JP5758882B2 - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents

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Description

本発明は、本体部と、先端動作部をシャフトの先端に設けた作業部と、前記本体部と接続されることで前記先端動作部を駆動制御するコントローラとを備えた医療用マニピュレータシステムに関する。
内視鏡下外科手術(又は腹腔鏡下手術とも呼ばれる。)においては、患者の腹部等に複数の孔を開け、器具の通過ポートとしてトラカール(筒状の器具)を挿入した後、シャフトを有する鉗子の先端部をトラカールを通じて体腔内に挿入して患部の手術を行っている。鉗子の先端部には、作業部として、生体組織を把持するためのグリッパや、鋏、電気メスのブレード等が取り付けられている。
トラカールから挿入される鉗子として、先端の作業部に関節を持たない一般的な鉗子に加えて、作業部に複数の関節を有する鉗子、いわゆるマニピュレータの開発が行われている(例えば、特開2004−105451号公報参照)。このようなマニピュレータによれば、体腔内で自由度の高い動作が可能であり、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなる。
マニピュレータは、細長いシャフトの先端に設けられた先端動作部(エンドエフェクタとも呼ばれる。)を備える作業部を有し、ワイヤによって当該先端動作部を駆動するアクチュエータが本体部(操作部)に設けられている。ワイヤは基端側でプーリに巻き掛けられている。
上記のようなマニピュレータでは、先端動作部に複数の関節部等が設けられ、前記アクチュエータの駆動に基づき、該先端動作部がその軸線方向に沿って回転動作するロール軸動作や、その軸線方向に交差する方向に揺動(首振り)動作するヨー軸動作・ピッチ軸動作等を行うことができ、これにより体腔内で高い操作性を得ることができる。
ところが、扱い易い先端動作部の動作速度は、当該マニピュレータを扱う医師によって個人差があるものと考えられ、また、術式や先端動作部の種類(グリッパや鋏等)によっても最適な動作速度が異なる可能性がある。
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、使用者の個人差や先端動作部の種類によって、先端動作部の動作速度を最適化することができる医療用マニピュレータシステムを提供することを目的とする。
本発明に係る医療用マニピュレータシステムは、アクチュエータによって回転される駆動軸、及び、前記アクチュエータを駆動する入力部を有する本体部と、前記駆動軸によって従動回転される従動軸、該従動軸の回転によって動作される先端動作部、及び、該先端動作部を先端に設けたシャフトを有し、前記本体部に対して着脱可能な作業部と、前記本体部と接続されることで、前記入力部への入力操作に基づき前記アクチュエータを駆動制御するコントローラとを備え、前記先端動作部は、前記入力部への入力操作に基づき前記アクチュエータが駆動されることにより、少なくとも軸線方向に沿った回転動作、及び、前記軸線方向に交差した揺動動作が可能であり、前記コントローラは、前記アクチュエータの駆動速度を変更し、前記先端動作部の前記回転動作及び前記揺動動作の動作速度をそれぞれ個別に変更可能な速度設定部を有することを特徴とする。
このような構成によれば、前記回転動作及び前記揺動動作が可能な先端動作部について、その動作速度をそれぞれ個別に変更可能な速度設定部をコントローラに備えたことにより、本体部及び作業部で構成されるマニピュレータを扱う使用者(例えば、医師)の個人差や先端動作部の種類(例えば、鋏やニードルドライバ)に応じて、その回転動作及び揺動動作での動作速度を最適に設定変更することができる。すなわち、先端動作部の動作速度の設定自由度が向上するため、高い操作性を得ることができる。
前記コントローラは、前記速度設定部による前記先端動作部の動作速度の設定値を記憶する記憶部を有すると、設定した速度情報を記憶し、使用する際に容易に呼び出すことが可能となる。
記記憶部には、前記回転動作及び前記揺動動作の動作速度の設定値の組み合わせを複数組登録可能であるとよい。そうすると、例えば、複数の使用者の好みの設定速度情報の組を登録することができ、複数の使用者が同一のコントローラを共用する場合であっても、各人の設定を迅速に呼び出すことができる。
前記先端動作部は複数種類あり、前記速度設定部は、前記本体部に装着される前記作業部に設けられた前記先端動作部の種類毎に前記動作速度を変更可能であると共に、該種類毎の前記動作速度の設定値を前記記憶部に登録可能であると、使用者における先端動作部の種類毎の動作速度の好みに一層柔軟に対応した動作速度の設定・登録が可能となる。
前記コントローラは、前記本体部及び前記作業部を有する医療用マニピュレータを複数台同時に接続可能であると共に、各医療用マニピュレータの先端動作部の動作速度をそれぞれ個別に変更可能に構成してもよい。そうすると、例えば、一人の使用者が複数台のマニピュレータを同時に用いて手技を行う場合にも各先端動作部の動作速度を柔軟に変更可能となる。
前記先端動作部の設定速度を表示する表示部を有すると、その設定速度を使用者等に明示することができ、さらに動作速度の変更も容易に行うことが可能となる。
本発明によれば、回転動作及び揺動動作が可能な先端動作部について、その動作速度をそれぞれ個別に変更可能な速度設定部をコントローラに備える。これにより、本体部及び作業部で構成されるマニピュレータを扱う使用者(例えば、医師)の個人差や先端動作部の種類(例えば、鋏やニードルドライバ)に応じて、その回転動作や揺動動作での動作速度を最適に設定変更することができ、高い操作性を得ることができる。
