JP3727937B2 - Force detection device and manipulator - Google Patents
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Description
本発明は、マニピュレータ等の先端に取付けられ、先端にかかる先端力を測定する力覚検出装置及びこの力覚検出装置が組み込まれたマニュピレータに関し、特に、先端力を高精度に測定できるものに関する。 The present invention relates to a force detection device that is attached to a tip of a manipulator or the like and measures a tip force applied to the tip, and a manipulator in which the force detection device is incorporated, and particularly relates to a device that can measure the tip force with high accuracy.
胆嚢摘出手術等の腹腔鏡下手術においては、患者(被検体)の腹部に複数の小さな孔をあけ、これらの孔にトラカールという治具を取り付ける。そして、これらトラカールを介して、孔から内視鏡、鉗子等を挿入し、術者が内視鏡の映像をモニタ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とから、適用分野の拡大が期待されている。 In laparoscopic surgery such as cholecystectomy, a plurality of small holes are made in the abdomen of a patient (subject), and jigs called trocars are attached to these holes. Then, through these trocars, an endoscope, forceps and the like are inserted from the hole, and the surgeon performs an operation while viewing the image of the endoscope on the monitor. Since such a surgical method does not require laparotomy, the burden on the patient is small, and the number of days until postoperative recovery and discharge is greatly reduced, and therefore, the application field is expected to expand.
しかし、術者にとっては自由度の低い鉗子(例えばグリッパの開閉のみ)で手術を行わなければならず、熟練を要するものであった。そこで、鉗子の先端に複数の自由度を有する作業部(スレーブ部)を設け、基端側の駆動部(マスタ部)により鉗子先端を動作させるマスタスレーブ型の医療用マニピュレータの研究が進められている。 However, for the surgeon, the operation has to be performed with forceps having a low degree of freedom (for example, only opening and closing of the gripper), which requires skill. Therefore, research on a master-slave type medical manipulator in which a working unit (slave unit) having a plurality of degrees of freedom is provided at the distal end of the forceps and the distal end side driving unit (master unit) is operated is advanced. Yes.
マスタスレーブ型の医療用マニピュレータには、マスタ部とスレーブ部とが一体ではない遠隔型の医療用マニピュレータと、マスタ部とスレーブ部とがアームで連結されて一体となっている一体型とがある。遠隔型は、複数のアームを有するスレーブ部を患者の側に配置し、離れた所にあるマスタ部を術者が操作することで手術を行う。これは、システムとして大掛かりでありコストも高い。さらに緊急時への素早い対応ができない等の問題を含んでいる。 The master-slave type medical manipulator includes a remote type medical manipulator in which the master unit and the slave unit are not integrated, and an integrated type in which the master unit and the slave unit are integrated by an arm. . In the remote type, a slave part having a plurality of arms is arranged on the patient side, and an operation is performed by an operator operating a master part at a remote place. This is a large-scale system and expensive. Furthermore, it includes problems such as being unable to respond quickly to emergencies.
これに対し、一体型の医療用マニピュレータは、マスタ部とスレーブ部とをアームを介して連結させたものであり、アーム内部に駆動力伝達機構が設けられている。このような医療マニピュレータでは、従来の鉗子の利点である術者が行った方が簡単で確実な大きく素早い操作と、マニピュレータの利点である微細な作業や難しい角度からの操作の両方が可能となる。また、大きさも一般の手術器具とほぼ同じであり、従来の内視鏡下手術の環境下で使用することができる。このため、コスト、安全性ともに遠隔型の医療用マニピュレータに比べて優れている。なお、医療用マニピュレータにおいては、遠隔型・一体型どちらにおいても、操作できる自由度を増やすことで、操作性が向上し、術者にかかる負担が軽減される。 On the other hand, an integrated medical manipulator is obtained by connecting a master unit and a slave unit via an arm, and a driving force transmission mechanism is provided inside the arm. In such a medical manipulator, it is possible to perform both a simple and reliable large and quick operation, which is an advantage of the conventional forceps, and a fine work and an operation from a difficult angle which are the advantages of the manipulator. . Further, the size is almost the same as that of a general surgical instrument, and it can be used in the environment of a conventional endoscopic operation. For this reason, both cost and safety are superior to remote medical manipulators. In the medical manipulator, the operability is improved and the burden on the operator is reduced by increasing the degree of freedom of operation in both the remote type and the integrated type.
