。また、前記医療用マニピュレータは、移動台車に設置された前記支持機構によって支持されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、従来のような極座標系を用いた支持機構の構成でないため、例えば連結支持部２４（図２６参照）を介して挿入方向（直動）とその軸回りに支持する構成をとらず、したがって、動作範囲が広く、また、重力補償が容易な構成が可能になり、機構が単純で、軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータシステムを提供することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータシステムの構成を示す斜視図である。
【００１８】
本発明の実施の形態による医療用マニピュレータシステムにおいて、医療用マニピュレータ１は操作指令部２０と、一端が操作指令部２０に接続された連結部２１と、連結部２１の他端側に接続された作業部２２とを備え、医療用マニピュレータ１が可撓性部材３を有する支持機構２により吊り下げ支持されている。また、医療用マニピュレータ１の３次元位置が変化した状態においても、可撓性部材３はそのの張力が概ね一定に保たれるように支持機構２に支持されている。
【００１９】
支持機構２は、支持装置２の固定部１０に水平方向に回転支持された第１の回転軸１０１と、第１の回転軸１０１の出力軸側１１に固定された第１アーム１２と、第１アーム先端部１３に水平方向に回転支持された第２の回転軸１０２と、第２の回転軸１０２の出力軸側１４に固定された第２アーム１５と、第２アーム５上に配置された一定荷重バネ１６と、一定荷重バネ１６の端部に固定された可撓性部材３と、アイドラプーリ１７とから構成されている。なお、図２のように、一定荷重バネ１６と可撓性部材３などが一体化されて形成された一定荷重バネ１８を用いても良い。一定荷重バネ１６は概ね医療用マニピュレータ１の重力と一致する値となっている。
【００２０】
術者が操作部２０を操作した場合、医療用マニピュレータ１の３次元位置が変化するが、水平方向の位置は、第１アーム１２と第２アーム１５で、鉛直方向の位置は、一定荷重バネ１６または１８により、可撓性部材３の張力は常に一定の荷重で医療用マニピュレータ１を支持することが可能となっている。
【００２１】
可撓性部材３は、理想的には医療用マニピュレータ１の重心位置の近傍を支持する。手術時にはトラカール２３の部分でも支持される構成になるため、厳密に重心を支持する必要は無いが、重心近傍を支持することで、トラカール２３に不必要な荷重を生じることを防ぐことが可能となる。
【００２２】
本発明による実施例では、医療用マニピュレータ１の患者１５０へ最大挿入状態においても、挿入部（トラカール）２３の位置と医療用マニピュレータ１の重心位置の中間点より操作指令部２０側に、可撓性部材３による医療用マニピュレータ１の吊り下げ位置がくるように支持している。
【００２３】
吊り下げ位置について図３により説明する。医療用マニピュレータ１の自重による荷重をＦＧ、トラカール２３の位置をＯ、トラカール２３の位置Ｏから可撓性部材３の吊り下げ位置Ｘまでの距離をＬ１、トラカール２３の位置Ｏから医療用マニピュレータ１の重心位置Ｇまでの距離をＬ２とすると、可撓性部材３の張力ＦＸとトラカール２３の位置Ｏに加わる荷重ＦＯは、力とモーメントの吊り合いから、
ＦＯ／ＦＧ＝Ｌ２／Ｌ１−１
ＦＸ／ＦＧ＝Ｌ２／Ｌ１
となる。吊り下げ位置Ｘの変化に対する荷重の変化を調べるために、横軸にＬ２／Ｌ１として、ＦＯ／ＦＧ、ＦＸ／ＦＧを図示すると、図４のように表せる。
【００２４】
同図から、Ｌ２／Ｌ２＝１すなわち、重心位置Ｇ近傍を支持することで、トラカール２３の位置をＯに加える荷重ＦＯを、０（ゼロ）とすることができる。
【００２５】
一方、Ｌ１／Ｌ２＜０．５すなわち、ＯＧ間の中点よりＸがＯ側になると、トラカール２３の位置Ｏに加わる荷重ＦＯは、医療用マニピュレータ１の自重による荷重がＦＧより大きくなることを示している。したがって、トラカール２３の位置Ｏに過大な荷重が加わることになる。この荷重は、患者に対して加わることになる。基本的に支える荷重より大きい荷重がトラカール２３の位置Ｏに加わるということは、支持装置として好ましくない。
