JP5561624B2 - マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータに関し、例えば手術用マニピュレータに用いて好適なるものである。

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おり、ロボット技術の応用が研究されている。人体に挿入して用いられる低侵襲を目的とする手術用マニピュレータでは、小型、高い自由度が求められる。加えて、高度医療画像技術との連係動作のため、高い位置制御性が求められる。

従来のマニピュレータとしては、ワイヤー機構を用いたものが知られている（特許文献１、２参照）。すなわち、駆動装置からの動力伝達手段として、マニピュレータ内部を通るワイヤーが採用されている。

特表２００６−５０８７６５号公報 米国特許第５７９７９００号明細書

しかしながら、上記従来技術のようなワイヤー駆動には次のような問題がある。第一に、ワイヤーは「伸び」「切れ」等のおそれがあるため、頻繁に交換しなければならず、ひいてはランニングコスト及びメンテナンス負荷の増大を招いている。第二に、ワイヤーは伸縮するため、関節や把持部の制御精度に限界がある。第三に、マニピュレータ内部を通るワイヤーのため、マニピュレータ内部に処置具や装置を内蔵することは困難である。

本発明は上記点に鑑みて、ワイヤー機構を用いずに、弾性体−リンク機構を用いてマニピュレータを構成することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、リンクと所定方向への屈曲変形が可能な弾性体とを受動関節で連結した弾性体−リンク機構を二対有し、該二対の弾性体−リンク機構を駆動手段で駆動することにより、前記二対の弾性体−リンク機構に連結された終端部を屈曲動作させる構成としたマニピュレータであって、前記弾性体は、前記所定方向への前記屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有していることを第１の特徴とする。

これによると、二対の弾性体−リンク機構を駆動することで終端部の屈曲動作が可能である。このため、ワイヤー機構を用いずに、弾性体−リンク機構を用いてマニピュレータを構成することができる。

また、本発明は、所定方向への屈曲変形が可能な弾性体と、弾性体よりも屈曲剛性の高いリンクとが直列に連結されて構成された一対の弾性体−リンク機構と、
一対の弾性体−リンク機構に連結された終端部と、
一対の弾性体−リンク機構を独立して駆動する駆動手段とを備え、
前記弾性体は、前記所定方向への前記屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有しており、
一対の弾性体−リンク機構は、各々の弾性体が互いに同一側に位置し且つ各々の弾性体の屈曲変形方向が互いに向かい合うように、空隙を介して互いに並列に配置され、
終端部は、一対の弾性体−リンク機構の各々の弾性体のうちリンクと反対側の部位に連結され、
駆動手段は、一対の弾性体−リンク機構の各々のリンクを、弾性体との直列連結方向に押し引き駆動することを第２の特徴とする。

これによると、一対の弾性体−リンク機構の各々のリンクを独立して押し引き駆動することで、各々の弾性体が同方向に屈曲する。このため、ワイヤー機構を用いずに、弾性体−リンク機構を用いてマニピュレータを構成することができる。

本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータを示す図である。 本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータのばね−リンク機構におけるばね変形容態を示したモデル図である。 本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータの４つのばね−リンク機構を先端方向へ繰り出したときの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータのモデル図である。 本発明の一実施形態に係る手術用マニピュレータの屈曲時のモデル図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を具体的に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係わる手術用マニピュレータを示している。図２と図３と図４と図５を参照して、手術用マニピュレータの構成について詳しく説明する。なお、図２はばね−リンク機構におけるばね変形容態を示したモデル図、図３は手術用マニピュレータの４つのばね−リンク機構を先端方向へ繰り出したときの斜視図、図４は手術用マニピュレータのモデル図、図５は屈曲動作を行った場合の手術用マニピュレータのモデルを示す図である。

手術用マニピュレータ１は、終端部９がマニピュレータの外筒管４に対して、２自由度の屈曲動作が可能であり、それぞれの屈曲の中心点（仮想点）の移動が可能となっている。この手術用マニピュレータ１は、円筒状の外筒管４と、外筒管４の周方向に９０度ずれて配置された二対（すなわち４つ）のばね−リンク機構５、６、７（弾性体−リンク機構）と、各ばね−リンク機構５、６、７を独立して駆動する駆動手段３と、受動関節８によりばね−リンク機構５、６、７と連結された円筒状の終端部９とから構成されている。終端部９には処置具が実装可能となっている。