このようなマスタスレーブ型の医療用マニピュレータにおいては、さらなる操作性の向上を図るために、力覚・触覚の検出がなされることについての期待が大きい。すなわち、術者は、操作性、安全性の観点から自分の手と同じように手術を行うことを望んでおり、このためには力覚・触覚の検出と呈示が必要である。力覚・触覚とは、例えば、作業部グリッパの把持力、グリッパで掴んだものの触感、作業部先端にかかる力の先端力等である。その中でも先端力は、操作性及び安全性の向上という点を両立する有用な力覚情報である。すなわち、先端力がわかれば、操作性においては糸等把持したものをどの程度の力で引っ張っているか等検出でき、安全性においては臓器等との接触の度合いを検出することができる。 In such a master-slave type medical manipulator, there is a great expectation that force sense and tactile sense will be detected in order to further improve operability. In other words, the surgeon desires to perform an operation in the same manner as his / her hand from the viewpoint of operability and safety, and for this purpose, detection and presentation of force / tactile sensation is necessary. The force sense / tactile sense includes, for example, a gripping force of the working unit gripper, a tactile sensation of what is gripped by the gripper, a tip force of a force applied to the tip of the working unit, and the like. Among them, the tip force is useful haptic information that achieves both improvement in operability and safety. In other words, if the tip force is known, it is possible to detect how much the thread or the like is being pulled in terms of operability, and in terms of safety, it is possible to detect the degree of contact with an organ or the like.
しかしながら、遠隔型の医療用マニピュレータにおいては、物理的にマスタ部とスレーブ部が離れているので、力覚等の情報は全く術者にフィードバックされない。また、一体型の医療用マニピュレータにおいては大まかな力覚等の情報は術者にフィードバックされるものの、モータの重さやトラカールの摩擦等により減衰されて、細かな力覚等の情報はフィードバックされないという問題がある。このため、医療用マニピュレータにおいて、力覚・触覚情報を術者にフィードバックする試みが進められている。 However, in the remote medical manipulator, since the master part and the slave part are physically separated, information such as force sense is not fed back to the operator at all. In addition, in an integrated medical manipulator, information such as rough force sense is fed back to the operator, but it is attenuated by the weight of the motor, friction of the trocar, etc., and information such as fine force sense is not fed back. There's a problem. For this reason, in medical manipulators, attempts are being made to feed back force / tactile information to the surgeon.
医療用マニピュレータにおける先端力を求める方法として、作業部が接続されているアームに直接ひずみセンサを貼り、先端力がかかることでひずむアームのひずみ量を検出する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。これは、従来のロボットアームの作業部にかかる先端力を求める方法として、一般的に使われているものである。 As a method for obtaining the tip force in a medical manipulator, a method is known in which a strain sensor is directly attached to the arm to which the working unit is connected, and the strain amount of the arm that is distorted by the tip force is detected (for example, Patent Documents). 1). This is generally used as a method for obtaining the tip force applied to the working part of a conventional robot arm.
一方、体腔内に挿入された外套内に鉗子またはメス等の操作器を配置し、外套と操作器の間に力覚センサを設置するものが知られている(例えば特許文献2参照)。操作器先端が負荷力を受けると外套と操作器の間に力が働き、その力を力覚センサで検出することで先端力を求めるものである。この方法では、マニピュレータと物理的に分離しているため、従来の方法より滅菌洗浄性、電気的安全性を向上することができ、伝達機構の影響もほとんどない。
しかしながら上述した医療用マニュピレータであると次のような問題があった。すなわち、アームの先端付近に直接ひずみセンサを貼ったものでは、ひずみセンサ自体が表面に露出した状態で体腔内に入ることから、医療機器として必要な洗浄や滅菌に適した構造のものとする必要がある。また、ひずみセンサには通電されるものであるため、患者に対する電気的安全性を考慮する必要がある。 However, the above-described medical manipulator has the following problems. In other words, if a strain sensor is attached directly near the tip of the arm, the strain sensor itself enters the body cavity with the surface exposed, so it must have a structure suitable for cleaning and sterilization necessary for medical equipment. There is. In addition, since the strain sensor is energized, it is necessary to consider electrical safety for the patient.
また、アーム内には駆動力伝達機構が設けられているので、駆動力伝達機構の動作に伴って発生するアームへの応力による影響を受けることがあった。すなわち、駆動の伝達にワイヤを用いている場合、作業部を動作させるたびにワイヤ張力が変化し、アームに軸方向の力が加わる。このとき力覚検出部をアームに直接設置すると、ワイヤの張力変化による軸方向の力が検出されることとなり、検出の目的としている先端力との分離が困難であった。 In addition, since the driving force transmission mechanism is provided in the arm, the arm may be affected by the stress on the arm generated by the operation of the driving force transmission mechanism. That is, when a wire is used for drive transmission, the wire tension changes each time the working unit is operated, and an axial force is applied to the arm. At this time, if the force detection unit is directly installed on the arm, an axial force due to a change in the tension of the wire is detected, and it is difficult to separate it from the tip force that is the object of detection.