【００２６】
支持装置Ｘが最もトラカール２３の位置Ｏに近づくのは、最大挿入状態の時である。したがって、本発明による実施例では、医療用マニピュレータ１の患者１５０への最大挿入状態においても、医療用マニピュレータ１の患者１５０への挿入部（トラカール）２３の位置Ｏと医療用マニピュレータ１の重心位置Ｇの中間点より操作指令部２０側に、可撓性部材３による医療用マニピュレータ１の吊り下げ位置Ｘが位置するようにしている。これにより、トラカール２３の位置Ｏに、医療用マニピュレータ１の自重による荷重をＦＧより大きな荷重が加わることを防止することができる。
【００２７】
さらに、重心位置Ｇより、操作指令部２０側に、可撓性部材３による医療用マニピュレータ１の吊り下げ位置Ｘが位置するようにすることが望ましい。これにより、トラカール２３の位置Ｏの荷重だけでなく、可撓性部材３の張力も、医療用マニピュレータ１の自重による荷重ＦＧより大きな荷重が加わることを防止することができる。
【００２８】
もちろん、トラカール２３に生じる反力が許容できる荷重の範囲内であれば、可撓性部材３によって支持する位置は制限されるものではなく、重心から離れた位置であっても問題はない。
【００２９】
図５、図６は、一定荷重バネ１６ではなく、カウンタウエイト１９を用いた例を示す。図７は、一定荷重バネ１６ではなくコイルバネ３１を用いた例を示す。コイルバネ３１を用いた場合、一定荷重バネに比べて荷重の変化が大きいが、バネ定数の小さいバネを用いることで荷重の変化を低減させることが可能である。
【００３０】
図８は、医療用マニピュレータ１を可撓性部材３で直接、吊り下げた状態を示している。この支持方法では、医療用マニピュレータ１を連結部２１の軸回りに回転させる場合、可撓性部材３が操作を妨げる場合がある。より操作性を良くするためには、図１等で示すように、医療用マニピュレータ１と可撓性部材３の間に連結部２１の軸回りに回転自在な部材１８を介して支持することが望ましい。軸受けなどでしっかり回転自在に支持してもよいが、単に医療用マニピュレータ１が連結部２１の軸回りに容易に回転できる構成になっていれば良い。これにより、可撓性部材３が操作を妨げることを防ぐことが可能となる。
【００３１】
なお、回転自在な部材１８は、連結部２１の軸回りとほぼ同軸上に回転自在となるように支持されていれば、連結部２１にではなく操作部２ｃ近傍に設けてもよい。
【００３２】
図９は、可撓性部材３の動作範囲を規制する機構を設けたものである。ストッパ３３ａ，３３ｂの位置を適宜調整することでドグ３２の移動できる範囲が変化するため、医療用マニピュレータ１の鉛直方向の動作範囲を任意に設定することが可能である。
【００３３】
医療用マニピュレータ１の詳細の構成例と手術時のイメージ図を、図１０、図１１に示す。医療用マニピュレータ１は、操作指令部２０と、一端側が前記操作指令部２０に接続された連結部２１と、前記連結部２１の他端側に接続された作業部２２とを備えている。作業部２２は、２つの回転軸（ヨー軸３４とロール軸３５）とグリッパ軸３６から構成されている。同様に、操作指令部２０は、２つの回転軸（ヨー軸３７とロール軸３８）とグリッパ軸３９から構成されている。術者は、操作指令部２０を把持し、作業部２２の位置姿勢を操作する。
【００３４】
なお、医療用マニピュレータ１の構成は必ずしも図１０に示すものと同じである必要はない。
【００３５】
図１２は、手術室４０内の手術台４１に、医療用マニピュレータ１と支持機構２を設置した図である。手術台４１の端部や周囲に固定台４２を設け、支持機構２を固定している。手術台４１の広範囲にわたって動作範囲をカバーすることができる。図１３は、移動台車４４に搭載した図である。必要に応じて医療用マニピュレータシステムを手術台４１の近傍に配置し、使用しない時には邪魔にならない位置に保管しておくことが可能である。
【００３６】
図１４、図１５は、回転軸１０１と直動軸１０４を組み合わせた実施例である。もちろん、直動軸１０１だけの組み合わせでも良い。
【００３７】
図１６は、回転軸１０１と第１アーム１２で構成した場合である。回転軸１０２と第２アーム１５をなくすことで、動作に制約が生じるが、十分高い位置から可撓性部材３を吊り下げることで、その影響を低減することができる。