本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムの全体構成図である。 作業部と操作部とを分離した状態でのマニピュレータの一部断面側面図である。 作業部の一部省略断面平面図である。 先端動作部の斜視図である。 マニピュレータの構成の組み合わせの説明図である。 複合入力部及びその周辺部の一部省略斜視図である。 ディスプレイに速度表示画面を表示した状態でのコンソールの正面図である。 ディスプレイにメモリ選択画面を表示した状態でのコンソールの正面図である。 コンソールが有する機能のブロック説明図である。 記憶部への登録情報の一例を示す説明図である。 図11Aは、操作部のコネクタへの接続を促す画像の一例を示す説明図であり、図11Bは、作業部の操作部への装着を促す画像の一例を示す説明図である。 図12Aは、初期速度表示画面の一例を示す説明図であり、図12Bは、メモリ選択画面の一例を示す説明図である。 図13Aは、使用中に先端動作部の速度変更を行った場合の速度表示画面の一例を示す説明図であり、図13Bは、図13Aに示す画面に続いて表示される登録先メモリ選択画面の一例を示す説明図である。 図14Aは、同一種類の先端動作部を持つマニピュレータを各コネクタに接続した状態での速度表示画面の一例を示す説明図であり、図14Bは、同一種類の先端動作部を持つマニピュレータを各コネクタに接続した状態で使用した後、変更後の設定速度を登録するマニピュレータの選択画面の一例を示す説明図である。 手術用ロボットシステムの概略斜視図である。
以下、本発明に係る医療用マニピュレータについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
1.マニピュレータの全体構成の説明
図1に示すように、本実施の形態に係るマニピュレータシステム(医療用マニピュレータシステム)10は、マニピュレータ(医療用マニピュレータ)11と、該マニピュレータ11を駆動制御するコンソール(コントローラ)29とを有する。マニピュレータ11は、シャフト18の先端に設けられた先端動作部12を操作して、生体の一部又は湾曲針等の把持や生体の一部の切断等の所定の処置を行うための医療用器具である。
以下の説明では、図1における幅方向をX方向、高さ方向をY方向、シャフト18の延在方向をZ方向と規定する。また、先端側から見て右方をX1方向、左方をX2方向、上方向をY1方向、下方向をY2方向と規定し、さらに、シャフト18の前方をZ1方向、後方をZ2方向と規定する。なお、特に断りのない限り、これらの方向の記載はマニピュレータ11が基準姿勢(中立姿勢)である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、マニピュレータ11は任意の向きで(例えば、上下を反転させて)使用可能であることは勿論である。
マニピュレータ11は、人手によって把持及び操作されると共に、先端動作部12に駆動力を付与する駆動機構30を収納した操作部(本体部)14と、該操作部14に対して着脱自在な作業部(鉗子)16とを有し、グリップハンドル26の下端から延びたケーブル28がコンソール29に接続されることでマニピュレータシステム10を構成する。
図1及び図2に示すように、操作部14は、Z1方向及びY2方向に延びた略L字状に構成されると共に、Z方向に略対称に分割された一対の上部カバー25a、25b(以下、まとめて「上部カバー25」ともいう)を筐体として、その内部に駆動機構30等が収納されると共に、基端側でY2方向に延びた部分が人手によって把持されるグリップハンドル26として構成されている。グリップハンドル26は、人手によって把持されるのに適した長さであり、上部の傾斜面26aに複合入力部(入力部)24が設けられている。
操作部14のY1方向頂部近傍には、上部カバー25bから露出してマスタスイッチ34が設けられ、マスタスイッチ34のZ1方向で視認しやすい箇所にLED35が設けられている。図1中、操作部14のZ1方向端近傍からY1方向に延びた電極プラグ41は、マニピュレータ11を電気メスとして使用する際に高電圧電源が接続される電極であり、図示しない導電構造によって高電圧を先端動作部12側に供給することができる。
図1〜図3に示すように、作業部16は、作業を行う先端動作部12と、該先端動作部12を先端に設けた長尺且つ中空のシャフト18と、該シャフト18の基端側が固定されるプーリボックス32と、プーリボックス32のZ2方向端から延びたトリガレバー支持部33に軸支されるトリガレバー36とを有する。作業部16は、Z方向で略対称に分割された一対の下部カバー37a、37b(以下、まとめて「下部カバー37」ともいう)を筐体として、その内部にプーリボックス32を収納している。トリガレバー支持部33は、プーリボックス32のZ2側端面からZ2方向に平行に延びた一対のプレートであり、該プレート間に渡ったトリガ軸39により、トリガレバー36を回動可能に軸支している(図3参照)。
図1に示すように、先端動作部12及びシャフト18は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール20から体腔22内に挿入可能であり、複合入力部24及びトリガレバー36の操作によって体腔22内で患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。
複合入力部24及びトリガレバー36の操作に基づいて動作する先端動作部12は、図4に示すように、例えば、鋏48を備え、Y軸を基準に傾動するヨー軸Oy動作、先端を指向する軸(中立姿勢時にはZ軸)を基準に回転するロール軸Or動作、及び、鋏48を開閉する開閉軸Oo動作からなる3軸の動作が可能である。本実施形態の場合、ヨー軸Oy及びロール軸Orは、複合入力部24の操作に基づいて電気的に駆動され、開閉軸Ooはトリガレバー36の操作に基づいて機械的に駆動される。ヨー軸Oyと共に、又は代えて先端動作部12を上下に揺動動作させるピッチ軸動作を付与してもよい。ここで機械的とは、ワイヤ、チェーン、タイミングベルト、リンク、ロッド、ギア等を介して駆動する方式であり、主に、動力伝達方向に非弾性な固体の機械部品を介して駆動する方式である。ワイヤやチェーン等は、張力により不可避的な多少の伸びが発生する場合があるが、これらは非弾性な固体の機械部品とする。