一方、体腔内に挿入された外套内に鉗子またはメス等の操作器を配置し、外套と操作器の間に力覚センサを設置するものでは、実際に検出される力は直接的な力ではなく、腹部等弾力のある部位に支持されたトラカールに、操作器が加える力を測っているので、先端力を高精度に検出することはできず、手術に必要な微妙な力感覚の違い等は検出できない。さらにこの方法では、外套と操作器との間に設置する力覚センサは、2箇所以上必要であり、その間隔もある程度必要となる。このため、コンパクトな構成を取ることは難しい。 On the other hand, when an operation device such as a forceps or a scalpel is placed in the mantle inserted into the body cavity and a force sensor is installed between the mantle and the operation device, the force actually detected is not a direct force. In addition, the force applied by the controller to the trocar supported by the elastic part such as the abdomen is measured, so the tip force cannot be detected with high accuracy, and there is a subtle difference in force sense necessary for surgery, etc. Cannot be detected. Further, in this method, two or more force sensors to be installed between the mantle and the manipulator are required, and the distance between them is also required to some extent. For this reason, it is difficult to take a compact configuration.
そこで本発明では、先端力のみを高感度に検出することができるとともに、滅菌洗浄性・電気的安全性に優れ、駆動力伝達機構からの影響を排除することができる力覚検出装置及びマニピュレータを提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, there is provided a force detection device and a manipulator that can detect only the tip force with high sensitivity, are excellent in sterilization cleaning property and electrical safety, and can eliminate the influence from the driving force transmission mechanism. The purpose is to provide.
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の力覚検出装置及びマニピュレータは次のように構成されている。 In order to solve the above problems and achieve the object, the force detection device and manipulator of the present invention are configured as follows.
(1)その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、このアーム部の先端側に設けられた作業部と、このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、上記固定部と上記係合部とを一体的に連結する連結部と、上記連結部の変形量を検出する変形量検出器とを備えていることを特徴とする力覚検出装置。 (1) An arm portion whose distal end is inserted into the subject, a working portion provided on the distal end side of the arm portion, and a drive portion provided on the proximal end side of the arm portion, the arm The portion is provided inside the inner tube that houses a driving force transmission mechanism that transmits the driving force from the driving unit side to the working unit, and is coaxially provided on the distal end side of the inner tube, and the inner tube is deformed. The force sense detecting unit is disposed at a position that is fixed to the outer peripheral wall of the inner tube and spaced apart in the axial direction with respect to the fixed portion. An engaging portion that is locked in a direction intersecting the axial direction with respect to the outer peripheral wall of the inner tube and is movably locked in the axial direction, the fixing portion, and the engaging portion. A connecting portion that is integrally connected; and a deformation amount detector that detects a deformation amount of the connecting portion. Force detecting apparatus according to claim.
(2)その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、このアーム部の先端側に設けられた作業部と、このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、上記固定部と上記係合部とを一体的に連結する連結部と、上記係合部が上記内管から受ける圧力を検出する圧力検出器とを備えていることを特徴とする。 (2) The arm includes an arm portion whose distal end is inserted into the subject, a working portion provided on the distal end side of the arm portion, and a drive portion provided on the proximal end side of the arm portion, The portion is provided inside the inner tube that houses a driving force transmission mechanism that transmits the driving force from the driving unit side to the working unit, and is coaxially provided on the distal end side of the inner tube, and the inner tube is deformed. The force sense detecting unit is disposed at a position that is fixed to the outer peripheral wall of the inner tube and spaced apart in the axial direction with respect to the fixed portion. An engaging portion that is locked in a direction intersecting the axial direction with respect to the outer peripheral wall of the inner tube and is movably locked in the axial direction, the fixing portion, and the engaging portion. A connecting portion that is integrally connected, and a pressure detector that detects a pressure that the engaging portion receives from the inner tube; Characterized in that it comprises.
(3)上記(1)に記載された力覚検出装置であって、上記連結部は、2組の平行平板構造で形成され、各平板に上記変形量検出器が取付けられていることを特徴とする。 (3) The force detection device according to (1), wherein the connecting portion is formed of two sets of parallel plate structures, and the deformation amount detector is attached to each plate. And
(4)上記(1)に記載された力覚検出装置であって、上記変形量検出器は、上記連結部における上記内管の軸方向に直交するとともに互いに直交する2軸方向に少なくとも一対ずつ取付けられていることを特徴とする。 (4) The force detection device according to (1), wherein the deformation detectors are at least one pair in two axial directions orthogonal to the axial direction of the inner tube and orthogonal to each other in the connecting portion. It is characterized by being installed.
(5)上記(1)または(2)に記載された力覚検出装置であって、上記係合部の内壁部と上記内管の外壁部との間に間隙が形成されていることを特徴とする。 (5) The force detection device according to (1) or (2), wherein a gap is formed between an inner wall portion of the engaging portion and an outer wall portion of the inner tube. And
(6)上記(1)または(2)に記載された力覚検出装置であって、上記係合部の内壁部と上記内管の外壁部とは、中心軸側から外周側へ傾いたテーパ状に接していることを特徴とする。 (6) In the force detection device described in (1) or (2) above, the inner wall portion of the engaging portion and the outer wall portion of the inner tube are tapered from the central axis side to the outer peripheral side. It is in contact with the shape.
