JP5435327B2

JP5435327B2 - ３軸を有する手術支援マニピュレータ

Info

Publication number: JP5435327B2
Application number: JP2008275764A
Authority: JP
Inventors: 純平荒田; 純一池本; 正道坂口; 英雄藤本
Original assignee: 国立大学法人名古屋工業大学
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2028-10-27
Also published as: JP2010099403A

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１〜４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」、日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会２００８講演論文集、１Ｐ１−Ｃ０４、２００８

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。

第一の発明は、ベース（１）と、前記ベース（１）に固定した２つの術具回転用駆動手段（２，３）と術具並進用駆動手段（４）と、各前記術具回転用駆動手段（２，３）により回転する２つの術具回転用駆動軸（１２，１３）と前記術具並進用駆動手段（４）により回転する術具並進用駆動軸（１４）と、各前記術具回転用駆動軸（１２，１３）に回転自在に連結した２つの術具回転用連結連鎖（５、６）と前記術具並進用駆動軸（１４）に回転自在に連結した術具並進用連結連鎖（７）と、各前記術具回転用連結連鎖（５，６）に連結した２つの術具回転用エンドプレート（８a、８b）と前記術具並進用連結連鎖（７）に連結した術具並進軸（１５）に沿って並進する術具並進用エンドプレート（８c）と、２つの前記術具回転用エンドプレート（８a、８b）を回転自在に連結し、前記並進用エンドプレート（８c）を並進自在に連結する術具（９）とを備え、前記術具（９）は、２つの前記術具回転用駆動軸の交点である術具回転中心（１１）まわりで回転す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である（請求項１）。

第二の発明は、前記術具回転用駆動軸（１２，１３）に固定した２つの前記術具回転用連結連鎖（５，６）のうち少なくとも１つは平行四節リンク（５a、５b、５c、５d）によって構成し、他方は３本のリンク（６a、６b、６c）を回転自在に直列で連結して構成し、前記術具回転用連結連鎖（５，６）を構成する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前記術具回転用駆動軸（１２，１３）と垂直な方向になるよう配置し、各前記術具回転用エンドプレート（８a、８b）は各前記術具回転用連結連鎖（５，６）を構成するリンクの回転軸と平行な軸まわりに回転するよう各前記術具回転用連結連鎖（５，６）に連結し、２つの前記術具回転用エンドプレート（８a、８b）は各前記術具回転用連結連鎖（５，６）と前記術具回転用エンドプレート（８a、８b）を連結する回転軸に直行する前記術具並進軸（１５）まわりで回転自在となるよう連結する。また、前記術具並進用連結連鎖（７）を構成する８つのリンク（７a、７b、７c、７d、７e、７f、７g、７h）は、前記術具並進用駆動軸（１４）である並進用第1軸は術具回転中心通過軸（１６)に直行するよう配置し、並進用第１リンク（７a）は前記並進用第１軸（１４a）に回転自在にベース１に連結し、並進用第２リンク（７b）は前記並進用第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前記並進用第１リンク（７a）に連結し、並進用第３リンク（７c）は前記並進用第２軸（１４b）に直交し、かつ前記並進用第１軸（１４a）と一致しない並進用第３軸（１４c）まわりで回転自在となるよう前記並進用第２リンク（７b）に連結し、並進用第４リンク（７d）は術具回転中心通過軸（１６）に配置した、前記並進用第１軸（１４a）に平行かつ一致しない並進用第４軸（１４d）に回転自在にベース１に連結し、並進用第５リンク（７e）は前記並進用第４軸（１４d）に直行する並進用第５軸（１４e）まわりで回転自在となるよう前記並進用第４リンク（７d）に連結し、並進用第６リンク（７f）は前記並進用第５軸（１４e）に直行し、かつ前記並進用第４軸（１４d）と一致しない並進用第６軸（１４f）まわりで回転自在となるよう前記並進用第５リンク（７e）に連結する。ここで、前記並進用第２リンク（７b）と前記並進用第３リンク（７c）の長さの和は前記並進用第５リンク（７e）と前記並進用第６リンク（７f）の長さの和と等しくする。並進用第７リンク（７g）は前記並進用第３軸（１４c）に直交する並進用第７ａ軸（１４g）と前記並進用第６軸（１４f）に直交する並進用第７ｂ軸（１４ｇ′）まわりで回転自在となるよう前記並進用第３リンク（７c）と前記並進用第６リンク（７f）に連結する。ここで前記並進用第７リンク（７g）は、前記並進用第３軸（１４c）と前記並進用第６軸（１４f）が常に平行になるよう前記並進用第３リンク（７c）と前記並進用第６リンク（７f）に連結する。並進用第８リンク（７h）は前記並進用第７ａ軸（１４g）と前記並進用第７ｂ軸（１４ｇ′）に平行な並進用第８軸（１４h）まわりで回転自在となるよう前記並進用第７リンク（７ｇ）に連結する。前記術具並進用エンドプレート（８c）は前記並進用第８軸（１４h）に平行な並進用第９軸（１４j）まわりで回転自在となるよう前記並進用第８リンク（７h）と連結することを特徴とする請求項１記載の手術支援マニピュレータである（請求項２）。