このような作業部16は、操作部14に設けられた左右一対の着脱レバー40、40によって操作部14と連結・固定されると共に、着脱レバー40の開放操作によって操作部14から分離可能であり、特別な器具を用いることなく、手術現場で容易に交換作業等を行うことができる。
そこで、図5に示すように、マニピュレータ11及び該マニピュレータ11を含むマニピュレータシステム10は、選択的に種々の構成を採ることができる。例えば、操作部14に対して着脱可能な作業部16は、そのバリエーションとして、先端動作部12の種類を変えた5種類の作業部16a、16b、16c、16d、16eが用意される。
コンソール29には、2台のマニピュレータ11を同時に接続することができる。すなわち、コンソール29には、第1コネクタ100及び第2コネクタ102が設けられており、各コネクタ100、102に対してそれぞれ1台の操作部14を装着することができる。さらに、各操作部14に対し、例えば、上記した5種類の作業部16a〜16eのうちの所望の作業部を装着することができる。これにより、術者は手技の種類や慣れ等に応じて2台のマニピュレータを同時に使用し、その作業部16として種々の作業部16a〜16dを選択的に組み合わせて当該マニピュレータシステム10を構成することができる。
先端動作部12の種類としては、例えば、鋏、グリッパ、ニードルドライバ(把持鉗子)、電気メス、ブレード型電気メス、フック型電気メス等を挙げることができる。これら各種の先端動作部12が設けられた各作業部16a〜16dは、プーリボックス32等を含むシャフト18からトリガレバー36までは共通の構成となっているが、後述するバーコード75によってその種別等の識別情報を操作部14側、つまりコンソール29へと供給することができる。
2.マニピュレータの各構成部分の説明
2.1.互いに着脱可能な駆動機構及びプーリボックスの説明
駆動機構30及びプーリボックス32は、互いに着脱可能であり、これにより操作部14から作業部16へと駆動力を伝達することができる。
図1及び図2に示すように、駆動機構30は、X方向に並んだ2つのモータ(アクチュエータ)50a、50bと、該モータ50a、50bを支持するブラケット52と、モータ50a、50bの回転方向を変換して作業部16側に伝達するギア機構部54とを有する。
モータ50a、50bは円柱形状であり、図示しない減速機によって減速される出力軸56a、56bがブラケット52の一面を貫通し、該出力軸56a、56bに対してギア機構部54を構成する駆動傘歯車58a、58bが固定されている。モータ50a、50bは、例えばDCモータであり、図示しない角度センサとしてロータリエンコーダ等が設けられる。
ギア機構部54は、ブラケット52内の空間に設けられ、X方向に並んだ2本の駆動シャフト(駆動軸)60a、60bと、各駆動シャフト60a、60bに固定され、駆動傘歯車58a、58bと噛み合う2つの従動傘歯車62a、62bとを有する。モータ50a、50bの出力軸56a、56b、駆動シャフト60a、60b等は図示しないベアリングによってブラケット52に軸支されている。
駆動シャフト60a(60b)の下端側はブラケット52の下面から突出しており、その先端には、例えば断面波形六角形状で先細りのテーパ形状からなる係合凸部64a(64b)が設けられている(図2参照)。
図2及び図3に示すように、プーリボックス32は、X方向両側が開口した空洞部66と、該空洞部66に収納されたプーリ(従動軸)70a、70b及びワイヤガイド部72a、72bとを有し、空洞部66のZ1側に貫通した孔部でシャフト18が固定・支持されている。プーリボックス32の後方(X2側)には、上方に臨んでバーコード(作業部識別情報記録部)75が設けられている。バーコード75は、例えば二次元バーコードであり、操作部14側に設けられたカメラ(読取部)77によって読み取られ、当該作業部16の種類等の識別情報をコンソール29へと供給するためのものである。
プーリ70a、70bは、駆動シャフト60a、60bに対して同軸であり、その上端側には、駆動シャフト60a、60b側の係合凸部64a、64bと係合可能な係合凹部74a、74bが設けられている。係合凹部74a、74bは、前記係合凸部64a、64bが係合(嵌合)可能であり、例えば断面波形六角形状で奥細りのテーパ形状の凹部を有する(図2参照)。
従って、操作部14と作業部16との装着時、駆動機構30側の係合凸部64a(64b)とプーリボックス32側の係合凹部74a(74b)とが係合し、これにより、駆動シャフト60a(60b)からの回転駆動力をプーリ70a(70b)へと伝達することができる。この際、操作部14には、例えば、該操作部14と作業部16の着脱を検出する着脱検出センサ(図示せず)や、駆動シャフト60aの位相を検出する位相検出センサ(図示せず)等を設けてもよく、さらに、係合凸部64aや係合凹部74aの係合構造は他の構造であってもよい。
図2及び図3から諒解されるように、ワイヤガイド部72a(72b)は、プーリ70a(70b)のZ1側に配設されると共に、その間隔が狭く設定されており、プーリ70a(70b)と先端動作部12のギア78やギア79等(図4参照)との間に巻き掛けられたワイヤ(動力伝達部材)80a(80b)をガイドして、シャフト18内へと円滑に導く機能を有する。このようなワイヤガイド部72a、72bを用いることにより、シャフト18は、モータ50a、50bの径やプーリ70a、70bの軸間距離に依存することなく十分に細くすることができ、例えば、トラカール20に挿入するのに適した5mm〜10mm程度の外径に容易に設定することができる。