(7)上記(1)または(2)に記載された力覚検出装置であって、上記力覚検出部は絶縁材で形成されていることを特徴とする。 (7) The force sense detection device according to (1) or (2), wherein the force sense detection unit is formed of an insulating material.
(8)上記(1)または(2)に記載された力覚検出装置であって、上記力覚検出部の上記固定部及び上記係合部は絶縁材で形成され、上記連結部は金属材で形成されていることを特徴とする。 (8) The force detection device according to (1) or (2), wherein the fixing portion and the engagement portion of the force detection portion are formed of an insulating material, and the connection portion is a metal material. It is formed by.
(9)その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、このアーム部の先端側に設けられた作業部と、このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、上記固定部と上記係合部とを連結する連結部と、上記連結部の変形量を検出する変形量検出器と、この変形量検出器で検出された変形量に基づいて上記内管に作用する外力を提示する提示部とを備えていることを特徴とする。 (9) An arm portion whose distal end is inserted into the subject, a working portion provided on the distal end side of the arm portion, and a drive portion provided on the proximal end side of the arm portion, the arm The portion is provided inside the inner tube that houses a driving force transmission mechanism that transmits the driving force from the driving unit side to the working unit, and is coaxially provided on the distal end side of the inner tube, and the inner tube is deformed. The force sense detecting unit is disposed at a position that is fixed to the outer peripheral wall of the inner tube and spaced apart in the axial direction with respect to the fixed portion. An engaging portion that is locked in a direction intersecting the axial direction with respect to the outer peripheral wall of the inner tube and is movably locked in the axial direction, the fixing portion, and the engaging portion. A connecting portion to be connected, a deformation amount detector for detecting the deformation amount of the connecting portion, and the deformation amount detector Based on the amount of deformation is characterized in that it comprises a presentation unit that presents the external force acting on the pipe above.
(10)その先端側が被検体内に挿入されるアーム部と、このアーム部の先端側に設けられた作業部と、このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、上記固定部と上記係合部とを連結する連結部と、上記係合部が上記内管から受ける圧力を検出する圧力検出器と、この圧力検出器で検出された圧力変化に基づいて上記内管に作用する外力を提示する提示部とを備えていることを特徴とする。 (10) The arm includes an arm portion whose distal end is inserted into the subject, a working portion provided on the distal end side of the arm portion, and a drive portion provided on the proximal end side of the arm portion. The portion is provided inside the inner tube that houses a driving force transmission mechanism that transmits the driving force from the driving unit side to the working unit, and is coaxially provided on the distal end side of the inner tube, and the inner tube is deformed. The force sense detecting unit is disposed at a position that is fixed to the outer peripheral wall of the inner tube and spaced apart in the axial direction with respect to the fixed portion. An engaging portion that is locked in a direction intersecting the axial direction with respect to the outer peripheral wall of the inner tube and is movably locked in the axial direction, the fixing portion, and the engaging portion. A connecting portion to be connected, a pressure detector for detecting the pressure received by the engaging portion from the inner tube, and Based on the detected pressure change in the force detector, characterized in that it comprises a presentation unit that presents the external force acting on the pipe above.
本発明によれば、先端力のみを高感度に検出することができるとともに、滅菌洗浄性・電気的安全性に優れ、駆動力伝達機構からの影響を排除することが可能となる。 According to the present invention, only the tip force can be detected with high sensitivity, and it is excellent in sterilization cleaning property and electrical safety, and the influence from the driving force transmission mechanism can be eliminated.