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３軸を有する手術支援マニピュレータは、術具回転中心を中心とする術具の回転２自由度、術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３軸を有する手術支援マニピュレータの一態様は、ベースと、ベースに固定した３つの駆動手段（２つの術具回転用駆動手段と術具並進用駆動手段）と、各駆動手段により回転する回転軸（２つの術具回転用駆動軸と術具並進用駆動軸）と、各回転軸に固定した連結連鎖（２つの術具回転用連結連鎖と術具並進用連結連鎖）と、各連結連鎖に連結したエンドプレート（２つの術具回転用エンドプレートと術具並進用エンドプレート）と、２つの術具回転用エンドプレートを回転自在に連結する術具並進軸と、２つの術具回転用駆動軸の交点（術具回転中心）まわりで回転し、また術具並進軸に沿って長軸方向に並進する術具と、術具回転中心を通過する任意の軸（術具回転中心通過軸）と、を備える。

＜術具回転動作＞
この態様では、２つの術具回転用駆動軸は１点（術具回転中心）で交差するよう配置し、術具回転用駆動軸に固定した術具回転用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、その他の術具回転用連結連鎖は３本のリンクを回転自在に直列で連結して構成し、術具回転用連結連鎖を構成する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術具回転用駆動軸と垂直な方向になるよう配置し、各術具回転用エンドプレートは各術具回転用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するよう各術具回転用連結連鎖に連結し、２つの術具回転用エンドプレートは各術具回転用連結連鎖と術具回転用エンドプレートを連結する回転軸に直行する回転軸（術具並進軸）まわりで回転自在となるよう連結する。そして、ベースに固定した２つの術具回転用駆動手段によって術具回転用駆動軸を回転させることで、術具回転中心まわりで術具を回転させることができる。

＜術具並進動作＞
この態様では、術具並進用連結連鎖のうち、術具並進用駆動軸（並進用第1軸）は術具回転中心を通過する任意の軸（術具回転中心通過軸）に直行するよう配置し、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軸に直交し、かつ並進用第１軸と一致しない並進用第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リンクは術具回転中心通過軸上に配置した、並進用第１軸に平行かつ一致しない並進用第４軸に回転自在に連結し、並進用第５リンクは並進用第４軸に直行する並進用第５軸まわりで回転自在となるよう並進用第４リンクに連結し、並進用第６リンクは並進用第５軸に直行し、かつ並進用第４軸と一致しない並進用第６軸まわりで回転自在となるよう並進用第５リンクに連結する。ここで、並進用第２リンクと並進用第３リンクの長さの和は並進用５リンクと並進用第６リンクの長さの和と等しくする。並進用第７リンクは並進用第３軸に直交する並進用第７ａ軸と並進用第６軸に直交する並進用第７ｂ軸まわりで回転自在となるよう並進用第３リンクと並進用第６リンクに連結する。ここで並進用第７リンクは、並進用第３軸と並進用第６軸が常に平行になるよう並進用第３リンクと並進用第６リンクに連結する。並進用第８リンクは並進用第７ａ軸と並進用第７ｂ軸に平行な並進用第８軸まわりで回転自在となるよう並進用第７リンクに連結する。術具並進用エンドプレートは並進用第８軸に平行な並進用第９軸まわりで回転自在となるよう並進用第８リンクと連結し、術具は術具並進用エンドプレートに固定する。そして、術具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、術具並進軸に沿って術具を長軸方向に並進させることができる。

本発明に係る３軸を有する手術支援マニピュレータは、術具の位置・姿勢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、術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３軸を有す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、各連結連鎖に連結したエンドプレート８ａから８ｃと、各エンドプレートに連結した術具９と、を備える。

連結連鎖５（術具回転用連結連鎖）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（術具回転用駆動手段）により術具回転用駆動軸１２まわりに回転する。４本のリンク５ａから５ｄを回転自在に連結する回転軸は、すべて平行かつ術具回転用駆動軸１２と垂直な方向になるよう配置する。

連結連鎖６（術具回転用連結連鎖）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（術具回転用駆動手段）により術具回転用駆動軸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、全て平行かつ術具回転用駆動軸１３と垂直な方向になるよう配置する。