プーリボックス32を構成する空洞部66には、さらに、棒状又は線状の動力伝達部材である2本のロッド82a、82bがY方向に並んでZ方向に貫通している。ロッド82a、82bは、例えば、十分に強く且つ細いステンレスパイプ又は中実ロッドあり、Z1方向は空洞部66を貫通してシャフト18内へと延び、図示しないワイヤ等を介して先端動作部12内の前記ギア78等に巻き掛けられており(図4参照)、Z2方向はプーリボックス32を貫通してトリガレバー支持部33へと延び、図示しないワイヤ等を介してトリガレバー36に接続されている(図3参照)。
図2及び図3に示すように、プーリボックス32のZ2側には、Z方向を基準として対称な一対のピン穴84、84が形成されている。各ピン穴84、84には、作業部16と操作部14との装着時、ブラケット52の底面からY1方向に突出した一対のガイドピン86、86が挿入され、これにより、操作部14と作業部16とが位置決めされ且つ高い剛性で装着される。
作業部16では、ワイヤ80a、80bは、それぞれプーリ70a、70b側と先端動作部12側との間で往復していることから、シャフト18の中空空間内には、延べ4本のワイヤ80a、80bと2本のロッド82a、82bとが挿通される。例えば、ロッドに代えてワイヤのみで全ての動力伝達機構を構成してもよい。ワイヤ80a、80bは、それぞれ同種又は異種、同径又は異径のものを用いることができ、可撓性を有する湾曲可能な線材で構成される。ワイヤ80a、80bにおいて、シャフト18内を通過する部分であって可撓性を要しない直線部分には、図示しない高剛性の補強ロッドを囲繞して、補強することもできる。
従って、マニピュレータ11では、複合入力部24が操作されると、コンソール29の制御下にモータ50a、50bが駆動制御され、これにより、駆動シャフト60a、60bからプーリ70a、70bを介してワイヤ80a、80bが往復駆動され、先端動作部12にロール軸Orを中心とした回転動作(ロール方向動作)及びヨー軸Oyを中心とした揺動動作(ヨー方向動作又はピッチ方向動作)が付与される(図4参照)。さらに、トリガレバー36が回動操作されることにより、ロッド82a、82bが機械的に往復駆動され、先端動作部12の鋏48に開閉動作が付与される。
すなわち、プーリ70a、70b(モータ50a、50b)及びトリガレバー36は、動力伝達部材であるワイヤ80a、80b及びロッド82a、82bに駆動力を付与し、先端動作部12を動作させる駆動機構部として機能する。より詳細には、プーリ70a、70b(モータ50a、50b)は、ワイヤ80a、80bに駆動力を付与し、先端動作部12にロール方向及びヨー方向の動作を付与する電動機構部として機能する。また、トリガレバー36は、ロッド82a、82bに駆動力を付与し、先端動作部12に鋏48の開閉動作を付与する手動機構部として機能する。
2.2.先端動作部を電気的に駆動するための複合入力部の説明
図6に示すように、先端動作部12を電気的に駆動する複合入力部24は、Z軸(Y軸)を中心としてX1及びX2方向に対称な構造であり、先端動作部12に対してロール方向(軸回転方向)及びヨー方向(左右方向)の回転指令を与える複合的な入力部である。
複合入力部24は、傾斜面26aに配置されたセンサホルダ88によって支持されており、傾斜面26aのZ1側(Y1側)の回転操作部90と、そのZ2側(Y2側)に設けられた傾動操作部92と、傾動操作部92の下部側面にそれぞれ配設された3つのスイッチ操作子94a〜94cとを有する。これら回転操作部90等への入力は、センサホルダ88内に設けられたスイッチ基板(図示せず)等によってその操作量が検出され、モータ50a、50bがコンソール29の制御下に適宜駆動制御される。
2.3.コンソールの説明
2.3.1.コンソールの全体構成の説明
コンソール29は、当該マニピュレータシステム10を総合的に制御するコントローラ(制御部)である。なお、コンソール29の機能の一部を操作部14に搭載してもよい。図1及び図5に示すように、コンソール29は、2つのコネクタ100、102を備えており、2台のマニピュレータ11を独立的に且つ同時に制御することができる。
コンソール29には、LAN等の通信手段を介して使用履歴管理手段であるホストコンピュータ(図示せず)を接続することができる。該ホストコンピュータは、内部の記録手段に使用履歴テーブルを記録しており、コンソール29又は前記LANにより接続された複数台のコンソール29に対して要求された個体番号(識別番号)に応じた使用履歴データを送受信し、管理する。該ホストコンピュータは、コンソール29から独立的な構成に限らず、コンソール29内にその機能を設けてもよい。
図7に示すように、コンソール29の正面パネルには、第1コネクタ100及び第2コネクタ102が左右に離間して設けられ、それぞれに接続される2台のマニピュレータ11に対応するように、第1設定スイッチS1及び第2設定スイッチS2が中央のディスプレイ104を挟んで配置されている。すなわち、第1コネクタ100及び第1設定スイッチS1が一方のマニピュレータ11に対応する第1チャンネルとなり、第2コネクタ102及び第2設定スイッチS2が他方のマニピュレータ11に対応する第2チャンネルとなり、勿論、使用条件等によってチャンネル数を増やした構成としてもよい。
さらに、コンソール29の正面パネルには、ディスプレイ104の下辺に沿って設けられた複数(本実施形態では、4個)のファンクションスイッチF1、F2、F3、F4と、当該コンソール29の電源をON・OFFする電源スイッチ106と、マニピュレータ11における操作部14と作業部16の接続エラー等の各種システムエラーを点灯(点滅)表示するエラー表示部110とが設けられている。