図1は本発明の第1の実施の形態に係る力覚検出部100が組み込まれたマスタスレーブ型の医療用マニピュレータ10を示す斜視図、図2は同医療用マニピュレータ10の先端側を拡大して示す断面図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a master-slave type
医療用マニピュレータ10は、被検体Bの体腔内に挿入され作業を行う作業部20と、
術者が作業部20を操作するための駆動部30と、これら作業部20と駆動部30とを連結するアーム部40とを備えている。
The
A driving
アーム部40は、内管50と、この内管50の内部に設けられ、駆動部30での駆動力を作業部20に伝達するための駆動力伝達機構60と、アーム部40の先端側の外周に着脱自在に取付けられた力覚検出部100とを備えている。なお、図1中Tは被検体Bの腹壁Baに刺されたトラカールを示している。
The
駆動部30は、術者がアーム部40を保持する保持部31と、この保持部31に取付けられ、作業部20を操作するための操作を行う操作ハンドル32,33と、この操作ハンドル32,33の操作に基づいて駆動力を発生する駆動部34と、術者がアーム部40を介して受ける力を検出するための力覚センサ35とを備えている。保持部31には警告ランプ等の提示部36が設けられている。提示部36は警告ランプの他、メータ、スピーカ等のように術者が感知できるものであれば他のものでもよい。
The
図2は、作業部20、内管50及び力覚検出部100を一部切欠して示す側面図である。内管50の先端には、ネジ部51と、係止部52とが設けられている。
FIG. 2 is a side view showing the working
力覚検出部100は、作業部20にかかる外力である先端力を検出し、術者に提示するために設けられたものであり、絶縁材製の外管110を備えている。外管110は、その内壁面側で内管50のネジ部51に螺合されて着脱自在とされた固定部120と、内管50の係止部52に係合する係合部130と、これら固定部120及び係合部130を一体的に連結するとともに内管50の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部140とを備えている。なお、係合部130の内周面と係止部52の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部52の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部130に伝達される。図2中131は貫通孔を示している。
The force
連結部140は、円筒状に形成されており、図3に示すように、横コの字型のスリットSが4箇所形成されることで、平板141〜144(143は不図示)が形成されている。これら平板141と平板143、平板142と平板144とは互いに平行で、かつ、対向した位置に配置されていることから、平行平板構造が2組が形成されることとなる。各平板141〜144の内壁面側には、周方向に沿って90度毎に配置された4つのひずみゲージ151〜154が設けられており、それぞれ平行平板構造の対向する位置に配置されている。すなわち、力覚検出部100にかかる先端力を軸方向に直交する2軸方向に分解して検出することができる。
The connecting
ひずみゲージ151〜154は、コーティング剤155により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ151〜154に接続されたリード線157は係合部130に設けられた貫通孔131を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部30まで案内されている。
The strain gauges 151 to 154 are covered with a coating agent 155 and have water resistance and heat resistance. The
このように構成された医療用マニピュレータ10では、次のようにして手術等を行うと同時に先端力を検出する。すなわち、トラカールTを被検体Bの腹壁Baに刺し、医療用マニピュレータの作業部20とアーム部40をトラカールTから挿入する。そして、作業部20を患部に位置決めし、術者は駆動部30を操作し手術等を行う。このとき、作業部20に臓器からの反力等からなる先端力が加わる。この先端力が内管50を僅かに変形させる。この変形に伴って内管50の係止部52から力覚検出部100の係合部130に伝達され、連結部140が変形する。この変形量がひずみゲージ151〜154により検出され、先端力(力及び方向)が算出され、先端力が臓器や手術用糸の許容力に近付いた場合に、提示部36の警告ランプが点灯する。
In the
なお、内管50の変形が力覚検出部100に伝達される際、係合部130は係止部52に対し、径方向に係止され、軸方向には規制されていないことから、内管50の変形のうち径方向のみの変形が係合部130に伝達されることとなる。したがって、駆動力伝達機構60の動作に伴う内管50の軸方向への変形は係合部130には伝達されず、ひずみゲージ151〜154では内管50に作用する先端力のみを検出することが可能となる。したがって、駆動力伝達機構60によりアーム部40の軸方向に加わる力の影響を排除することができる。
When the deformation of the
また、上述したように、連結部140には、スリットSが形成されていることから、先端力が加わったときに変形しやすくなり、検出感度を向上することができる。さらに、平行平板構造となっているので、先端力を2軸方向に分解して検出することができる。
In addition, as described above, since the
さらに、術者にはアーム部40を介して直接先端にかかる力がフィードバックされるが、力覚検出部100と力覚センサ35で検出される力を比較し、違いがある場合には、それを術者に呈示する。これにより、不足している力覚情報を補うことができ、医療用マニピュレータの操作性を向上できる。
Furthermore, the force applied directly to the tip is fed back to the surgeon via the
なお、力覚検出部100の固定部120によるねじにより着脱可能である。すなわち、滅菌洗浄等に耐え得るとともに繰り返し使用される高価なマニピュレータ本体(作業部20・駆動部30・アーム部40・駆動力伝達部60)に対して、比較的安価な力覚検出部100を使い捨てにすることが可能である。このため、アーム部に力覚検出部が固定されたタイプの医療用マニピュレータに比べ、コスト等の点でメリットを有する。
In addition, it can be attached or detached by a screw by the fixing
また、力覚検出部100としてプラスチック等の絶縁材を用いることによりひずみゲージ151〜154の電気的絶縁性を充分に確保することができる。
Further, by using an insulating material such as plastic as the
