JP4022534B2 - 医療用マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、腹腔鏡下手術等に用いられる医療用マニピュレータに関する。

腹腔鏡下手術は患者の腹部に小さな穴を複数個あけて、それにトラカールという細い筒
を取り付けて、内視鏡や鉗子等を挿入して、術者が内視鏡からの映像をテレビに映し、そ
の画面を見ながら手術を行っている。このような手術法は、開腹を必要としないため、患
者への負担が少なく、術後の回復も早く、入院日数が大幅に低減されている。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。

腹腔鏡下手術は、患者への負担が少ないという点で優れた手術方法であるが、術者が術
部の実像を見られない、また、鉗子には開閉するグリッパ機能しかなく操作性がよくない
という問題点がある。そのため、前述の手術方法で適切な処置により腹腔鏡下手術を行え
る術者は熟練した技術を身につけた医師に限定されていた。

このような課題に対して、マスタースレーブマニピュレータ等の遠隔操作型ロボット技
術を医療分野へ応用することが研究されている。遠隔操作型ロボット技術は、術者が操作
するマスターアームと、実際に術部に処置を施すスレーブアームとが、完全に分離したロ
ボットシステムであり、マスターアームの指令値が電気信号としてスレーブアームに伝わ
るものである。
特開2000-350735公報

通常、マスターアームとスレーブアームとは、ともに６自由度以上の関節数を有してお
り、それぞれの自由度に対応してコントローラが設けられ、電気的に多数の制御系、部品
、配線を有する複雑なシステムとなっている。複雑なシステムのため、マスタースレーブ
マニピュレータシステムの操作に関する信頼性は高いレベルになく、メンテナンス費用が
高価である。

また、術者は処置に適切な処置部を複数使用して手術を行うことから、処置部の機能が
異なるスレーブアームが複数必要になる。そのためスレーブアームが非常に高価なものに
なり、さらに複数のスレーブアームのメンテナンスにも手間がかかるという問題がある。

一方、スレーブアームは細径である必要があり、その動力伝達にはワイヤとプーリを用
いた方式が主であり、動力源から駆動部までの間にはワイヤが連結されていることから、
先端部分のみを取り外すことは機構的に不可能であった。複雑に配置されたワイヤの伸び
によるメンテナンスは細径であることから、作業に時間がかかるとともに専門的技術を要
求される作業であることから、システムが高価なものになっていた。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、機構を単純化して信頼性とメ
ンテナンス性を向上させ、低コスト化をはかった医療用マニピュレータを提供することを
目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、操作司令部と、前記操作司令部からの信号に
より駆動される第１乃至第２のモータを有する駆動部と、前記第１のモータの動力を、前
記回転軸が形成された第１の方向とは異なる第２の方向に軸を有する回動力として伝達す
る第１の動力伝達部と、前記第１の動力伝達部の動力を、伝達しかつ前記回転軸まわりの
回動力に変換する第２の動力伝達部と、前記第２のモータの動力を、前記第２の方向に軸
を有する回動力として伝達する第３の動力伝達部と、前記第３の動力伝達部の動力を、伝
達しかつ前記回転軸まわりの回動力に変換する第４の動力伝達部と、前記第３の動力伝達
部が伝達する動力によって前記回転軸周りに回動する第１のグリッパと、前記第４の動力
伝達部が伝達する動力によって前記回転軸周りに回動する第２のグリッパと、を備え、前
記第１のグリッパと前記第２のグリッパを互いに逆位相で動作させることにより開閉動作
し、前記第１のグリッパと前記第２のグリッパを互いに同位相で動作させることにより前
記回転軸周りに回動し、さらに前記第１の動力伝達部と第２の動力伝達部とを互いに着脱
可能に嵌合連結或いは開放し、かつ前記第３の動力伝達部と第４の動力伝達部とを互いに
着脱可能に嵌合連結或いは開放する着脱手段とを有することを特徴とする医療用マニピュ
レータを提供する。

ここで、前記第１の動力伝達部は、第１の歯車を有し、前記第２の動力伝達部は、第２
の歯車を有し、前記第１の動力伝達部と前記第２の動力伝達部が嵌合連結されたときに、
前記第１の歯車と前記第２の歯車が噛み合うものであってもよい。

前記第３の動力伝達部は、第３の歯車を有し、前記第４の動力伝達部は、第４の歯車を
有し、前記第３の動力伝達部と前記第４の動力伝達部が嵌合連結されたときに、前記第３
の歯車と前記第４の歯車が噛み合うものであってもよい。

