JP5185216B2 - 回転３自由度を有するフットペダル入力装置及び駆動部材 - Google Patents

Description

本発明は回転３自由度を有するフットペダル入力装置及び駆動部材に関し、更に詳しくは、機械式、圧力作動式又は電気式装置のフットペダル操作装置において、並進運動が含まれた駆動部材の３自由度、即ち、回転（ｒｏｌｌ）＋回転（ｐｉｔｃｈ）＋並進（ｚ）及び並進（ｘ）＋並進（ｙ）＋回転（ｙａｗ）運動が手を使う操作では簡単な構造であるが、足を使わなければならない操作では手に比べて相対的に操作者の不便さが増す並進運動に対して操作者の最小限の足の動きにより作動可能なフットペダル入力装置及び駆動部材に関する。

フットスイッチを用いてオン又はオフさせたり、作業速度をフットスイッチを用いて調節できる装置は既に数多く開発されており、用いられている。これは手を他の作業に使わなければならなかったり、又は安全上の理由で手と足を同時に使わなければならない場合にこのようなフットスイッチの作動方式は緊要に使用され得る。

例えば、現代の手術、特に、腹腔鏡手術や眼科手術中に外科医は多様な機器の多様な機能を実行させるためにフットスイッチを用いて補助機能を行う。

従来技術のフットスイッチとしては、下記の特許文献１と、他の特許文献２に公開されているものが挙げられる。

しかしながら、このような特許は回転２自由度（ｐｉｔｃｈ、ｙａｗ）と前後進移動を行うために構造が非常に複雑であり、体積が大きくなるという短所があった。特に、特許文献１ではピッチとヨーの回転中心が一致しておらず、それぞれのピボット要素が必要であり、前後進運動の操作範囲のための別途の空間が必要であった。また、特許文献２でも精密な運動制御のために、リニアガイドが必要であり、同様に、前後進運動の操作範囲のための別途の空間が必要である。

従って、構造面や、体積面において更に改善され、容易に３自由度を実現できるフットペダル入力装置の開発が持続的に要求されている。

米国特許第６,１３２,３１３号明細書 米国特許第５,７８７,７６０号明細書

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、３自由度が一点の回転中心で行われ得る単純な組み合わせ構造からなることで、小型化が可能であり、駆動部材の並進運動がフットペダルの回転を通じて行われることにより、最小限の足の動きでも操作が可能なようにした回転３自由度を有するフットペダル入力装置及び駆動部材を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明の一観点によると、ベースプレートと、前記ベースプレートの中心部に設置される回転中心部と、前記回転中心部に回転及び旋回可能なように噛み合い、その下部面から下方へ突出するヨースイッチ接触部を有する接触プレートと、前記接触プレートと共に駆動され、操作者の足の動きによって前記回転中心部を中心として駆動部材が回転３自由度（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ、ｙａｗ）、並進３自由度（ｘ（左右）、ｙ（前後）、ｚ（上下））、並進２自由度と回転１自由度の組み合わせ（ｘ、ｙ、ｙａｗ）及び回転２自由度と並進１自由度の組み合わせ（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ、ｚ）の移動が行われるように操作するフットペダルプレートと、前記接触プレートに交互に接触されるように前記ベースプレート上に向かい合って設置される一対のピッチスイッチと、前記接触プレートに交互に接触されるように前記一対のピッチスイッチから直角方向に設置される一対のロールスイッチと、前記フットペダルプレートの回転により交互に接触されるように前記ベースプレート上に離間して設置される一対のヨースイッチとを含むフットペダル入力装置が提供される。

好ましくは、前記フットペダルプレートの下面に前記接触プレートが密設されて前記フットペダルプレートと前記接触プレートが連動することを特徴とする。

また、前記回転中心部は、前記ベースプレートの中心に設置されるボール雲レースと、前記ボール雲レースの内側に雲接触によって回動及び回転可能なように結合され、前記接触プレートに付着されたボールジョイントとから構成されることを特徴とする。

更に、前記回転中心部は、前記ベースプレートの中心に２自由度回転（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ）運動が行われるように設置されるユニバーサルジョイントと、前記ユニバーサルジョイントの外側に結合されて１自由度回転（ｙａｗ）運動のための前記接触プレートに付着されたスラストベアリングとから構成されることを特徴とする。

また、前記フットペダルプレートのピッチ及びロールの運動後、元の位置に戻るように前記ベースプレートの枠に近接する内周面に沿って支持部が設置され、前記支持部に沿って１つ以上の復帰バネ部が設置されることを特徴とする。