上述したように、本発明の第1の実施の形態に係る医療用マニピュレータ10によれば、アーム部40の先端側に作用する力のうち、軸方向に交差する方向のみを力覚検出部100に伝達するようにしているので、駆動力伝達機構60等の影響を排除し、術者が知りたい先端力のみを検出することが可能となり、糸の断線を防いだり、臓器が傷つくのを防ぐことができる。また、力覚検出部100のひずみゲージ151〜154は外部に露出していない構造であるため、電気的安全性を確保できる。さらに、着脱式であることから、使い捨てとして使用することができる。
As described above, according to the
なお、上述した医療用マニピュレータ10は一体型のもので説明したが、遠隔型に適用してもよい。なお、この場合は術者が離隔した位置から駆動部30をロボットアーム等により操作することとなる。
In addition, although the
図5は本発明の第2の実施の形態に係る力覚検出部200周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図5において図2と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
FIG. 5 is a side view showing a part of the periphery of the
力覚検出部200は、外管210を備えている。外管210は、その内壁面側で内管50のネジ部51に螺合されて着脱自在とされた固定部220と、内管50の係止部52に係合する係合部230と、これら固定部220及び係合部230を嵌合により連結するとともに内管50の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部240とを備えている。なお、係合部230の内周面と係止部52の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部52の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部230に伝達される。
The force
連結部240は、円筒状に形成されており、内壁面側には、周方向に沿って90度毎に配置された4つのひずみゲージ251〜254(252,254は不図示)が設けられている。すなわち、力覚検出部200にかかる先端力を軸方向に直交する2軸方向に分解して検出することができる。
The connecting
ひずみゲージ251〜254は、コーティング剤255により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ251〜254に接続されたリード線256は係合部230に設けられた貫通孔231を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部30まで案内されている。
The strain gauges 251 to 254 are covered with a
固定部220及び係合部230は絶縁材で形成されており、連結部240は固定部220や係合部230等の他の部材と比べて剛性の低い材質の金属材で形成されている。
The fixing
本第2の実施の形態に係る力覚検出部200を用いた医療用マニピュレータ10においても、上述した第1の実施の形態に係る力覚検出部100を用いた医療用マニピュレータ10と同様の効果を得ることができる。また、連結部240のみを非絶縁体である金属材とすることで、医療機器として充分な電気的安全性を確保しつつ、先端力を受けたときのたわみ量が大きく検出精度を向上させることができるというメリットがある。また、プラスチック等の絶縁材に比べて加工が容易というメリットもある。
Also in the
図6は本発明の第3の実施の形態に係る力覚検出部300周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図6において図2と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
FIG. 6 is a side view showing a part of the periphery of the
力覚検出部300は、外管310を備えている。外管310は、その内壁面側で内管50のネジ部51に螺合されて着脱自在とされた固定部320と、内管50の係止部52に係合する係合部330と、これら固定部320及び係合部330を一体的に連結するとともに内管50の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部340とを備えている。なお、係合部330の内周面と係止部52の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部52の動きのうち軸方向に交差する方向への圧力のみが係合部330に伝達される。
The force
係合部330の係止部52との当接部には、周方向に沿って90度毎に配置された4つの感圧センサ331〜334(332,334は不図示)が設けられている。感圧センサ331〜334は、圧電素子や感圧フィルム等から構成されている。これら感圧センサ331〜334により力覚検出部300にかかる先端力を軸方向に直交する2軸方向に分解して検出することができる。感圧センサ331〜334はパッキング335により覆われており、耐水性を有している。なお、感圧センサ331〜334に接続されたリード線336は図示しないカバーに覆われて駆動部30まで案内されている。また、感圧センサ331〜334は、係合部330と係止部52の間全体にベルトのように配置してもよい。
Four pressure-
本第3の実施の形態に係る力覚検出部300を用いた医療用マニピュレータ10によれば、先端力が加わると、係合部330と係止部52との間に力が加わり、感圧センサ331〜334により圧力として検出される。感圧センサ331〜334は、圧電素子や感圧フィルム等から構成される分布型の圧力センサであるため、先端力を高精度に検出することができ、上述した第1の実施の形態に係る力覚検出部100を用いた医療用マニピュレータ10と同様の効果を得ることができる。
According to the
図7は本発明の第4の実施の形態に係る力覚検出部400周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図7において図2と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
FIG. 7 is a side view showing a part of the periphery of the force
力覚検出部400は、その内壁面側で内管50のネジ部51に螺合されて着脱自在とされた固定部420と、内管50の係止部52に係合する係合部430と、これら固定部420及び係合部430を嵌合により連結するとともに内管50の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部440とを備えている。なお、係合部430の内周面と係止部52の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部52の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部430に伝達される。
The force
連結部440は、上述した連結部140と同様に、2組の平行平板構造で形成されており、各平板441〜444の内壁面側には、4つのひずみゲージ451〜454(452,454は不図示)が設けられている。すなわち、力覚検出部400にかかる先端力を軸方向に直交する2軸方向に分解して検出することができる。