前記第１の動力伝達部が前記第１のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第
５の動力伝達部が前記第３のモータの動力を回動力として伝達する軸とが共通であっても
よい。

前記第１の動力伝達部が前記第１のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第
３の動力伝達部が前記第２のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第５の動力
伝達部が前記第３のモータの動力を回動力として伝達する軸とが共通であってもよい。

本発明によれば、処置部が支持部から着脱できる構造のため、操作指令部と連結部から
なるアームに対して、複数の処置部を容易に付け替え可能になり、低コストでメンテナン
ス性が優れた医療用マニピュレータを実現できる。

本発明によれば、処置部が支持部から着脱できる構造のため、操作指令部と連結部から
なるアームに対して、複数の処置部が容易に取り付けることが可能になり、低コストでメ
ンテナンス性が優れる医療用マニピュレータを提供することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、医療用マニピュレータの全体概略構成を示す図である。医療用マニピュレータ
１は、操作指令部２と、作業部３と、両端が操作指令部２と作業部３とに接続された連結
部４とを備えている。術者は、患者の腹部に取り付けたトラカール５に医療用マニピュレ
ータ１を挿入して、操作指令部２を操作して手術を行う。作業部３は術部に処置を施す処
置部としてのグリッパ３１と、グリッパ３１を２自由度で姿勢変更可能に支持するＡ軸支
持部３２、Ｂ軸支持部３３とを有している。グリッパ３１は開閉動作する構成になってい
る。Ａ軸支持部３２は、グリッパ３１の開閉軸部を支持するともにＡ軸周りにグリッパ３
１全体を回動する構成になっている。Ｂ軸支持部３３は、Ａ軸支持部３２の全体を支持す
るとともに、Ｂ軸周りにＡ軸支持部３２を回動するようになっている。

操作指令部２は、姿勢操作部としてのハンドル２１と処置部操作部としての指操作部２
２を有している。指操作部２２はハンドル２１を握る手の指が挿入される２つの指挿入部
２２ａ，２２ｂを有している。指挿入部２２ａ，２２ｂは指の動きにあうように回動する
構成になっている。指挿入部２２ａ，２２ｂには、開閉の移動量を検出するセンサ（図示
せず）が設けられている。ハンドル２１は連結部４側に配置される台座部２１ａと旋回ア
ーム２６と、操作者の手によって把持される把持部２１ｂとを有している。台座部２１ａ
と旋回アーム２６は、Ｃ軸回動部２３を介して接続されており、把持部２１ｂはＣ軸周り
に回転可能になっている。旋回アーム２６と把持部２１ｂはＤ軸回動部２４を介して接続
されており、把持部２１ｂはＤ軸周りに回転可能になっている。図示しないがＣ軸回動部
２３と、Ｄ軸回動部２４には回転角センサが備えられている。指挿入部２２ａ、２２ｂの
開閉による当該センサ値を、グリッパ３１ａ、３１ｂの開閉動作に対応させている。同様
に、Ｃ軸回動部２３のセンサ値をＡ軸の回転角度に、Ｄ軸回動部２４のセンサ値をＢ軸の
回転角度にそれぞれ対応させている。

また、本実施の形態では、連結部４と台座２１ａとの間に駆動部４０を設けている。駆
動部４０は前述の角軸センサからの検出信号に基づいて、対応する駆動部４１、４２、４
３から動力を作業部３のグリッパ３１、Ａ軸支持部３２、Ｂ軸支持部３３に伝達する構造
になっている。