図7に示すように、第1設定スイッチS1は、第1コネクタ100に接続されているマニピュレータ11の先端動作部12の速度変更を行うためのものであり、上段に左右一対設けられたロール速度変更ボタンR1a、R1bと、下段に左右一対設けられたヨー速度変更ボタンY1a、Y1bとを有する。ロール速度変更ボタンR1a、R1bは、先端動作部12のロール軸Or方向での回転動作の速度を減少(R1a)及び増加(R1b)するための設定入力部であり、これらの間には、ロール速度変更ボタンR1a、R1bがロール動作の速度を変更するスイッチであることを明示するマークMR1が設けられている。ヨー速度変更ボタンY1a、Y1bは、先端動作部12のヨー軸Oy方向での揺動動作の速度を減少(Y1a)及び増加(Y1b)するための設定入力部であり、これらの間には、ヨー速度変更ボタンY1a、Y1bがヨー動作の速度を変更することを明示するマークMY1が設けられている。
第2設定スイッチS2は、第2コネクタ102に接続されているマニピュレータ11の先端動作部12のロール軸Or方向での回転動作、及びヨー軸Oy方向での揺動動作の速度を変更する入力部である以外は、第1設定スイッチS1と略同様である。すなわち、第2設定スイッチS2は、上段に左右一対設けられたロール速度変更ボタンR2a、R2bと、下段に左右一対設けられたヨー速度変更ボタンY1a、Y1bと、マークMR2と、マークMY2とを有する。
これら第1設定スイッチS1及び第2設定スイッチS2により、当該マニピュレータシステム10では、各作業部16のロール軸動作及びヨー軸動作の動作速度を、例えば「5(速い)、4(やや速い)、3(基準速度)、2(やや遅い)、1(遅い)」の5段階に設定変更し、使用者の好みや手技等に応じて適宜調整することができる。例えば、第1設定スイッチS1のロール速度変更ボタンR1a、R1bやヨー速度変更ボタンY1a、Y1bが操作されると、それに対応した第1コネクタ100に接続されたマニピュレータ11における先端動作部12の動作速度が設定されるため、運転管理部118は、設定された動作速度でモータ50a、50bを駆動制御し、これにより先端動作部12の動作速度を所望の速度に制御する。
ディスプレイ104は、例えば、図7に示すように、第1設定スイッチS1及び第2設定スイッチS2によるロール軸動作及びヨー軸動作の設定速度を各設定スイッチS1、S2に対応した配置で表示することができる。この場合、ディスプレイ104は、画面の左右にそれぞれ第1コネクタ100及び第2コネクタ102に接続されている各マニピュレータ11の情報を表示可能であり、上段に作業部16(先端動作部12)の種類をグラフィック及び名称で表示すると共に、その使用回数を数字で表示し、中段に各設定スイッチS1、S2での設定値に対応した動作速度を数字及びグラフで表示し、下段に当該ディスプレイ104の下辺に沿って配置されたファンクションスイッチF1〜F4の現在の機能をそれぞれ表示することができる。
このように、コンソール29では2台のマニピュレータを個別に且つ同時に駆動制御できることから、例えば、第1チャンネルを構成する第1設定スイッチS1と、これに対応するマニピュレータ11の動作速度を数字及びグラフで示すディスプレイ104の中段左半分の表示とを、同一の色彩で囲むように構成し、この色彩と異なる色彩で、第2設定スイッチS2及びその設定値を表示するディスプレイ104の中段右半分の表示を囲むように構成すると、各マニピュレータ11の動作速度設定及びその設定変更が一層容易となる。
コンソール29は、例えば、上記したように5種類の先端動作部12(作業部16)に対応しており、5種類の先端動作部12のロール軸動作及びヨー軸動作の設定速度を複数(例えば、8人)の使用者(医師)の好みに応じてそれぞれ個別に設定・記憶しておくことができる。
そこで、図8に示すように、ディスプレイ104は、先端動作部12の種類毎に設定・記憶されたロール軸動作及びヨー軸動作の設定速度をまとめて表示することもできる。この場合、ディスプレイ104は、上段に例えば8人の使用者毎の個別の設定速度フォルダであるメモリA、B、C、D、E、F、G、Hを表示すると共に、現在の選択メモリ名(図8ではメモリB)を拡大・反転表示し、中段に当該選択メモリにおける作業部16(先端動作部12)の種類をグラフィック及び名称で表示すると同時に、そのロール軸動作及びヨー軸動作の設定速度をマーク及び名称と共に数字で表示し、下段にファンクションスイッチF1〜F4の現在の機能をそれぞれ表示することもできる。この図8に示す設定速度の画面は、例えば、第1コネクタ100に接続されたマニピュレータ11の情報を表示した後、その設定が完了すると、続いて自動的に第2コネクタ102に接続されたマニピュレータ11の情報が表示される。勿論、ファンクションスイッチF1〜F4に、第1及び第2コネクタ100、102のいずれに接続されたマニピュレータ11の情報を表示するかを選択するボタンを付与することもできる。
なお、図8では、5種類の先端動作部12として、左から順に、ニードルドライバ(Needle Driver)、モノポーラLフック(Monopolar L Hook)、鋏(Scissors)、ニードルドライバ(Needle Driver)、バイポーラグラスパー(Bipolar Grasper)を用いた場合を例示している。また、図7では、第1コネクタ100にニードルドライバ(Needle Driver)を接続し、第2コネクタ102にモノポーラLフック(Monopolar L Hook)を接続し、メモリBの設定情報(図7中に「M−B」で示す)を表示している場合を例示している。
2.3.2.コンソールの詳細な説明
次に、このようなコンソール29のより詳細な構成について、図9を参照しながら説明する。図9は、コンソール29が有する機能のブロック説明図である。
図9に示すように、コンソール29は、前記電源スイッチ106と、前記設定スイッチS1、S2と、前記ファンクションスイッチF1〜F4と、前記ディスプレイ104と、前記エラー表示部110と、前記コネクタ100、102とを備え、さらに、システム制御部112と、記憶部114とを備える。
システム制御部112は、言語設定部116と、運転管理部118と、表示制御部120とを有する当該コンソール29の総合的な制御部である。
