JP5219073B2 - 手術支援マニピュレータ - Google Patents
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Description
本発明は、低侵襲手術等に用いられる手術支援マニピュレータに関する。
近年、外科手術において、患者への負担を軽減するための低侵襲手術が注目されている。低侵襲手術において術者は、内視鏡下の限られた視野のもと手術を行う必要があり、また、手術器具挿入点において動作を拘束された状態で手術を行う必要があるため、緻密で正確な作業を行うことは困難である。
そこで、そのような低侵襲手術における術者の負担を軽減するため、ロボット技術などの工学技術の導入による手術支援に関わる試みが行われている。ロボット技術を用いて患者の体内に手術器具等を挿入する場合、皮膚切開部における機構的不動点を有する手術支援マニピュレータが安全であり有用性が高い。
この種の手術支援マニピュレータの先行技術としては例えば非特許文献１〜３があげられる。
Gary S. Guthart and J. Kenneth Salisbury, Jr., "The Intuitive(TM) Telesurgery System: Overview and Application", Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation San Francisco, CA April 2000, pp. 618-621, 2000 Baumann R. Maeder W. Glauser D. Clavel R., "The Pantoscope: A SphericalRemote-Center-of-Motion Parallel Manipulator for Force Reflection", Proceedingsof the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation,Albuquerque, New Mexico, April, pp.718-723,1997. 藤本英雄、外４名，「パラレルリンク機構を用いた低侵襲手術支援ロボットの開発」，日本ロボット学会２００７講演論文集，１J−２１，２００７
Gary S. Guthart and J. Kenneth Salisbury, Jr., "The Intuitive(TM) Telesurgery System: Overview and Application", Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation San Francisco, CA April 2000, pp. 618-621, 2000 Baumann R. Maeder W. Glauser D. Clavel R., "The Pantoscope: A SphericalRemote-Center-of-Motion Parallel Manipulator for Force Reflection", Proceedingsof the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation,Albuquerque, New Mexico, April, pp.718-723,1997. 藤本英雄、外４名，「パラレルリンク機構を用いた低侵襲手術支援ロボットの開発」，日本ロボット学会２００７講演論文集，１J−２１，２００７
低侵襲手術では皮膚切開を小さくして手術を行うため、手術器具を患者の体内に挿入して操作する際に、皮膚切開部において手術器具が変位しない（機構的不動点を有する）ような機構を有する手術支援マニピュレータが安全である。このような手術支援ロボットにおいて、手術器具の位置決めのための駆動手段、例えばアクチュエータ等は、重量が大きいため、可動部に固定されていると、操作時における動作精度の劣化の原因となる。また、術後の洗浄・滅菌処理に向かない。
そこで本発明の課題は、手術器具の位置決めのための駆動手段を可動部には実装せず、ベースに実装して所望の要件・機能を満たすことにある。