更に、前記フットペダルプレートのヨー運動後、復帰がなされるように前記ベースプレートの枠に近接する内周面に沿って支持部が設置され、前記支持部に沿って１つ以上の引張バネが放射状に前記接触プレートに連結設置されることを特徴とする。

また、前記一対のピッチスイッチと、前記一対のロールスイッチと、前記一対のヨースイッチは電気的に接続された接触片があるスイッチからなる。

より好ましくは、前記駆動部材は、腹腔鏡手術及びロボット手術に用いられる腹腔鏡を操作するための回転（ｒｏｌｌ）＋回転（ｐｉｔｃｈ）＋並進（ｚ（上下））組み合わせの３自由度を有するマニピュレータであることを特徴とする。

本発明の回転３自由度を有するフットペダル入力装置によれば、３自由度の回転中心が一点で行われるようにすることで、単純な構造で小型化が可能であり、駆動部材の並進運動がフットペダルの回転を通じて行われることにより、操作者の足の動きを最小化できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態によるフットペダル入力装置の分離斜視図である。 本発明の一実施形態によるフットペダル入力装置においてヨー運動を説明する平面図である。 本発明の一実施形態によるフットペダル入力装置においてフットペダルプレートが復帰バネ部に支持されて水平状態をなしている状態を示す側断面図である。 本発明の一実施形態によるフットペダル入力装置においてピッチ及びロール運動を説明する側断面図である。

以下、本発明の最も好適な実施形態を添付する図面を参照して本発明の技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように、更に詳細に説明するが、これは例示に過ぎないものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態によるフットペダル入力装置の分離斜視図であり、図２は、本発明の一実施形態によるフットペダル入力装置においてヨー運動を説明する平面図であり、図３及び図４は、本発明の一実施形態によるフットペダル入力装置においてピッチ及びロール運動を説明する側断面図である。

図１に示すように、本実施形態の回転３自由度を有するフットペダル入力装置１００は、大きくベースプレート１１０と、ロール、ピッチ及びヨー運動の中心となる回転中心部１２０と、ベースプレート１１０上に設置されて駆動部材１を電気的信号によって移動させるピッチスイッチ１４０、ロールスイッチ１５０、ヨースイッチ１６０と、そして足の操作によりこれらのスイッチ１４０、１５０、１６０を交互に接触させるフットペダルプレート１３０とから構成される。

ここで、ベースプレート１１０は、円形又は多角形状を有する板状の扁平な底面を有し、底に位置する。材質は金属材又は合成樹脂材であることができ、底面には底との密着力の増大のためにゴム材などが設けられ得る。

このようなベースプレート１１０の中心部に回転中心部１２０が設置され得る。回転中心部１２０は、ロール、ピッチ及びヨー運動が１箇所の中心位置で行われるようにする部分であり、ベースプレート１１０の中心に凹んだ溝を有するボール雲レース１２２が設置され、このボール雲レース１２２の凹んだ内側にボール部分が結合されて雲接触によって回動及び回転が可能なようにボールジョイント１２４が設置され得る。

一方、回転中心部１２０は、他の一例として図示してはいないが、ベースプレート１１０の中心に２自由度回転（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ）運動が行われるように設置されるユニバーサルジョイントと、ユニバーサルジョイントの外側に結合されて１自由度回転（ｙａｗ）運動のためのスラストベアリングで構成されることもできる。

ボールジョイント１２４の上端にディスク状の接触プレート１３２が設置され、接触プレート１３２の上面に回転中心部１２０を中心に共に連動し得るフットペダルプレート１３０が密設される。

接触プレート１３２の直径は、後述するピッチスイッチ１４０、ロールスイッチ１５０、ヨースイッチ１６０と接触を行える適切な大きさを有し、フットペダルプレート１３０は操作者の足が当接して実質的な操作が行われるものであって、ベースプレート１１０と同じ面積と形態を有することができる。

そして、フットペダルプレート１３０と接触プレート１３２はネジなどのような締結手段を通じて結合されることができ、フットペダルプレート１１０の上面にはピッチ、ロール、ヨー運動を案内するための矢印などの表示が刻まれ得る。

一方、ベースプレート１１０上には図１及び図２において、略１２時と６時方向に向かい合う一対のピッチスイッチ１４０が設置され、このピッチスイッチ１４０には接触プレート１３２に交互に接触されるように電気的に接続される接触片１５１が中心に向かって設置されるスイッチであってもよい。