ばね−リンク機構５、６、７は、図２に示すように、所定方向（図２では上下方向）への屈曲変形が可能な弾性体であるばね７と、ばね７よりも屈曲剛性の高いリンク５とが受動関節６で直列に連結された構成となっている。ばね７は、図２に示すように、溝付きの板ばね形状となっており、このような形状とすることで、変形の単一方向性が増加し、またねじれが抑制され、より高い位置決め精度で手術用マニピュレータ１を動作させることが可能である。つまり、ばね７の形状により変形方向を制御し、リンク５の動作で手術用マニピュレータ１の位置決めが可能である。

なお、リンク５は、図３等に示すように、４つのリンク５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなり、同様に、ばね７も、４つのばね７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄからなり、受動関節６も、４つの受動関節６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなる。また、終端部受動関節８も、４つの終端部受動関節８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄからなる。

手術用マニピュレータ１は、ばね−リンク機構５、６、７をマニピュレータ本体の外周部へ配置することが可能であり、内部に装置を内蔵するための空間を確保することが可能である。

手術用マニピュレータ１を駆動するための駆動手段３は、すべてマニピュレータ終端部９、外筒管４より遠隔に配置可能であり、手術時でも体外からの駆動動力の供給が可能である。

手術用マニピュレータ１の構成をさらに具体的に説明する。ばね７は平面形状が矩形状の薄い板ばねである。ばね７の材料としては、焼き入れ鋼が好ましい。ばね７の溝は、ばね７の長手方向と直交する方向に延びて形成されている。このように、ばね７は、所定方向（図２では上下方向）への屈曲変形以外の変形（伸縮、ねじれ等）を抑制する構造を有している。

リンク５は平面形状が矩形状で所定の厚みを有する棒部材である。ばね７およびリンク５は、その長手方向一端部同士が受動関節６によって連結されている。

各一対のばね−リンク機構５、６、７は、ばね７同士が同一側に位置し且つばね７の屈曲変形方向（図２では上下方向）が互いに向かい合うように空隙を介して互いに並列に配置されている。ばね−リンク機構５、６、７の各々のばね７のうちリンク５と反対側の端部は、終端部受動関節８によって終端部９に連結されている。

一方の対のばね−リンク機構および他方の対のばね−リンク機構は、ばね７同士が同一側（図４、図５では左方側）に位置し且つばね７の屈曲変形方向が直交するように互いに並列に配置されている。図４、図５の例では、一方の対のばね−リンク機構のばね７ａ、７ｂの屈曲変形方向が上下方向になり、他方の対のばね−リンク機構のばね７ｃ、７ｄの屈曲変形方向が紙面垂直方向（上下方向と直交する方向）になっている。

二対のばね−リンク機構５、６、７の長手方向中間部は外筒管４の内部に挿入されている。受動関節６および終端部受動関節８は、ばね７の板面に直交する方向（ばね７同士が向かい合う方向）まわりの回転の１自由度を許容する。

外筒管４のうち終端部９側の端部には、外筒管４の軸方向に延びる切り欠き形状が、ばね−リンク機構５、６、７同士の間に位置するように形成されている。同様に、終端部９のうち外筒管４側の端部には、終端部９の軸方向に延びる４つの切り欠き形状が、ばね−リンク機構５、６、７同士の間に位置するように形成されている。

次に、手術用マニピュレータ１の駆動手段を制御するコントロール部２について説明する。手術用マニピュレータ１の屈曲角度を変化させるには、外筒管４の長手方向における４つのリンク５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの位置をそれぞれ制御する。これらのリンク５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは駆動手段３に連結されており、駆動手段３はコントロール部２からの指令に基づき動作する。

次に、上記した構成の作動について説明する。手術用マニピュレータ１は、終端部９が外筒管４に対して、２自由度の屈曲動作が可能であり、またそれぞれの対となるばね−リンク機構５、６、７におけるリンク繰り出し量の比率を変更することで、図５に示す屈曲の中心点１０（仮想点）の移動が可能である。