第一発明の手術支援マニピュレータは、ベースと、ベースに固定した少なくとも２個の駆動手段と、各駆動手段により回転する回転軸（手術器具回転軸）と、各手術器具回転軸に固定した連結連鎖と、各連結連鎖に連結したエンドプレートと、各エンドプレートに連結した手術器具と、手術器具長軸方向に存在する手術器具並進軸と、を備えるパラレルメカニズムを用いた手術支援マニピュレータにおいて、各手術器具回転軸は１点（手術器具回転中心）で交差するよう配置し、各連結連鎖のうち少なくとも１つは平行四節リンクによって構成し、その他の連結連鎖は３本以上のリンクを回転自在に直列で連結して構成し、前記３本以上のリンクをそれぞれ回転自在に連結する回転軸は全て平行かつ手術器具回転軸と垂直な方向になるよう配置し、各エンドプレートは各連結連鎖を構成するリンクの回転軸と平行な回転軸まわりに回転するよう各連結連鎖に連結し、手術器具並進軸が各連結連鎖とエンドプレートの連結軸に直行するよう配置しており、任意の位置に固定した並進用駆動手段により回転する並進用駆動軸に、４本のリンクから構成される並進用連結連鎖の片端を固定し、他端を前記手術器具と回転自在に連結し、並進用連結連鎖の駆動によって手術器具を手術器具並進軸に沿って長軸方向に並進させることを特徴とする、パラレルメカニズムを用いた手術支援マニピュレータにある。
第２発明の手術支援マニピュレータは、第１発明の前記並進用連結連鎖において、並進用第１リンクは並進用駆動軸（並進用第１軸）に固定し、並進用第２リンクは並進用第１軸に直交する並進用第２軸まわりで回転自在となるよう並進用第１リンクに連結し、並進用第３リンクは並進用第２軸に直交する並進用第３軸まわりで回転自在となるよう並進用第２リンクに連結し、並進用第４リンクは並進用第３軸に直交する並進用第４軸まわりで回転自在となるよう並進用第３リンクに連結し、手術器具は並進用第４軸に平行な並進用第５軸まわりで回転自在となるよう並進用第４リンクと連結していることを特徴とする。
本発明は、駆動手段によって駆動される手術支援マニピュレータを対象とする。ここで、駆動手段としては、回転運動する出力軸を具備する駆動装置、例えばアクチュエータ等を用いることができる。
本発明の手術支援マニピュレータは、ベースに固定した複数の駆動手段によって回転する手術器具回転軸の交点（手術器具回転中心）を中心とする手術器具の回転２自由度、手術器具の長軸と一致する手術器具並進軸にそった並進１自由度、の計３自由度を有する。そして、各駆動手段により発生する動力が、各駆動手段に接続した連結連鎖によって、これらの自由度の各運動に変換されるようにする。
本発明の手術支援マニピュレータの一態様は、ベースと、ベースに固定する少なくとも２個の駆動手段と、各駆動手段により回転する回転軸（手術器具回転軸）と、各手術器具回転軸に固定した連結連鎖と、各連結連鎖に連結したエンドプレートと、各エンドプレートを回転自在に連結する手術器具並進軸と、手術器具並進軸に沿って長軸方向に並進する手術器具と、を備える。
また、任意の位置に固定した並進用駆動手段と、並進用駆動手段によって回転する並進用駆動軸（並進用第１軸）と、並進用第１軸に固定した４本のリンクで構成される並進用連結連鎖と、を備える。
＜手術器具回転動作＞
この態様では、手術器具回転軸に固定する連結連鎖のうち少なくとも１つは平行四節リンクによって構成され、その他の連結連鎖は３本以上のリンクを回転自在に直列で連結して構成される。この３本以上のリンクをそれぞれ回転自在に連結する回転軸は全て平行で、かつ手術器具回転軸に垂直な方向になるよう配置する。各エンドプレートは各連結連鎖を構成するリンクの回転軸と平行な軸まわりに回転自在となるよう各連結連鎖に連結する。手術器具並進軸は各連結連鎖と各エンドプレートの各連結軸と垂直な方向に配置する。手術器具は手術器具並進軸に沿って長軸方向にスライド自在となるよう配置する。そして、ベースに固定した各駆動手段によって手術器具回転軸を回転させることで、手術器具回転中心まわりで手術器具を回転させることができる。
この態様では、手術器具回転軸に固定する連結連鎖のうち少なくとも１つは平行四節リンクによって構成され、その他の連結連鎖は３本以上のリンクを回転自在に直列で連結して構成される。この３本以上のリンクをそれぞれ回転自在に連結する回転軸は全て平行で、かつ手術器具回転軸に垂直な方向になるよう配置する。各エンドプレートは各連結連鎖を構成するリンクの回転軸と平行な軸まわりに回転自在となるよう各連結連鎖に連結する。手術器具並進軸は各連結連鎖と各エンドプレートの各連結軸と垂直な方向に配置する。手術器具は手術器具並進軸に沿って長軸方向にスライド自在となるよう配置する。そして、ベースに固定した各駆動手段によって手術器具回転軸を回転させることで、手術器具回転中心まわりで手術器具を回転させることができる。
＜手術器具並進動作＞