図２は、本発明の医療用マニピュレータ１の駆動部４０から作業部３への動力伝達系統
図を、図３は作業部３の概略断面図を示したものである。先端部３のグリッパ３１ａは、
駆動部４１のモータＭ１の動力で駆動される。モータＭ１の動力は歯車ユニットＧ１を介
して、棒状のチューブからなる動力伝達部Ｔ１に伝えられる。この動力伝達部Ｔ１は連結
部４の軸心に平行なＳ軸周りに回動して、端部に取り付かれている歯車５１ａを介して、
歯車５２ａを回動させる。歯車５２ａは軸Ｂ上に回動できるように取り付けられており、
軸Ｓ周りの回転を軸Ｂ周りの回転に変換させている。歯車５２ａは歯車５３ａとかみ合う
ような歯形が、５１ａとかみ合う面とは反対側に構成されている。歯車５２ａは歯車５３
ａを介して、歯車５４ａを回動させる。そして、歯車５４ａは、グリッパ３１ａが取り付
けられている歯車５５ａとかみ合っており、歯車５５ａを軸Ａ周りに回動させる。同様に
、作業部３のグリッパ３１ｂも駆動部４２のモータＭ２によって駆動される。モータＭ２
の回転動力は、歯車ユニットＧ２、動力伝達部Ｔ２、歯車５１ｂ、歯車５２ｂ、歯車５３
ｂ、歯車５４ｂと伝わり、グリッパ３１ｂが取り付けられている歯車５５ｂを軸Ａ周りに
回動させて、グリッパ３１ｂの開閉を行っている。歯車５２は、歯車５１と歯車５３と同
時にかみ合う必要があるので、図３に示すように、軸Ｂ上に歯車９１ａ、歯車９１ｂを用
いて歯車５３ａ、歯車５３ｂに回転させてもかまわない。本構成で使用されている歯車５
１と歯車５２、歯車５４と歯車５５は平歯車とフェースギヤで組み合わせのものか、ある
いは、かさ歯車で組み合わせたものである。処置部３のサイズは１５ｍｍ以下にする必要
があり、細径サイズの歯車製作には平歯車とフェースギヤは適している。また、フェース
ギヤは軸方向を調整することでバックラッシュを調整できる機構であるため、本提案の形
態には最適な組み合わせであると言える。

Ａ軸支持部３２は、Ｂ軸支持部３３の歯車７２に連結されている。歯車７２は、駆動部
４０のモータＭ３の動力で軸Ｂ周りを回動できる。モータＭ３の回転動力を歯車ユニット
Ｇ３、動力伝達部Ｔ３、歯車７１を介して歯車７２に伝達される。同様に、歯車７１と歯
車７２は平歯車とフェースギヤの組み合わせが適当である。歯車７２は支持部材８４に連
結されており、Ａ軸支持部３２を軸Ｂ周りに回動させる。

本実施の形態では、グリッパ３１ａとグリッパ３１ｂをそれぞれ単独で軸Ａ周りに回動
できる構成になっている。そのためグリッパの開閉軸とＡ軸は同軸になっている。グリッ
パ３１ａとグリッパ３１ｂを逆位相で動作させれば、開閉動作ができ、同位相で動作させ
れば、軸Ａ周りに回転することができる。駆動部４０からの動力伝達は歯車機構を用いて
いることから、Ａ軸支持部３２はＢ軸支持部３３から容易に取り外すことができる。Ｂ軸
支持部３３の支持部材８４とＡ軸支持部３２の支持部材８１は回転拘束され、かつ、精密
に位置決めを行うことができる構成（図示せず）になっており、着脱部材８３を介して嵌
合結合されている。本実施の形態では、着脱部材８３としてピンを用いた構成にしている
が、ネジ等の方式でも構わない。

Ａ軸支持部３２とＢ軸支持部３３が機構的には独立した構成になっていることから、駆
動部４０からの動力伝達方式は棒状チューブを用いた方式に限定されるものでない。ワイ
ヤ７５とプーリ７６、７７を用いた動力伝達方式でも構わない。図２に示すように、モー
タＭ４と歯車ユニットＧ４をプーリ７６、７７の回転軸と平行に設置し、ワイヤ７５はそ
れぞれのプーリ７６、７７に巻き付けて、動力を伝達させる。プーリ７７はＢ軸に回転可
能に設置しているため、前述した歯車構成を用いることでグリッパ３１ａとグリッパ３１
ｂを動作させることができる。棒状チューブを用いた方式は、大きな動力を得ることがで
き、機械的なガタが生じにくいというメリットがある。一方、ワイヤとプーリ方式は、軽
量化できるというメリットを持っている。両者ともメンテナンスは簡素となっている。

駆動部４０からの動力伝達の別の実施形態を図４に示す。モータ９３の回転を歯車９４
に伝え、歯車９４に構成されたロッド状伝達部材９５を介して、先端の歯車９６を回動さ
せる。歯車９６には処置部９７が取り付けられた歯車９８が噛み合っており、処置部９７
は回動される。ロッド状伝達部材９５は、軸心に作用する引っ張り力で動力を伝達する部
材から構成されているため、細径でも剛性を高くすることができる長所がある。