言語設定部116は、例えば、初回起動時における初期設定や任意の設定変更により、当該コンソール29で表示・使用される言語(例えば、日本語、英語、中国語、フランス語、スペイン語)を設定し、その設定を記憶部114に記憶し、以後は設定した言語(又は変更した言語)に対応してディスプレイ104での表示がなされ、当該コンソール29の操作が可能となる。
運転管理部118は、コネクタ100、102に接続されたハンドルである操作部14を検出するハンドル検出部122と、該ハンドル(操作部14)に装着されたアイテムである作業部16を検出するアイテム検出部124と、先端動作部12のロール軸動作及びヨー軸動作の速度を設定する速度設定部126と、各先端動作部12の設定速度情報やバーコード75(図2参照)をカメラ77で撮影することで読み取られる作業部16の識別情報(個体番号、先端動作部12の種類等)等の各種データを記憶部114を利用しながら管理するデータ管理部128とを有する。
表示制御部120は、運転管理部118から各種情報の供給を受け、その情報を演算処理してディスプレイ104に表示する。また、ファンクションスイッチF1〜F4に振り分ける機能情報についての表示処理も行う。
記憶部114は、言語設定部116での設定言語や、先端動作部12の種類毎に設定・記憶されたロール軸動作及びヨー軸動作の設定速度情報等を記憶するメモリ(例えば、RAM)である。図10に示すように、本実施形態の場合、記憶部114には、上記のロール軸動作及びヨー軸動作の設定速度情報が、メモリA〜Hの8組登録することができ、該8組のそれぞれについて、1組当たり5種類のアイテム1〜5の設定速度情報を登録することができる。
2.3.3.コンソールの使用方法の説明
コンソール29による先端動作部12の速度設定方法及びその作用を説明する。
先ず、所望のメモリA〜Hの呼び出し手順、及びマニピュレータシステム10の使用準備手順を説明する。
この場合、電源スイッチ106をONしてコンソール29を起動すると、運転管理部118及び表示制御部120の制御下に、ディスプレイ104には、図11Aに示すように、ハンドルである操作部14のコネクタ100、102への接続を促す画像が表示される。続いて操作部14が接続されると、該接続がハンドル検出部122によって検出され、図11Bに示すように、アイテムである作業部16の操作部14への装着を促す画像が表示されるため、所望の作業部16を操作部14に装着すると、該装着がアイテム検出部124によって検出される。例えば、第1コネクタ100のみに操作部14が接続された場合には、画面の左半分は、アイテム装着を促す画像を表示し、画面の右半分は、第2コネクタ102にハンドル装着を促す画像を表示する。
各コネクタ100、102にマニピュレータ11が接続されると、図12Aに示すように、ディスプレイ104には、メモリA〜Hが選択されていない状態でのTOP画面である初期速度表示画面(M−0)が表示される。さらに、この初期速度表示画面には、各コネクタ100、102に接続されたマニピュレータ11(先端動作部12)の種類が、バーコード75及びカメラ77を介して取得した識別情報に基づき表示される。このため、使用者は、ファンクションスイッチF4の「Recall Memory」を選択することで、図12Bに示すように、登録されたメモリA〜Hの選択画面に移行することができる。このメモリ選択画面では、ファンクションスイッチF1〜F4を画面指示に従って選択・操作することで、例えば、図8に示すように、所望のメモリBを選択することができる。
これにより、データ管理部128の管理下に、現在コネクタ100、102にそれぞれ接続された作業部16について、その先端動作部12の種類に応じてメモリBに登録された設定速度情報が記憶部114から読み出され、図7に示すように表示され、当該マニピュレータシステム10の使用準備が完了する。
次に、使用中における先端動作部12の設定速度の変更方法及びその登録方法を説明する。
例えば、図7に示すコンソール29の使用時の画面(TOP画面、速度表示画面)に示された設定速度(M−B)や、図12Aに示す初期速度表示画面に示された設定速度(M−0)で手術を行っている最中に、先端動作部12の動作速度を変更したい場合には、第1設定スイッチS1(ロール速度変更ボタンR1a、R1b、ヨー速度変更ボタンY1a、Y1b)や第2設定スイッチS2(ロール速度変更ボタンR2a、R2b、ヨー速度変更ボタンY2a、Y2b)を適宜操作する。これにより、該操作に対応して動作速度が変更され、図7中の数字及びグラフも同時に表示変更されるため、使用者はディスプレイ104を見ながら容易に且つ正確に動作速度変更を行うことができ、手技に応じた最適な動作速度に柔軟に対応させることができる。しかも、左右の第1及び第2コネクタ100、102にそれぞれ対応して第1及び第2設定スイッチS1、S2が配置されているため、2台のマニピュレータ11のうち、所望のマニピュレータ11の速度変更をより直感的に且つ正確に行うことができる。
このように使用中に動作速度を変更した場合には、図13Aに示すように、ディスプレイ104中段での表示が初期速度表示と同様な「M−0」となり、ファンクションスイッチF3に「Update」が表示される。そこで、ファンクションスイッチF3を選択操作することで、変更後の設定速度をメモリA〜Hのうちの所望のメモリに登録することができる。勿論、変更後の設定速度は、使用開始時に呼び出したメモリに上書き登録してもよく、他のメモリに上書き登録してもよく、又は速度情報が登録されていない空きメモリに登録してもよい。
例えば、メモリBの設定でマニピュレータシステム10を使用中、その変更前の速度(つまり、メモリBに予め登録されていた速度)が、アイテム1のニードルドライバ(Needle Driver)では、ロール軸動作速度が「5(最も速い)」、ヨー軸動作速度が「2(やや遅い)」であり、使用中に設定変更した後の速度が、図13Aに示すように、ロール軸動作速度が「3(基準速度)」、ヨー軸動作速度が「4(やや速い)」である場合には、図13Bに示すように、変更前の速度を示す数字の右横に矢印を挟んで変更後の速度が色彩を変えた多少小さいフォントで並列表示される。