目標屈曲角度に対して、制御コンピュータ２ａで手術用マニピュレータ１の機構学演算により、リンク５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄそれぞれの目標値を求め、モータドライバ２ｂから制御信号を送信し、駆動手段３において、ＤＣモータ３ａによりボールねじ３ｂを駆動することで、手術用マニピュレータ１を動作させる。

ＤＣモータ３ａおよびボールねじ３ｂは、４つのリンク５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに対応して４つずつ設けられている。４組のＤＣモータ３ａおよびボールねじ３ｂにより、リンク５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄはそれぞれ、その長手方向（ばね７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄとの直列連結方向）に押し引き駆動される。

このことから手術用マニピュレータ１の先端を図４に示す状態から２自由度で屈曲動作させることができる。例えば、互いに対向するリンク５ａ、５ｂを異なる方向へ動作させることで、図５に示すように、互いに対向するばね７ａ、７ｂが同方向に屈曲し、手術用マニピュレータ１の先端（終端部９）が、両リンク５ａ、５ｂが存在する面上（リンク５ａとリンク５ｂとを結ぶ方向に延びる面上）での屈曲動作を行う。両リンク５ａ、５ｂの移動量の比率を制御することにより、屈曲の中心点１０の位置を変更することが可能である。

同様に、両リンク５ａ、５ｂから外筒管４の周方向における位置を９０度ずらして配置されたリンク５ｃ、５ｄを動作させることにより、手術用マニピュレータ１の先端が、両リンク５ｃ、５ｄが存在する面上（リンク５ｃとリンク５ｄとを結ぶ方向に延びる面上）での屈曲動作を行う。

２自由度の屈曲動作において、外筒管４の周方向における位置を９０度ずらして配置された二対のばね−リンク機構５、６、７の動作には依存関係が存在し、一方の対のばね−リンク機構で生ずるその面上の移動量は、他方の対のばね−リンク機構の受動関節６、終端部受動関節８の動作で相殺される。

すなわち、図５に示すように、一方の対のばね−リンク機構のばね７ａ、７ｂが屈曲変形した場合には、他方の対のばね−リンク機構のばね７ｃ、７ｄがばね７ａ、７ｂの屈曲変形に追従して受動関節６ｃ、６ｄおよび終端部受動関節８ｃ、８ｄを中心に揺動変位するので、一方の対のばね−リンク機構の屈曲動作が他方の対のばね−リンク機構に妨げられない。

外筒管４の端部および終端部９の端部に形成された切り欠き形状は、受動関節６および終端部受動関節８を中心に揺動変位したばね７ｃ、７ｄが外筒管４および終端部９に干渉しないようするための逃がし部として機能する。

上記した構成によれば、手術用マニピュレータ１の２自由度の屈曲動作に関して、任意の角度に制御することができる。また、手術用マニピュレータ１では、屈曲時に、ばねの内力と駆動力との拮抗により、内部応力が高まることから、剛性が向上する。

以上説明した実施形態によれば、先端（終端部９）に処置具が実装可能であり、機構の剛性が高く、高精度の位置決めが可能な先端に動作自由度を有する手術用マニピュレータを提供することができる。この手術用マニピュレータを用いることにより、小型、多自由度、高精度、滅菌・消毒が容易であり、内部に処置具を実装する空間を有するなどの特徴を有する手術ロボットが可能となる。

すなわち、本実施形態では、ばねとリンクとが直列に連結されて構成されたばね−リンク機構が互いに並列に配置されている。このため、従来のワイヤー機構を用いたマニピュレータと同様に小型化できる。

また、従来のワイヤー機構の代わりにばね−リンク機構が用いられているので、従来のワイヤー機構を用いたマニピュレータと比較して耐久性および位置決め精度を高めることができる。

また、ばね−リンク機構が空隙を介して互いに並列に配置されているので、内部に装置等を実装するための空間を有することができる。

さらに、本実施形態では、一方の対のばね−リンク機構および他方の対のばね−リンク機構が、ばねの屈曲変形方向が直交するように互いに並列に配置され、二対のばね−リンク機構におけるばねとリンクとの連結およびばねと終端部との連結は受動関節を用いて行われ、受動関節は、連結させているばねが、隣り合うばねの屈曲変形に追従して揺動変位することを許容する。