Similar to the
ひずみゲージ451〜454は、コーティング剤455により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ451〜454に接続されたリード線456は係合部430に設けられた貫通孔431を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部30まで案内されている。
The strain gauges 451 to 454 are covered with a
内管50のうち連結部440に覆われる部位55についても横コの字型のスリットSが4箇所形成されることで、平行平板構造が2組形成されている。
As for the
本第4の実施の形態に係る力覚検出部400を用いた医療用マニピュレータ10においても、上述した第1の実施の形態に係る力覚検出部100を用いた医療用マニピュレータ10と同様の効果を得ることができるとともに、内管50の部位55の変形を容易にし、それに伴う連結部440の変形を拡大することで、結果的に測定感度を高くすることが可能となる。
Also in the
図8は本発明の第5の実施の形態に係る力覚検出部500周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図8において図2と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
FIG. 8 is a side view showing a part of the periphery of the force
力覚検出部500は、絶縁材製の外管510を備えている。外管510は、その内壁面側で内管50のネジ部51に螺合されて着脱自在とされた固定部520と、内管50の係止部52に係合する係合部530と、これら固定部520及び係合部530を一体的に連結するとともに内管50の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部540とを備えている。なお、係合部530の内周面と係止部52の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部52の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部530に伝達される。図8中531は貫通孔を示している。
The force
連結部540は、円筒状に形成されており、その内壁面側には、周方向に沿って90度毎に配置された4つのひずみゲージ551〜554(552,554は不図示)が設けられており、それぞれ平行平板構造の対向する位置に配置されている。すなわち、力覚検出部500にかかる先端力を軸方向に直交する2軸方向に分解して検出することができる。
The connecting
ひずみゲージ551〜554は、コーティング剤555により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ551〜554に接続されたリード線556は係合部530に設けられた貫通孔531を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部30まで案内されている。
The strain gauges 551 to 554 are covered with a
本第5の実施の形態に係る力覚検出部500においては、係合部530と係止部52との接触面が中心軸側から外周側へ傾いたテーパ状に形成されている。係合部530の内周面と係止部52の外周面とが平行である場合、加工誤差等があると接触されない場合があり、検出感度に影響を与える。テーパ状に形成することにより、外管510に軸方向の力がかかると係合部530と係止部52とが確実に接触することになり、検出感度を確実に保つことができる。
In the force
図9は本発明の第6の実施の形態に係る力覚検出部600周辺を一部切欠して示す側面図である。なお、図9において図2と同一機能部分には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
FIG. 9 is a side view showing a part of the periphery of the
力覚検出部600は、絶縁材製の外管610を備えている。外管610は、その内壁面側で内管50のネジ部51に螺合されて着脱自在とされた固定部620と、内管50の係止部52に係合する係合部630と、これら固定部620及び係合部630を一体的に連結するとともに内管50の外壁面と所定の間隔だけ離間して形成された連結部640とを備えている。なお、係合部630の内周面と係止部52の外周面とは接触するようになっており、後述するように係止部52の動きのうち軸方向に交差する方向への動きのみが係合部630に伝達される。図9中631は貫通孔を示している。
The force
連結部640は、円筒状に形成されており、その内壁面側には、周方向に沿って90度毎に配置された4つのひずみゲージ651〜654(652,654は不図示)が設けられており、それぞれ平行平板構造の対向する位置に配置されている。すなわち、力覚検出部600にかかる先端力を軸方向に直交する2軸方向に分解して検出することができる。
The connecting
ひずみゲージ651〜654は、コーティング剤655により覆われており、耐水性、耐熱性を有している。なお、ひずみゲージ651〜654に接続されたリード線657は係合部630に設けられた貫通孔631を通り、図示しないカバーに覆われて駆動部30まで案内されている。
The strain gauges 651 to 654 are covered with a
本第5の実施の形態に係る力覚検出部600においては、係合部630と係止部52との間に一定寸法の間隙Gが形成されている。このため、先端力が小さい場合には、内管50の変形量が少ないため、その変形が力覚検出部600に伝達されず、ひずみゲージ651〜655では検出されない。このため、大きな先端力のみを検出する場合に適用可能である。
In the force
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
本発明によれば、内管の変形のうち軸方向に交差する変形のみを外管に伝達することで、先端力のみを高感度に検出することができるとともに、滅菌洗浄性・電気的安全性に優れ、駆動力伝達機構からの影響を排除することが可能な力覚検出装置及びマニピュレータが得られる。 According to the present invention, by transmitting only the deformation intersecting the axial direction of the deformation of the inner tube to the outer tube, it is possible to detect only the tip force with high sensitivity, as well as sterilization washing and electrical safety. Thus, a force detection device and a manipulator capable of eliminating the influence from the driving force transmission mechanism can be obtained.