ピッチスイッチ１４０は、駆動部材１が停止又は移動中の状態で前後並進移動又はピッチ運動を行うようにする電気的装置であり、ここで、駆動部材１は腹腔鏡マニピュレータを一例として挙げたが、回転３自由度（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ、ｙａｗ）、並進３自由度（ｘ（左右）、ｙ（前後）、ｚ（上下））、並進２自由度と回転１自由度の組み合わせ（ｘ、ｙ、ｙａｗ）及び並進１自由度と回転２自由度の組み合わせ（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ、ｚ）の形態を有する機構であれば適用可能であり、図示してはいないが、ロール、ピッチ及びヨー運動の電気的信号を制御するための制御部とシリンダなどの駆動部が設けられ得る。

また、ピッチスイッチ１４０から直交方向に、即ち、図面において略３時と９時方向に向かい合う一対のロールスイッチ１５０が設置され、このロールスイッチ１５０には接触プレート１３２に交互に接触されるように電気的に接続される接触片１５１が中心に向かって設置されるスイッチであってもよい。

ロールスイッチ１５０は、駆動部材１が停止又は移動中の状態で左右並進移動又はロール運動を行うようにする電気的装置である。

そして、再び図１及び図２に示すように、１２時方向のピッチスイッチ１４０と近接して一定距離だけ離間した略１時と１１時方向にヨースイッチ１６０が設置され得る。

ヨースイッチ１６０は、側壁に向かい合う方向に電気的な接触片１６１が設置され、これらの接触片１６１は接触片１６１の間に位置して接触片１６１に交互に接触するように、接触プレート１３２の下面に下方へ垂直に突出したヨースイッチ接触部１３４により接触される。

即ち、接触プレート１３２が水平状態でヨー運動を行うと、ヨースイッチ接触部１３４が一対のヨースイッチ１６０に交互に接触して駆動部材１が上下並進移動又はヨー運動が行われ得る。

そして、ベースプレート１１０の枠に近接する内周面に沿っては一定高さの支持部１１２が上方へ突出形成され、この支持部１１２に沿って少なくとも１つ以上の復帰バネ部１１４が設置され得る。

復帰バネ部１１４は、略４５度の角度毎に１つずつ設置されることができ、上部にキャップが装着され、内部に挿入されるバネの圧縮と膨張によってフットペダルプレート１３０のピッチ及びロール運動の後、元の位置に戻るようにするものであり得る。

また、フットペダルプレート１３０と接触プレート１３２がヨー運動のために水平回転移動後の復帰を助けるために接触プレート１３２と支持部１１２との間に引張バネ１１６が放射状に設置され、この引張バネ１１６は適切な間隔だけ離間する略９０度の角度毎に１つずつ設置され得る。

更に、支持部１１２には駆動部材１とのコネクタ結合のための空間が設けられ得る。

このような構造からなる回転３自由度を有するフットペダル入力装置の作用は、以下の通りである。

図２〜図４を参照して説明すれば、例えば、腹腔鏡手術とロボットを用いる手術において手術用機構を両手で把持している状態で腹腔鏡の操作をフットペダル入力装置１００を用いて医者が足で操作する。

まず、操作者が足を乗せる前には図３でのように、フットペダルプレート１３０が支持部１１２の復帰バネ部１１４に支持されて水平状態をなし、このとき、接触プレート１３２は一対のピッチスイッチ１４０と一対のロールスイッチ１５０のそれぞれの接触片１４１、１５１に当接している状態で、それぞれのスイッチはオフされている。

次のような状態で図示するように、回転（ｒｏｌｌ）＋回転（ｐｉｔｃｈ）＋並進（ｚ）組み合わせの３自由度腹腔鏡マニピュレータを一例として挙げた駆動部材１の駆動が要求されると、操作者は足をフットペダルプレート１３０に乗せ、駆動部材１を操作する。

駆動部材１が上下の直線並進運動が要求されると、操作者はフットペダルプレート１３０を水平状態で回転中心部１２０のボールジョイント１２４を中心として左側又は右側に回転が行われるようにし、フットペダルプレート１３０の回転によって接触プレート１３２に設置されたヨースイッチ接触部１３４が一対のヨースイッチ１６０のうちのいずれか１つの接触片１６１を加圧してオン作動させるようになる。そして、回転されたフットペダルプレート１３０は接触プレート１３２と支持部１１２に設置された引張バネ１１６によって元の位置に戻ることができる。

また、駆動部材１が並進運動中又は停止状態でピッチ移動が要求されると、操作者はフットペダルプレート１３０を水平状態でボールジョイント１２４を中心として前、後に傾くように動作させるようになり、この動作によって接触プレート１３２が一対のピッチスイッチ１４０に交互に接触片１４１を加圧してオン作動させるようになる。このとき、加圧が行われるピッチスイッチ１４０側の復帰バネ部１１４は圧縮され、圧力が解除されれば、復帰されてフットペダルプレート１３０を水平状態に維持できるようにする。