【００３８】
図１７は、３つの回転軸１０１〜１０３を組み合わせた実施例である。この場合、カウンタウエイト３３により医療用マニピュレータ１の自重を釣り合い状態で支持している。図１等に示した先の実施例の場合は、可撓性部材３が鉛直方向に伸縮する構成となっていたが、本実施例は、可撓性部材３の長さは一定であってもよい。したがって、図１８に示すように、可撓性部材３を極力短くすることも可能である。可撓性部材３を短くすることで、操作者の操作力が直接的に支持機構２に加わるため、支持機構２と医療用マニピュレータ１の水平面内の位置のずれを最小限にすることが可能である。図１９、図２０は、回転軸ないし直動軸を組み合わせた他の例である。
【００３９】
図２１〜図２４は、本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータシステムの構成を示す斜視図である。支持機構２を手術室天井面４２に設置し、可撓性部材３の上端を手術室４２の天井近傍に設けている。支持装置２の構成は、基本的には、図１等に示した先の実施例と同様である。直動軸と回転軸の組み合わせにより構成されている。図２４は双腕とした場合である。支持機構２を手術室４２の天井面４２に設置し、可撓性部材３の上端を手術室４２の天井近傍に設けることで、手術台４１の周囲に支持機構２がなくなり、手術に十分なスペースを確保できる。
【００４０】
また、医療用マニピュレータ１と可撓性部材３を容易に着脱可能にすることにより、必要に応じて、可撓性部材３の下端に医療用マニピュレータ１を取り付けたりはずしたりすることで、手術に応じた医療用マニピュレータ１に適宜交換して使用することが可能である。着脱は可撓性部材３の部分のみあるいは回転自在な部材１８を含めて着脱しても良い。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、極座標系の機構で支持した場合の連結支持部２４（図２６参照）を無くすることができるため、連結部２１の挿入方向の動作範囲を十分広く取ることが可能になる。また、支持機構２を少ない機構要素で構成できるため、軽量コンパクトで、操作性に優れた支持装置から構成される医療用マニピュレータシステムを提供することが可能になる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、動作範囲が広く機構が単純であり、軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図３】医療用マニピュレータの支持位置と荷重の関係を示す図。
【図４】医療用マニピュレータの支持位置と荷重の関係を示すグラフ。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図６】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図７】医療用マニピュレータのコイルバネによる支持方法の例を示す図。
【図８】医療用マニピュレータの吊り下げ部の例を示す図。
【図９】可撓性部材の動作制限方法の例を示す図。
【図１０】医療用マニピュレータの概略斜視図。
【図１１】医療用マニピュレータシステムの手術時のイメージ図。
【図１２】医療用マニピュレータシステムを手術台に設置したことを示す図。
【図１３】医療用マニピュレータシステムを台車に設置したことを示す図。
【図１４】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１５】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１６】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１７】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１８】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図１９】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図２０】本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略斜視図。