10…医療用マニピュレータ、20…作業部、30…駆動部、40…アーム部、50…内管、60…駆動力伝達機構、100,200,300,400,500,600…力覚検出部、ひずみゲージ151〜154,251〜254,451〜454,551〜554,651〜654、感圧センサ331〜334。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、
上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、
この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、
上記固定部と上記係合部とを一体的に連結する連結部と、
上記連結部の変形量を検出する変形量検出器とを備えていることを特徴とする力覚検出装置。 An inner pipe,
A coaxial force sensor is provided on the distal end side of the inner tube, and a force detection unit that transmits the deformation of the inner tube.
The force sense detection unit is fixed to the outer peripheral wall of the inner tube,
It is disposed at a position spaced apart in the axial direction with respect to the fixed portion, and is locked with respect to a direction intersecting the axial direction with respect to the outer peripheral wall of the inner tube and is movably locked in the axial direction. Engaged portions;
A connecting portion that integrally connects the fixed portion and the engaging portion;
A force detection device comprising: a deformation amount detector for detecting a deformation amount of the connecting portion.
この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、
上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、
この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、
上記固定部と上記係合部とを一体的に連結する連結部と、
上記係合部が上記内管から受ける圧力を検出する圧力検出器とを備えていることを特徴とする力覚検出装置。 An inner pipe,
A coaxial force sensor is provided on the distal end side of the inner tube, and a force detection unit that transmits the deformation of the inner tube.
The force sense detection unit is fixed to the outer peripheral wall of the inner tube,
It is disposed at a position spaced apart in the axial direction with respect to the fixed portion, and is locked with respect to a direction intersecting the axial direction with respect to the outer peripheral wall of the inner tube and is movably locked in the axial direction. Engaged portions;
A connecting portion that integrally connects the fixed portion and the engaging portion;
A force detection device comprising: a pressure detector that detects a pressure received by the engagement portion from the inner tube.
このアーム部の先端側に設けられた作業部と、
このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、
上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、
この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、
上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、
この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、
上記固定部と上記係合部とを連結する連結部と、
上記連結部の変形量を検出する変形量検出器と、
この変形量検出器で検出された変形量に基づいて上記内管に作用する外力を提示する提示部とを備えていることを特徴とするマニピュレータ。 An arm part whose distal end is inserted into the subject;
A working part provided on the tip side of the arm part;
A drive portion provided on the base end side of the arm portion,
The arm portion includes an inner pipe that houses a driving force transmission mechanism that transmits a driving force from the driving portion side to the working portion.
A coaxial force sensor is provided on the distal end side of the inner tube, and a force detection unit that transmits the deformation of the inner tube.
The force sense detection unit is fixed to the outer peripheral wall of the inner tube,
It is disposed at a position spaced apart in the axial direction with respect to the fixed portion, and is locked with respect to a direction intersecting the axial direction with respect to the outer peripheral wall of the inner tube and is movably locked in the axial direction. Engaged portions;
A connecting portion for connecting the fixing portion and the engaging portion;
A deformation amount detector for detecting the deformation amount of the connecting portion;
A manipulator comprising: a presentation unit for presenting an external force acting on the inner tube based on a deformation amount detected by the deformation amount detector.
このアーム部の先端側に設けられた作業部と、
このアーム部の基端側に設けられた駆動部とを備え、
上記アーム部は、内部に上記駆動部側から上記作業部への駆動力を伝達する駆動力伝達機構を収容する内管と、
この内管の先端側に同軸的に設けられるとともに、上記内管の変形が伝達される力覚検出部とを備え、
上記力覚検出部は、上記内管の外周壁に固定される固定部と、
この固定部に対し軸方向に離間した位置に配置されるとともに、上記内管の外周壁に対し上記軸方向に交差する方向に対して係止され、かつ、上記軸方向へ移動可能に係止された係合部と、
上記固定部と上記係合部とを連結する連結部と、
上記係合部が上記内管から受ける圧力を検出する圧力検出器と、
この圧力検出器で検出された圧力変化に基づいて上記内管に作用する外力を提示する提示部とを備えていることを特徴とするマニピュレータ。 An arm part whose distal end is inserted into the subject;
A working part provided on the tip side of the arm part;
A drive portion provided on the base end side of the arm portion,
The arm portion includes an inner pipe that houses a driving force transmission mechanism that transmits a driving force from the driving portion side to the working portion.
A coaxially provided on the distal end side of the inner tube, and a force detection unit to which the deformation of the inner tube is transmitted,
The force sense detection unit is fixed to the outer peripheral wall of the inner tube,
It is disposed at a position spaced apart in the axial direction with respect to the fixed portion, and is locked with respect to a direction intersecting the axial direction with respect to the outer peripheral wall of the inner tube and is movably locked in the axial direction. Engaged portions;
A connecting portion for connecting the fixing portion and the engaging portion;
A pressure detector for detecting the pressure received by the engagement portion from the inner tube;
A manipulator comprising: a presentation unit for presenting an external force acting on the inner tube based on a pressure change detected by the pressure detector.
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