同様に、駆動部材１が並進運動中又は停止状態でロール移動が要求されると、操作者はフットペダルプレート１３０を水平状態でボールジョイント１２４を中心として左、右に傾くように動作させるようになり、この動作によって接触プレート１３２が一対のロールスイッチ１５０を交互に接触片１５１を加圧してオン作動させるようになる。やはり、加圧が行われるロールスイッチ１５０側の復帰バネ部１１４は圧縮され、圧力が解除されれば、復帰されてフットペダルプレート１３０を水平状態に維持できるようにする。

以下のような駆動部材１の並進及びピッチ、ロール作動は、前述したように、操作者のフットペダルプレート１３０の移動によって繰り返して連続的に行われる。

ここで、回転２自由度と並進１自由度の組み合わせ（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ、ｚ（上下））形態の駆動を説明したが、その他に回転３自由度（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ、ｙａｗ）と、並進３自由度（ｘ（左右）、ｙ（前後）、ｚ（上下））、そして並進２自由度と回転１自由度の組み合わせ（ｘ、ｙ、ｙａｗ）駆動はいずれも回転中心部１２０を中心とするフットペダルプレート１３０の回転３自由度の操作により行われ得る。

従って、フットペダル入力装置の３自由度の実現が一点の回転中心で行われるようにすることで、構造が単純なので、小型化が可能であり、駆動部材の並進運動がフットペダルの回転を通じて行われることにより、操作者の足の動きを最小化できる。

以上、本発明による回転３自由度を有するフットペダル入力装置の具体的な実施形態について説明したが、これは例示に過ぎないものであって、本発明はこれに限定されるものではなく、本明細書に開示された基礎思想に基づく最も広い範囲を有するものと解釈されるべきである。当業者は各構成要素の材質、大きさなどを適用分野に応じて容易に変更でき、開示された実施形態を組み合わせ／置換して摘示されていない形状のパターンを実施できるが、これも本発明の範囲から逸脱しないものである。その他にも当業者は本明細書に基づいて開示された実施形態を容易に変更又は変形でき、このような変更又は変形も本発明の権利範囲に属するのは明白である。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ベースプレートと、前記ベースプレートの中心部に設置される回転中心部と、前記回転中心部に回転及び旋回可能なように噛み合い、その下部面から下方へ突出するヨースイッチ接触部を有する接触プレートと、前記接触プレートと共に駆動され、操作者の足の動きによって前記回転中心部を中心として駆動部材が回転３自由度（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ、ｙａｗ）、並進３自由度（ｘ（左右）、ｙ（前後）、ｚ（上下））、並進２自由度と回転１自由度の組み合わせ（ｘ、ｙ、ｙａｗ）及び回転２自由度と並進１自由度の組み合わせ（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ、ｚ）の移動が行われるように操作するフットペダルプレートと、前記接触プレートに交互に接触されるように前記ベースプレート上に向かい合って設置される一対のピッチスイッチと、前記接触プレートに交互に接触されるように前記一対のピッチスイッチから直角方向に設置される一対のロールスイッチと、前記フットペダルプレートの回転により交互に接触されるように前記ベースプレート上に離間して設置される一対のヨースイッチとを含むフットペダル入力装置。
［２］前記フットペダルプレートの下面に前記接触プレートが密設されて前記フットペダルプレートと前記接触プレートが連動することを特徴とする［１］に記載のフットペダル入力装置。
［３］前記回転中心部は、前記ベースプレートの中心に設置されるボール雲レースと、前記ボール雲レースの内側に雲接触によって回動及び回転可能なように結合され、前記接触プレートに付着されたボールジョイントとから構成されることを特徴とする［１］に記載のフットペダル入力装置。
［４］前記回転中心部は、前記ベースプレートの中心に２自由度回転（ｒｏｌｌ、ｐｉｔｃｈ）運動が行われるように設置されるユニバーサルジョイントと、前記ユニバーサルジョイントの外側に結合されて１自由度回転（ｙａｗ）運動のための前記接触プレートに付着されたスラストベアリングとから構成されることを特徴とする［１］に記載のフットペダル入力装置。
［５］前記フットペダルプレートのピッチ及びロールの運動後、元の位置に戻るように前記ベースプレートの枠に近接する内周面に沿って支持部が設置され、前記支持部に沿って１つ以上の復帰バネ部が設置されることを特徴とする［１］に記載のフットペダル入力装置。
［６］前記フットペダルプレートのヨー運動後、復帰がなされるように前記ベースプレートの枠に近接する内周面に沿って支持部が設置され、前記支持部に沿って１つ以上の引張バネが放射状に前記接触プレートに連結設置されることを特徴とする［１］に記載のフットペダル入力装置。
［７］前記一対のピッチスイッチと、前記一対のロールスイッチと、前記一対のヨースイッチは電気的に接続された接触片があるスイッチからなることを特徴とする［１］に記載のフットペダル入力装置。
［８］前記駆動部材は、腹腔鏡手術及びロボット手術に用いられる腹腔鏡を操作するための回転（ｒｏｌｌ）＋回転（ｐｉｔｃｈ）＋並進（ｚ（上下））組み合わせの３自由度を有するマニピュレータであることを特徴とする［１］に記載のフットペダル入力装置。