以上のことから、医療用マニピュレータ１は、作業部３の一部から容易に取り外すこと
ができるので、操作指令部２と連結部４と駆動部４０と作業部３のＢ軸支持部３３のいわ
ゆるアーム部分を共通化して、作業部３のＡ軸支持部３２とグリッパ３１からなる処置部
を必要な作業によってつけ替えることで、製作コストは大幅に低減できる。術者は、作業
（つかむ作業、切る作業、縫合する作業など）に応じて、適した処置部をあらかじめアー
ム先端に取り付けて手術を行い、術後それを外し、洗浄や滅菌を行う。特にグリッパは直
接組織を扱うため、消耗が激しくメンテナンスや交換が頻繁に行われている。そのような
交換作業も本形態の医療用マニピュレータでは手間がかからず、専門的な知識が無くても
容易に交換等が可能になる。

本発明の実施の形態を示す全体構成図。 本発明の実施の形態を示す動力伝達系統図。 本発明による作業部の概略断面図。 本発明による動力伝達部の別の実施の形態を示す概略図。

符号の説明

１ 医療マニピュレータ
２ 操作指令部
３ 作業部
４ 連結部
２１ ハンドル
２２ 指操作部
３１ グリッパ
３２ Ａ軸支持部
３３ Ｂ軸支持部
４０ 駆動部
５１〜５５、７１、７２、９１、９４、９６ 歯車
８１、８４ 支持部材
８３ 着脱部材
Ｔ１〜Ｔ３ 棒状チューブ型伝達部材
７５ ワイヤ
７６、７７ プーリ
９５ ロッド状伝達部材
Ｍ１〜Ｍ４ モータ
Ｇ１〜Ｇ４ 歯車ユニット

Claims (5)

1. 操作司令部と、
   前記操作司令部からの信号により駆動される第１乃至第２のモータを有する駆動部と、
   前記第１のモータの動力を、前記回転軸が形成された第１の方向とは異なる第２の方向
   に軸を有する回動力として伝達する第１の動力伝達部と、
   前記第１の動力伝達部の動力を、伝達しかつ前記回転軸まわりの回動力に変換する第２
   の動力伝達部と、
   前記第２のモータの動力を、前記第２の方向に軸を有する回動力として伝達する第３の
   動力伝達部と、
   前記第３の動力伝達部の動力を、伝達しかつ前記回転軸まわりの回動力に変換する第４
   の動力伝達部と、
   前記第３の動力伝達部が伝達する動力によって前記回転軸周りに回動する第１のグリッ
   パと、
   前記第４の動力伝達部が伝達する動力によって前記回転軸周りに回動する第２のグリッ
   パと、
   を備え、
   前記第１のグリッパと前記第２のグリッパを互いに逆位相で動作させることにより開閉
   動作し、前記第１のグリッパと前記第２のグリッパを互いに同位相で動作させることによ
   り前記回転軸周りに回動し、
   さらに前記第１の動力伝達部と第２の動力伝達部とを互いに着脱可能に嵌合連結或いは
   開放し、かつ前記第３の動力伝達部と第４の動力伝達部とを互いに着脱可能に嵌合連結或
   いは開放する着脱手段とを有することを特徴とする医療用マニピュレータ。
2. 前記第１の動力伝達部は、第１の歯車を有し、
   前記第２の動力伝達部は、第２の歯車を有し、
   前記第１の動力伝達部と前記第２の動力伝達部が嵌合連結されたときに、前記第１の歯
   車と前記第２の歯車が噛み合う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。
3. 前記第３の動力伝達部は、第３の歯車を有し、
   前記第４の動力伝達部は、第４の歯車を有し、
   前記第３の動力伝達部と前記第４の動力伝達部が嵌合連結されたときに、前記第３の歯
   車と前記第４の歯車が噛み合うことを特徴とする請求項２記載の医療用マニピュレータ。
4. 前記第１の動力伝達部が前記第１のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第
   ５の動力伝達部が前記第３のモータの動力を回動力として伝達する軸とが共通であること
   を特徴とする請求項１記載の医療用マニピュレータ。
5. 前記第１の動力伝達部が前記第１のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第
   ３の動力伝達部が前記第２のモータの動力を回動力として伝達する軸と、前記第５の動力
   伝達部が前記第３のモータの動力を回動力として伝達する軸とが共通であることを特徴と
   する請求項１記載の医療用マニピュレータ。

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