【図２１】本発明の第２の実施の形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２２】本発明の第２の実施形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２３】本発明の第２の実施形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２４】本発明の第２の実施形態による医療用マニピュレータシステムを示す概略斜視図。
【図２５】従来の腹腔鏡手術の様子を示す図。
【図２６】本発明者らがすでに提案している医療用マニピュレータシステムを示す図。
【図２７】従来の支持機構を示す図。
【図２８】従来の支持機構を示す図。
【図２９】従来の支持機構を示す図。
【符号の説明】
１ 医療マニピュレータ
２ 支持機構
３ 可撓性部材
１２ 第１アーム
１４ 第２アーム
１６ 一定荷重バネ
１９ カウンタウエイト
２０ 操作指令部
２１ 連結部
２２ 作業部
２３ 不動点、トラカール
２４ 支持連結部
３１ コイルバネ
１５０ 患者
１６０ 医師
Claims (9)
- 医療用マニピュレータとこの医療用マニピュレータを支持する支持機構とを備える医療用マニピュレータシステムであって、
前記医療用マニピュレータは、
操作指令部と、
一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、
前記連結部の他端側に接続された作業部とを備え、
前記支持機構は、
前記医療用マニピュレータを吊り下げ支持する可撓性部材と、
前記医療用マニピュレータの３次元位置が変化した状態においても前記可撓性部材に一定の張力を付与する張力付与手段と、
前記張力付与手段を支持するアームと
を有することを特徴とする医療用マニピュレータシステム。 - 前記可撓性部材は、前記医療用マニピュレータの患者への最大挿入状態において、前記医療用マニピュレータの患者への挿入部の位置と前記医療用マニピュレータの重心位置との間の中間点より前記操作指令部側の位置で前記医療用マニピュレータを支持することを特徴とする請求項１記載の医療用マニピュレータシステム。
- 医療用マニピュレータとこの医療用マニピュレータを支持する支持機構とを備える医療用マニピュレータシステムであって、
前記医療用マニピュレータは、
操作指令部と、
一端側が前記操作指令部に接続された連結部と、
前記連結部の他端側に接続された作業部とを備え、
前記支持機構は、
前記医療用マニピュレータの３次元位置が変化した状態においても張力が概ね一定に保たれるように、前記医療用マニピュレータの患者への最大挿入状態において、前記医療用マニピュレータの患者への挿入部の位置と前記医療用マニピュレータの重心位置との間の中間点より前記操作指令部側の位置で前記医療用マニピュレータを吊り下げ支持する可撓性部材
を有することを特徴とする医療用マニピュレータシステム。 - 前記可撓性部材は、前記連結部の軸回りに回転自在な部材を介して前記医療用マニピュレータを吊り下げ支持する
ことを特徴とする請求項１および３に記載の医療用マニピュレータシステム。 - 前記支持機構を手術室天井面に設置し、前記可撓性部材の上端を手術室天井近傍に設けた
ことを特徴とする請求項１および３に記載の医療用マニピュレータシステム。 - 前記医療用マニピュレータと前記可撓性部材を着脱可能にした
ことを特徴とする請求項１および３に記載の医療用マニピュレータシステム。 - 前記支持機構はカウンタウエイトを有し、前記医療用マニピュレータは前記カウンタウエイトと釣り合い状態で前記支持機構に支持されている
ことを特徴とする請求項１および３に記載の医療用マニピュレータシステム。 - 前記医療用マニピュレータは、手術台に設置された前記支持機構によって支持されてい る
ことを特徴とする請求項１および３に記載の医療用マニピュレータシステム。 - 前記医療用マニピュレータは、移動台車に設置された前記支持機構によって支持されている
ことを特徴とする請求項１および３に記載の医療用マニピュレータシステム。
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