これにより、使用者は、図13Bに示すように、変更前の設定速度情報と変更後の設定速度情報とを画面上で見比べることができ、「上書き」機能が付与されたファンクションスイッチF4を選択操作することで、容易に元のメモリBに登録変更することができる。勿論、他のメモリA等に変更後の設定速度情報を上書きしたい場合には、ファンクションスイッチF2、F3等を適宜操作して当該他のメモリの情報を表示し、その変更前の速度情報と変更後の速度情報とを画面上で見比べながら上書き操作すればよい。なお、図13Bにおいて、メモリEでは、設定速度情報が未登録となっていることから、「E」の表示の上部に「empty」との表示を行い、当該メモリEが空きメモリであることを明示している。
このような登録変更は、運転管理部118の速度設定部126を介して処理され、登録完了後は、運転管理部118及び表示制御部120を介して再び図7に示されるような速度表示画面(TOP画面)がディスプレイ104に自動的に表示されるため、使用者は、次の手技に円滑に移行し、又は手技を終了する。
なお、当該コンソール29の記憶部114は、1つのメモリA〜Hについて、同じ種類のアイテムは、1つのみ登録可能な仕様となっている。
そこで、図14Aに示すように、各コネクタ100、102に同じ種類の先端動作部12を持つ作業部16を接続して使用し(図14Aでは、2台のマニピュレータ11が両方ともニードルドライバ「Needle Driver」)、使用中にその動作速度を変更した場合には、図14Bに示すように、左右いずれの設定値を登録するか否かの選択画面を表示させることにより、所望の設定値を変更後の設定として登録変更することができる。すなわち、図14B中で、ファンクションスイッチF2(「右」)、F3(「左」)のいずれかを選択操作することで、選択された設定値を登録するための画面(図13Bの登録変更画面と略同様)が表示される。
勿論、コンソール29では、マニピュレータ11の接続前等、手技の開始前に各メモリA〜Hの情報を変更し、又は新規に登録することも可能であり、この場合には、ファンクションスイッチF1〜F4と画面表示とにより、その登録操作が促されるため、使用者は、図13Bに示す表示と同様な表示により、設定登録を容易に行うことができる。不要なメモリA〜Hの登録情報を削除することも勿論可能である。
また、手術後、マニピュレータ11をコネクタ100、102から取り外したり、作業部16を操作部14から取り外したりした後、再び、当該マニピュレータ11の直前の使用時における設定速度情報を登録したい場合には、図11A及び図11B中に2点鎖線で示すように、ファンクションスイッチF3に「Update」が表示される。そこで、このファンクションスイッチF3を選択操作することにより、記憶部114に一時的に記憶されている前記直前の使用時における設定速度情報が図13Bに示されるような登録変更画面と同様な画面がディスプレイ104に表示されるため、通常の設定変更時と同様な手順で容易に登録変更を行うことができる。
以上のように、マニピュレータシステム10では、ロール方向への回転動作及びヨー方向(又はピッチ方向)への揺動動作が可能な先端動作部について、その動作速度を変更可能な速度設定部126をコンソール29に備える。なお、速度設定部126は、本実施形態では、第1設定スイッチS1及び第2設定スイッチS2の選択操作によって速度設定を行うことから、速度設定部には設定スイッチS1、S2を含むものとしてもよい。これにより、マニピュレータ11を扱う使用者(医師)の個人差や先端動作部12の種類(鋏やニードルドライバ等)に応じて、そのロール方向への回転動作やヨー方向への揺動動作での動作速度を最適に設定変更することができ、高い操作性を得ることができる。
なお、ロール方向やヨー方向(又はピッチ方向)への動作速度の変更は、少なくとも一方のみ(例えば、ロール方向のみ)が可能であればよいが、高い操作性の確保等を考慮した場合には、両方とも個別に設定変更可能であることが望ましい。また、上記実施形態では、2台のマニピュレータ11を同時に制御するコンソール29を備えたマニピュレータシステム10を例示したが、勿論、1台のマニピュレータ11のみに対応したシステムとしてもよく、3台以上のマニピュレータ11に対応したシステムとしてもよい。
3. 手術用ロボットシステムの説明
本発明は、例えば、図15に示すような手術用ロボットシステム500に適用することもできる。
手術用ロボットシステム500は、多関節型のロボットアーム502と、ロボットアームを制御するコンソール(コントローラ)504とを有し、ロボットアーム502の先端には前記のマニピュレータ11と同様な機構が設けられている。ロボットアーム502の先端部508には、操作部14に代えて、内部に駆動機構30を収納した基部14aが固定され、該基部14aに対して、前記の先端動作部12が設けられた作業部16が着脱可能に取り付けられる。
ロボットアーム502は、作業部16を移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。ロボットアーム502は、独立的な6以上の関節(回転軸やスライド軸等)を有すると、作業部16の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のマニピュレータ11を構成する基部14aは、ロボットアーム502の先端部508と一体化している。
コンソール504には、操作指令部としての2つのジョイスティック506と、モニタ510が設けられている。コンソール504は、テーブル型、制御盤型等の構成を採ることができる。ロボットアーム502は、コンソール504の作用下によって動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール504に設けられたジョイスティック506に倣った操作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。コンソール504は、前記のコンソール29の機能を含んでいる。