術具回転用エンドプレート８ａはリンク５ａから５ｄを連結する回転軸と平行な回転軸まわりで回転自在となるようリンク５ｄに連結する。術具回転用エンドプレート８ｂはリンク６ａから６ｃを回転自在に連結する回転軸と平行な回転軸まわりで回転自在となるようリンク６ｃに連結する。術具回転用エンドプレート８ａと８ｂは、各術具回転用連結連鎖と術具回転用エンドプレートを連結する回転軸と垂直な回転軸（術具並進軸１５）まわりで回転自在となるよう連結する。

連結連鎖７（術具並進用連結連鎖）は、８本のリンク７ａから７ｈを回転自在に連結することにより構成される。タイミングベルトとタイミングプーリを用いて術具並進用駆動手段４の回転動力を並進用第１軸１４ａに伝達する。並進用第１軸１４ａは術具回転中心１１を通過する軸（術具回転中心通過軸１６）に直交するよう配置し、並進用第１リンク７ａは並進用第１軸１４ａに回転自在にベース１に連結し、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に連結し、並進用第３リンク７ｃは並進用第２軸１４ｂに直交し、かつ並進用第１軸１４ａと一致しない並進用第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に連結し、並進用第４リンク７ｄは術具回転中心通過軸１６上に配置した、並進用第１軸１４ａに平行かつ一致しない並進用第４軸１４ｄに回転自在にベース１に連結し、並進用第５リンク７ｅは並進用第４軸１４ｄに直行する並進用第５軸１４ｅまわりで回転自在となるよう並進用第４リンク７ｄに連結し、並進用第６リンク７ｆは並進用第５軸１４ｅに直行し、かつ並進用第４軸と一致しない並進用第６軸１４ｆまわりで回転自在となるよう並進用第５リンク７ｅに連結する。ここで、並進用第２リンク７ｂと並進用第３リンク７ｃの長さの和は並進用５リンク７ｅと並進用第６リンク７ｆの長さの和と等しくする。並進用第７リンク７ｇは並進用第３軸１４ｃに直交する並進用第７ａ軸１４ｇと並進用第６軸１４ｆに直交する並進用第７ｂ軸１４ｇ′まわりで回転自在となるよう並進用第３リンク７ｃと並進用第６リンク７ｆに連結する。ここで並進用第７リンク７ｇは、並進用第３軸１４ｃと並進用第６軸１４ｆが常に平行になるよう並進用第３リンク７ｃと並進用第６リンク７ｆに連結する。並進用第８リンク７ｈは並進用第７ａ軸１４ｇと並進用第７ｂ軸１４ｇ′に平行な並進用第８軸１４ｈまわりで回転自在となるよう並進用第７リンク７ｇに連結する。術具並進用エンドプレート８ｃは並進用第８軸１４ｈに平行な並進用第９軸１４ｉまわりで回転自在となるよう並進用第８リンク７ｈと連結し、術具９は術具並進用エンドプレート８ｃに固定する。

以上述べた構成によれば、駆動手段２と駆動手段３（術具回転用駆動手段）のうち少なくとも一方を駆動することで、術具９を術具回転中心１１まわりに回転させることができ、また、駆動手段４（術具並進用駆動手段）を駆動することで、術具９を術具並進軸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３軸を有する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。

本発明の一実施形態に係る３軸を有する手術支援マニピュレータを具備したシステムを示す図である。３軸を有する手術支援マニピュレータの斜視図である。連結連鎖５（術具回転用連結連鎖）の正面図である。連結連鎖６（術具回転用連結連鎖）の正面図である。連結連鎖７（術具並進用連結連鎖）の斜視図である。

符号の説明

１：ベース
２：駆動手段（術具回転用駆動手段、連結連鎖５の駆動手段）
３：駆動手段（術具回転用駆動手段、連結連鎖６の駆動手段）
４：駆動手段（術具並進用駆動手段、連結連鎖７の駆動手段）
５：連結連鎖（術具回転用連結連鎖、５ａから５ｄ：連結連鎖５のリンク）
６：連結連鎖（術具回転用連結連鎖、６ａから６ｃ：連結連鎖６のリンク）
７：連結連鎖（術具並進用連結連鎖、７ａから７ｈ：連結連鎖７のリンク）
８：エンドプレート
（８ａと８ｂ：術具回転用エンドプレート、８ｃ：術具並進用エンドプレート）
９：術具
１１：術具回転中心
１２：術具回転用駆動軸（駆動手段２により回転する軸）
１３：術具回転用駆動軸（駆動手段３により回転する軸）
１４：術具並進用駆動軸（駆動手段４により回転する軸、並進用第１軸１４ａ）
（１４ａから１４ｉ：並進用第１軸から並進用第９軸）
１５：術具並進軸
１６：術具回転中心通過軸
２１：３軸を有する手術支援マニピュレータ
２２：駆動部
２３：コントローラ