この態様では、並進用連結連鎖のうち、並進用第１リンクは並進用第１軸に固定し、並進用第２リンクは並進用第１軸に直交する並進用第２軸まわりで回転自在になるよう並進用第１リンクに連結し、並進用第３リンクは並進用第２軸に直交する並進用第３軸まわりで回転自在になるよう連結し、並進用第４リンクは並進用第３軸に直交する並進用第４軸まわりで回転自在となるよう並進用第３リンクに連結し、手術器具と並進用第４リンクは並進用第４軸に平行な並進用第５軸まわりで回転自在となるよう連結する。そして、任意の位置に固定した並進用駆動手段によって並進用第１軸を回転させることで、手術器具並進軸に沿って手術器具を長軸方向に並進させることができる。
この態様では、並進用連結連鎖のうち、並進用第１リンクは並進用第１軸に固定し、並進用第２リンクは並進用第１軸に直交する並進用第２軸まわりで回転自在になるよう並進用第１リンクに連結し、並進用第３リンクは並進用第２軸に直交する並進用第３軸まわりで回転自在になるよう連結し、並進用第４リンクは並進用第３軸に直交する並進用第４軸まわりで回転自在となるよう並進用第３リンクに連結し、手術器具と並進用第４リンクは並進用第４軸に平行な並進用第５軸まわりで回転自在となるよう連結する。そして、任意の位置に固定した並進用駆動手段によって並進用第１軸を回転させることで、手術器具並進軸に沿って手術器具を長軸方向に並進させることができる。
本発明に係る手術支援マニピュレータは、手術器具の姿勢決めと位置決めのための全ての駆動手段を、固定されたベースに実装できるものであるから、手術器具の動作精度や機構の剛性を向上させる効果や、術後の洗浄・滅菌処理のしやすさを向上させる効果がある。
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明に係る手術支援マニピュレータの概要図を示している。コントローラ２３から駆動部２２に制御信号を送り、その制御信号に従って各駆動手段を駆動することによって手術支援マニピュレータ２１を制御する。
本発明に係る手術支援マニピュレータは、ベース１と、ベース１に固定した駆動手段２から４と、各駆動手段に固定した連結連鎖５から７と、連結連鎖５と連結連鎖６にそれぞれ連結したエンドプレート８ａとエンドプレート８ｂと、連結連鎖７とエンドプレート８ａとエンドプレート８ｂに連結した手術器具９と、から構成される。
連結連鎖５は、４本のリンク５ａから５ｄを回転自在に連結した平行四節リンクにより構成され、駆動手段２により手術器具回転軸１２まわりに回転する。
連結連鎖６は、３本のリンク６ａから６ｃを回転自在に直列で連結して構成され、駆動手段３により手術器具回転軸１３まわりに回転する。３本のリンク６ａから６ｃを回転自在に連結する回転軸は、全て平行かつ手術器具回転軸と垂直な方向になるよう配置する。
連結連鎖７は、４本のリンク７ａから７ｄを回転自在に連結することにより構成される。並進用駆動軸１４ａは並進用駆動手段４により回転し、タイミングベルトとプーリを用いてその回転動力を並進用第１軸１４ａ′に伝達する。並進用第１リンク７ａは並進用第１軸１４ａ′上に配置し、並進用駆動手段４の駆動によって回転する。並進用第２リンク７ｂは、並進用第１軸１４ａに直交する並進用第２軸１４ｂまわりで回転自在となるよう並進用第１リンク７ａと連結する。並進用第３リンク７ｃは、並進用第２軸１４ｂに直交する並進用第３軸１４ｃまわりで回転自在となるよう並進用第２リンク７ｂに連結する。並進用第４リンク７ｄは、並進用第３軸１４ｃと直交する並進用第４軸１４ｄまわりで回転自在となるよう並進用第３リンク７ｃに連結する。並進用第４リンク７ｄと手術器具９は並進用第４軸１４ｄと平行な並進用第５軸１４ｅまわりで回転自在となるよう連結する。
以上述べた構成によれば、駆動手段２と駆動手段３のうち少なくとも一方を駆動することで、手術器具９を手術器具回転中心１１まわりに回転させることができ、また、駆動手段４を駆動することで、手術器具９を手術器具並進軸１５にそって長軸方向に並進させることが可能となる。
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
本発明の手術支援マニピュレータは、手術支援ロボット等に利用可能である。
１ ：ベース
２ ：駆動手段（平行四節リンクを用いた連結連鎖の駆動用）
３ ：駆動手段
４ ：駆動手段（並進用駆動手段）
５ ：連結連鎖（平行四節リンク）５ａから５ｄ：連結連鎖５のリンク片
６ ：連結連鎖 ６ａから６ｃ：連結連鎖６のリンク片
７ ：連結連鎖（並進用連結連鎖）
７ａから７ｄ：並進用連結連鎖のリンク片（並進用第１リンクから並進用第４リンク）
８ ：エンドプレート ８ａと８ｂ：エンドプレート片
９ ：手術器具
１１：手術器具回転中心
１２：手術器具回転軸（駆動手段２により回転する軸）
１３：手術器具回転軸（駆動手段３により回転する軸）