１…駆動部材、１００…フットペダル入力装置、１１０…ベースプレート、１１２…支持部、１１４…復帰バネ部、１１６…引張バネ、１２０…回転中心部、１２２…ボール雲レース、１２４…ボールジョイント、１３０…フットペダルプレート、１３２…接触プレート、１３４…ヨースイッチ接触部、１４０…ピッチスイッチ、１４１、１５１、１６１…接触片、１５０…ロールスイッチ、１６０…ヨースイッチ。

Claims (6)

1. フットペダル入力装置及び該フットペダル入力装置に連結された駆動部材であって、前記フットペダル入力装置は、
   ベースプレートと、
   前記ベースプレートの中心部に設置される回転中心部と、
   前記回転中心部に回転及び旋回可能なように噛み合い、その下部面から下方へ突出するヨースイッチ接触部を有する接触プレートと、
   前記接触プレートと共に駆動されるフットペダルプレートと、
   前記接触プレートに交互に接触されるように前記ベースプレート上に向かい合って設置される一対のピッチスイッチと、
   前記接触プレートに交互に接触されるように前記一対のピッチスイッチから直角方向に設置される一対のロールスイッチと、
   前記フットペダルプレートの回転により交互に接触されるように前記ベースプレート上に離間して設置される一対のヨースイッチと、
   を含み、
   前記回転中心部は、
   前記ベースプレートの中心に設置される凹部と、
   前記凹部の内側に回動及び回転可能なように結合され、前記接触プレートに付着されたボールジョイントとから構成され、前記フットペダルのロール、ピッチ及びヨー運動が一つの回転中心でなされるようにし、
   前記一対のピッチスイッチ、一対のロールスイッチ、一対のヨースイッチは前記フットペダルプレートと共に操作者の足の動きによって電気的信号を発生させ、前記駆動部材が、ピッチ、ロール及びヨー方向の回転３自由度、左右、前後及び上下方向の並進３自由度、左右、前後方向の並進２自由度とヨー方向の回転１自由度の組み合わせ及びロール及びピッチ方向の回転２自由度と上下方向の並進１自由度の組み合わせの移動が行われるように操作し、
   前記フットペダルプレートが操作者の足の動きによってヨー運動をする場合、前記ヨースイッチ接触部が前記一対のヨースイッチに交互に接触され、前記駆動部材が上下並進運動またはヨー運動を行うようにすることを特徴とする
   フットペダル入力装置及び駆動部材。
2. 前記フットペダルプレートの下面に前記接触プレートが密設されて前記フットペダルプレートと前記接触プレートが連動することを特徴とする請求項１に記載のフットペダル入力装置及び駆動部材。
3. 前記フットペダルプレートのピッチ及びロールの運動後、元の位置に戻るように前記ベースプレートの枠に近接する内周面に沿って支持部が設置され、前記支持部に沿って１つ以上の復帰バネ部が設置されることを特徴とする請求項１に記載のフットペダル入力装置及び駆動部材。
4. 前記フットペダルプレートのヨー運動後、復帰がなされるように前記ベースプレートの枠に近接する内周面に沿って支持部が設置され、前記支持部に沿って１つ以上の引張バネが放射状に前記接触プレートに連結設置されることを特徴とする請求項１に記載のフットペダル入力装置及び駆動部材。
5. 前記一対のピッチスイッチと、前記一対のロールスイッチと、前記一対のヨースイッチは電気的に接続された接触片があるスイッチからなることを特徴とする請求項１に記載のフットペダル入力装置及び駆動部材。
6. 前記駆動部材は、腹腔鏡手術及びロボット手術に用いられる腹腔鏡を操作するためのロール、ピッチ及び上下方向の組み合わせの３自由度を有するマニピュレータであることを特徴とする請求項１に記載のフットペダル入力装置及び駆動部材。

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