この場合、モニタ510にディスプレイ104(図7参照)と同様な機能が設けられ、第1及び第2設定スイッチS1、S2やファンクションスイッチF1〜F4と同様なものが該モニタ510の周囲に設置されると共に、コンソール504にはコンソール29と同様なシステム制御部112や記憶部114等が搭載されている。また、基部14a及びジョイスティック506が操作部(本体部)14(図1参照)と同様な機能を果たすことになる。
2つのジョイスティック506により、2台のロボットアーム502を個別に操作することが可能である。なお、図15では、ロボットアーム502を1台だけ図示しているが、マニピュレータシステム10と同様に2台としてもよい。2つのジョイスティック506は、両手で操作し易い位置に設けられている。ジョイスティック506は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてロボットアーム502を動かすことができる。ジョイスティック506はマスターアームであってもよい。
ジョイスティック506には、グリップハンドル26Aと、押し引き操作されるトリガレバー36Aと、回動操作及び傾動操作される複合入力部24Aとが設けられている。トリガレバー36Aは、前記のトリガレバー36に代わるものであり、該トリガレバー36Aを操作することにより、図示しないモータ(人手によって操作する入力部に連動するアクチュエータ)を介して2本のロッド82a、82b(図3参照。図15中には図示せず)が進退駆動することができる。複合入力部24Aは、前記の複合入力部24に代わるものであり、複合入力部24Aを操作することにより、その操作内容に応じて、コンソール504により駆動機構30が制御され、先端動作部12のロール動作、傾動動作又はこれらの複合動作が行われる。この際、コンソール504に設けた第1設定スイッチS1等を操作することにより、マニピュレータシステム10と同様に先端動作部12の動作速度の変更・設定登録が可能となっている。
ロボットアーム502とコンソール504との間の通信手段は、有線、無線、ネットワークまたはこれらの組合せでよい。モニタ510には、軟性鏡による画像等の情報が表示される。
上記において、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

Claims (6)

  1. アクチュエータ(50a、50b)によって回転される駆動軸(60a、60b)、及び、前記アクチュエータ(50a、50b)を駆動する入力部(24)を有する本体部(14)と、
    前記駆動軸(60a、60b)によって従動回転される従動軸(70a、70b)、該従動軸(70a、70b)の回転によって動作される先端動作部(12)、及び、該先端動作部(12)を先端に設けたシャフト(18)を有し、前記本体部(14)に対して着脱可能な作業部(16)と、
    前記本体部(14)と接続されることで、前記入力部(24)への入力操作に基づき前記アクチュエータ(50a、50b)を駆動制御するコントローラ(29、504)と、
    を備え、
    前記先端動作部(12)は、前記入力部(24)への入力操作に基づき前記アクチュエータ(50a、50b)が駆動されることにより、少なくとも軸線方向に沿った回転動作、及び、前記軸線方向に交差した揺動動作が可能であり、
    前記コントローラ(29、504)は、前記アクチュエータ(50a、50b)の駆動速度を変更し、前記先端動作部(12)の前記回転動作及び前記揺動動作の動作速度をそれぞれ個別に変更可能な速度設定部(126)を有することを特徴とする医療用マニピュレータシステム(10)。
  2. 請求項1記載の医療用マニピュレータシステム(10)において、
    前記コントローラ(29、504)は、前記速度設定部(126)による前記先端動作部(12)の動作速度の設定値を記憶する記憶部(114)を有することを特徴とする医療用マニピュレータシステム(10)。
  3. 請求項2記載の医療用マニピュレータシステム(10)において
    記記憶部(114)には、前記回転動作及び前記揺動動作の動作速度の設定値の組み合わせを複数組登録可能であることを特徴とする医療用マニピュレータシステム(10)。
  4. 請求項3記載の医療用マニピュレータシステム(10)において、
    前記先端動作部(12)は複数種類あり、
    前記速度設定部(126)は、前記本体部(14)に装着される前記作業部(16)に設けられた前記先端動作部(12)の種類毎に前記動作速度を変更可能であると共に、該種類毎の前記動作速度の設定値を前記記憶部(114)に登録可能であることを特徴とする医療用マニピュレータシステム(10)。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の医療用マニピュレータシステム(10)において、
    前記コントローラ(29、504)は、前記本体部(14)及び前記作業部(16)を有する医療用マニピュレータ(11)を複数台同時に接続可能であると共に、各医療用マニピュレータ(11)の先端動作部(12)の動作速度をそれぞれ個別に変更可能であることを特徴とする医療用マニピュレータシステム(10)。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の医療用マニピュレータシステム(10)において、
    前記先端動作部(12)の設定速度を表示する表示部(104、510)を有することを特徴とする医療用マニピュレータシステム(10)。
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