このため、一方の対のばね−リンク機構による１自由度の屈曲動作と他方の対のばね−リンク機構による１自由度の屈曲動作とが９０度ずれて組み合わされるとともに、隣り合うばね同士、すなわち屈曲変形方向が９０度異なるばね同士が屈曲変形を妨げ合うことを回避できるので、二対のばね−リンク機構の屈曲動作を組み合わせて２自由度の屈曲動作を行うことができる。

また、本実施形態では、ばねが、所定方向への屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有しているので、ばね−リンク機構による屈曲動作の単一方向性を増加させることができ、ばねのねじれ等が抑制されるので、位置決め精度を一層高めることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態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することができる。例えば、ばね７としては、変形方向を制御するために溝付きの板ばね形状とするものを示したが、必ずしもそのような形状になっていなくてもよく、溝なしの板ばね形状としてもよい。また、ばね７は矩形状以外の形状（台形状等）になっていてもよい。

また、上記した実施形態では、二対のばね−リンク機構５、６、７を備えることで２自由度のマニピュレータを構成しているが、ばね−リンク機構５、６、７を一対のみ備えることで１自由度のマニピュレータを構成してもよい。

また、本発明に係るマニピュレータとしては、手術用のものに限らず、手術用以外の用途に用いるものであってもよく、例えば工業用内視鏡に適用可能である。

１ 手術用マニピュレータ
２ コントロール部
２ａ 制御コンピュータ
２ｂ モータドライバ
３ 駆動手段
３ａ ＤＣモータ
３ｂ ボールねじ
４ 外筒管
５ リンク
６ 受動関節
７ ばね（弾性体）
８ 終端部受動関節（受動関節）
９ 終端部
１０ 屈曲の中心点

Claims (6)

1. リンクと所定方向への屈曲変形が可能な弾性体とを受動関節で連結した弾性体−リンク機構を二対有し、該二対の弾性体−リンク機構を駆動手段で駆動することにより、前記二対の弾性体−リンク機構に連結された終端部を屈曲動作させる構成としたマニピュレータであって、前記弾性体は、前記所定方向への前記屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有していることを特徴とするマニピュレータ。
2. 前記弾性体−リンク機構をマニピュレータ外周上へ等分に９０度位相で配置することにより、内部に空間を有する構成としたことを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記弾性体−リンク機構における弾性体の形状により変形方向を制御し、リンクの動作でマニピュレータの位置決めを行う構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載のマニピュレータ。
4. 少なくとも一対の弾性体−リンク機構により、屈曲時にばねの内力と駆動力の拮抗により機構内部の応力を高める構成としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のマニピュレータ。
5. 所定方向への屈曲変形が可能な弾性体と、前記弾性体よりも屈曲剛性の高いリンクとが直列に連結されて構成された一対の弾性体−リンク機構と、
   前記一対の弾性体−リンク機構に連結された終端部と、
   前記一対の弾性体−リンク機構を独立して駆動する駆動手段とを備え、
   前記弾性体は、前記所定方向への前記屈曲変形以外の変形を抑制する構造を有しており、
   前記一対の弾性体−リンク機構は、各々の前記弾性体が互いに同一側に位置し且つ各々の前記弾性体の屈曲変形方向が互いに向かい合うように、空隙を介して互いに並列に配置され、
   前記終端部は、前記一対の弾性体−リンク機構の各々の前記弾性体のうち前記リンクと反対側の部位に連結され、
   前記駆動手段は、前記一対の弾性体−リンク機構の各々の前記リンクを、前記弾性体との直列連結方向に押し引き駆動することを特徴とするマニピュレータ。
6. 前記弾性体−リンク機構を二対備え、
   一方の対の前記弾性体−リンク機構および他方の対の前記弾性体−リンク機構は、前記弾性体同士が同一側に位置し且つ前記弾性体の屈曲変形方向が直交するように互いに並列に配置され、
   前記二対の弾性体−リンク機構における前記弾性体と前記リンクとの連結および前記弾性体と前記終端部との連結は受動関節を用いて行われ、
   前記受動関節は、連結させている前記弾性体が、隣り合う前記弾性体の屈曲変形に追従して揺動変位することを許容することを特徴とする請求項５に記載のマニピュレータ。

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