Claims

ベース（１）と、
前記ベース（１）に固定した２つの術具回転用駆動手段（２，３）と術具並進用駆動手段（４）と、
各前記術具回転用駆動手段（２，３）により回転する２つの術具回転用駆動軸（１２，１３）と前記術具並進用駆動手段（４）により回転する術具並進用駆動軸（１４）と、
各前記術具回転用駆動軸（１２，１３）に回転自在に連結した２つの術具回転用連結連鎖（５、６）と前記術具並進用駆動軸（１４）に回転自在に連結した術具並進用連結連鎖（７）と、
各前記術具回転用連結連鎖（５，６）に連結した２つの術具回転用エンドプレート（８a、８b）と前記術具並進用連結連鎖（７）に連結した術具並進軸（１５）に沿って並進する術具並進用エンドプレート（８c）と、
２つの前記術具回転用エンドプレート（８a、８b）を回転自在に連結し、
前記並進用エンドプレート（８c）を並進自在に連結する術具（９）とを備え、
前記術具（９）は、２つの前記術具回転用駆動軸の交点である術具回転中心（１１）まわりで回転す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。
前記術具回転用駆動軸（１２，１３）に固定した２つの前記術具回転用連結連鎖（５，６）のうち少なくとも１つは平行四節リンク（５a、５b、５c、５d）によって構成し、
他方は３本のリンク（６a、６b、６c）を回転自在に直列で連結して構成し、
前記術具回転用連結連鎖（５，６）を構成する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前記術具回転用駆動軸（１２，１３）と垂直な方向になるよう配置し、
各前記術具回転用エンドプレート（８a、８b）は各前記術具回転用連結連鎖（５，６）を構
成するリンクの回転軸と平行な軸まわりに回転するよう各前記術具回転用連結連鎖（５，６）に連結し、
２つの前記術具回転用エンドプレート（８a、８b）は各前記術具回転用連結連鎖（５，６）
と前記術具回転用エンドプレート（８a、８b）を連結する回転軸に直行する前記術具並進軸（１５）まわりで回転自在となるよう連結する。
また、前記術具並進用連結連鎖（７）を構成する８つのリンク（７a、７b、７c、７d、７e、７f、７g、７h）は、
前記術具並進用駆動軸（１４）である並進用第1軸は術具回転中心通過軸（１６)に直行するよう配置し、
並進用第１リンク（７a）は前記並進用第１軸（１４a）に回転自在にベース１に連結し、並進用第２リンク（７b）は前記並進用第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前記並進用第１リンク（７a）に連結し、
並進用第３リンク（７c）は前記並進用第２軸（１４b）に直交し、かつ前記並進用第１軸（１４a）と一致しない並進用第３軸（１４c）まわりで回転自在となるよう前記並進用第２リンク（７b）に連結し、
並進用第４リンク（７d）は術具回転中心通過軸（１６）に配置した、前記並進用第１軸（１４a）に平行かつ一致しない並進用第４軸（１４d）に回転自在にベース１に連結し、
並進用第５リンク（７e）は前記並進用第４軸（１４d）に直行する並進用第５軸（１４e）まわりで回転自在となるよう前記並進用第４リンク（７d）に連結し、
並進用第６リンク（７f）は前記並進用第５軸（１４e）に直行し、かつ前記並進用第４軸（１４d）と一致しない並進用第６軸（１４f）まわりで回転自在となるよう前記並進用第５リンク（７e）に連結する。
ここで、前記並進用第２リンク（７b）と前記並進用第３リンク（７c）の長さの和は前記並進用第５リンク（７e）と前記並進用第６リンク（７f）の長さの和と等しくする。
並進用第７リンク（７g）は前記並進用第３軸（１４c）に直交する並進用第７ａ軸（１４g）と前記並進用第６軸（１４f）に直交する並進用第７ｂ軸（１４ｇ′）まわりで回転自在となるよう前記並進用第３リンク（７c）と前記並進用第６リンク（７f）に連結する。
ここで前記並進用第７リンク（７g）は、前記並進用第３軸（１４c）と前記並進用第６軸（１４f）が常に平行になるよう前記並進用第３リンク（７c）と前記並進用第６リンク（７f）に連結する。
並進用第８リンク（７h）は前記並進用第７ａ軸（１４g）と前記並進用第７ｂ軸（１４ｇ′）に平行な並進用第８軸（１４h）まわりで回転自在となるよう前記並進用第７リンク（７ｇ）に連結する。
前記術具並進用エンドプレート（８c）は前記並進用第８軸（１４h）に平行な並進用第９軸（１４j）まわりで回転自在となるよう前記並進用第８リンク（７h）と連結することを特徴とする請求項１記載の手術支援マニピュレータ。