１４ａ：並進用駆動軸（駆動手段４により回転する軸）
１４ａ′から１４ｅ：並進用第１軸から並進用第５軸
１５：手術器具並進軸
２１：手術支援マニピュレータ
２２：駆動部
２３：コントローラ
２ ：駆動手段（平行四節リンクを用いた連結連鎖の駆動用）
３ ：駆動手段
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５ ：連結連鎖（平行四節リンク）５ａから５ｄ：連結連鎖５のリンク片
６ ：連結連鎖 ６ａから６ｃ：連結連鎖６のリンク片
７ ：連結連鎖（並進用連結連鎖）
７ａから７ｄ：並進用連結連鎖のリンク片（並進用第１リンクから並進用第４リンク）
８ ：エンドプレート ８ａと８ｂ：エンドプレート片
９ ：手術器具
１１：手術器具回転中心
１２：手術器具回転軸（駆動手段２により回転する軸）
１３：手術器具回転軸（駆動手段３により回転する軸）
１４ａ：並進用駆動軸（駆動手段４により回転する軸）
１４ａ′から１４ｅ：並進用第１軸から並進用第５軸
１５：手術器具並進軸
２１：手術支援マニピュレータ
２２：駆動部
２３：コントローラ
Claims (2)
- ベースと、ベースに固定した少なくとも２個の駆動手段と、各駆動手段により回転する回転軸（手術器具回転軸）と、各手術器具回転軸に固定した連結連鎖と、各連結連鎖に連結したエンドプレートと、各エンドプレートに連結した手術器具と、手術器具長軸方向に存在する手術器具並進軸と、を備えるパラレルメカニズムを用いた手術支援マニピュレータにおいて、各手術器具回転軸は１点（手術器具回転中心）で交差するよう配置し、各連結連鎖のうち少なくとも１つは平行四節リンクによって構成し、その他の連結連鎖は３本以上のリンクを回転自在に直列で連結して構成し、前記３本以上のリンクをそれぞれ回転自在に連結する回転軸は全て平行かつ手術器具回転軸と垂直な方向になるよう配置し、各エンドプレートは各連結連鎖を構成するリンクの回転軸と平行な回転軸まわりに回転するよう各連結連鎖に連結し、手術器具並進軸が各連結連鎖とエンドプレートの連結軸に直行するよう配置しており、任意の位置に固定した並進用駆動手段により回転する並進用駆動軸に、４本のリンクから構成される並進用連結連鎖の片端を固定し、他端を前記手術器具と回転自在に連結し、並進用連結連鎖の駆動によって手術器具を手術器具並進軸に沿って長軸方向に並進させることを特徴とする、パラレルメカニズムを用いた手術支援マニピュレータ。
- 前記並進用連結連鎖において、並進用第１リンクは並進用駆動軸（並進用第１軸）に固定し、並進用第２リンクは並進用第１軸に直交する並進用第２軸まわりで回転自在となるよう並進用第１リンクに連結し、並進用第３リンクは並進用第２軸に直交する並進用第３軸まわりで回転自在となるよう並進用第２リンクに連結し、並進用第４リンクは並進用第３軸に直交する並進用第４軸まわりで回転自在となるよう並進用第３リンクに連結し、手術器具は並進用第４軸に平行な並進用第５軸まわりで回転自在となるよう並進用第４リンクと連結していることを特徴とする、請求項１に記載の手術支援マニピュレータ。
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|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008130589A JP5219073B2 (ja) | 2008-05-19 | 2008-05-19 | 手術支援マニピュレータ |
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| JP2008130589A Expired - Fee Related JP5219073B2 (ja) | 2008-05-19 | 2008-05-19 | 手術支援マニピュレータ |
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|---|---|---|---|---|
| CN109848969A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-06-07 | 上海工程技术大学 | 一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构 |
| CN109848969B (zh) * | 2019-03-06 | 2022-03-29 | 上海工程技术大学 | 一种用于虚轴机床和机器人的解耦三转动自由度并联机构 |
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