JP5769324B2 - 手術用ロボットアーム及びその不動点誤差修正方法 - Google Patents

Description

本発明は、手術用ロボットアームの鉗子や内視鏡等の手術用器具を動作させるときの作用点と、患者に取り付けるポートの不動点との誤差を修正する技術に関するものである。

従来、手術用ロボットアームに使用される鉗子や内視鏡等の手術器具は、ポートと呼ばれる冶具を患者に取り付け、そのポートの不動点を起点として使用される。そのため、手術器具が体内で小さな負荷で操作できるように、ポートの不動点と手術器具の作用点とが一致した状態に設定されている。例えば、立体内視鏡操作システムとして、非特許文献１に記載されているような構成が知られている。
この立体内視鏡システムは、内視鏡等の手術器具を保持する保持部と、この保持部を所定位置に支持するクランク機構を有する支持アームと、この支持アームを上下方向の所定位置に配置させる空気圧シリンダ等の駆動機構と、前記支持アームの支持端部を中心に回転させる回転機構とを備えている。
そして、この立体内視鏡システムは、施術する患者のポートの位置に合わせて手術器具を位置調整して固定されることで使用されている。

しかし、前記した立体内視鏡操作システムは、一旦設置された位置での手術器具の操作が前提となっているので、例えば、患者の呼吸等によりポートの不動点と手術器具の作用点の位置が変化した場合、手術器具の操作精度が悪くなり、患者のポート周辺に対して余計な負担をかけてしまう。また、立体内視鏡操作システムでは、ポートの不動点と手術器具の作用点との位置に誤差が発生した場合に、その誤差を迅速に修正する対応ができないという問題が発生した。

そこで、従来、ポートの不動点と手術器具の作用点の位置が施術中に変化しても対応して調整できる手術用ロボットアームが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この手術ロボットアームは、手術器具が装着されたロボットアームに作用する外力を算出し、切開孔の中心点が設定されると、ロボットアームに作用する外力をフィルタリングし、切開孔の中心点から外れた手術器具が切開孔の中心点に復帰するようにする仮想力を算出し、算出された仮想力をフィルタリングされた外力に追加して、ロボットアームの動きを制御するものである。

特開２０１３−１３２７４７号公報

医工学治療（ＮＰＯ日本医工学治療学会 機関紙）Ｖｏｌ．２４ｎｏ．３（通巻８２号） ２０１２年１１月１日発行

しかし、前記した手術用ロボットアームでは、手術器具に係る外力の力を測定する測定機構及びその測定機構で測定した外力を吸収するように手術器具を支持しているロボットアームのモータ等を制御する制御機構が必要となり、構成が複雑になってしまった。また、従来の手術用ロボットは、例えば、患者の呼吸等による患部の移動が発生することで、手術器具の作用点と切開孔の中心点とがずれた場合、常に外力を測定して制御する必要があり、演算速度と制御機構とが高性能なものとなり、経済的な負担が大きかった。さらに、従来の手術用ロボットでは、手術器具の外力を測定する測定装置が必要であるため、停電等の不足の事態が発生すると初期状態から設定が必要になってしまった。

本発明は、前記した問題点に鑑みてなされたものであって、構成が簡単で従来と比較して経済的な負担が小さく、また、モータ等の駆動源がなくてもポートの不動点と手術器具の作用点の修正ができる手術用ロボットアーム及びその不動点誤差修正方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために本発明に係る手術用ロボットアーム及びその不動点誤差の修正方法では、以下に示す構成とした。
すなわち、手術用ロボットアームは、手術器具が装着される手術用ロボットアームであって、前記手術器具を支持して水平方向に移動させる第１移動支持アームと、この第１移動支持アームを支持して上下方向に移動させる昇降機構と、この昇降機構を支持して水平方向に移動させる第２移動支持アームと、を備え、前記第１移動支持アーム及び前記第２移動支持アームのいずれか一方は、前記手術器具にかかる外力により従動するように、水平方向に移動自在となる回動軸を有する水平多関節アームであり、前記昇降機構は、前記第１移動支持アームを支持し上下に案内してスライドさせるスライド手段と、このスライド手段に設けられスライド方向に沿って前記第１移動支持アームを上方に付勢する弾性部材と、を有し、前記弾性部材は前記手術器具が装着された第１移動支持アーム及び前記手術器具にかかる外力を支持するバネ定数に設定し、前記弾性部材は、定荷重ばねと引張ばねとで構成され、前記荷重を前記引張ばねよりも前記定荷重ばねのほうが大きくなるように設定して、前記定荷重ばねと前記引張ばねとを並列に設置した構成とした。

かかる構成により、手術用ロボットアームは、弾性部材により第１移動支持アーム及び手術器具が上方に付勢された状態で、患者に取り付けたポートの不動点と、手術器具の作用点が一致するように初めに設定される。そして、手術用ロボットアームは、手術を行うときに、例えば患者の呼吸等により、前記した不動点と作用点がずれるように手術器具に外力がかかることがある。手術用ロボットアームは、手術器具に外力がかかると、昇降機構の弾性部材がその外力に対応する荷重に従動して手術器具を降下あるいは上昇させることと、さらに、水平多関節アームが水平方向に従動する。手術用ロボットアームは、昇降機構及び水平多関節アームが手術器具にかかる外力により従動することで、ポートに設定された手術器具の姿勢を維持し、ポートの不動点と手術器具の作用点とを常に一致させるように誤差修正している。なお、手術用ロボットアームでは、水平多関節アームと、４自由度（手術器具を不動点周りにロール、ピッチ、ヨー、ズーム（長手方向））以上に移動させることができる移動支持アームの構成となる。また、かかる構成により、手術用ロボットアームは、第１移動支持アーム及び手術器具の荷重の多くの割合を定荷重ばねで支持し、残りの荷重及び手術器具にかかる外力に対応する荷重を引張ばねで支持するようになり、ポートの不動点と手術器具の作用点の誤差修正をスムーズに行うことができる。

さらに、手術用ロボットアームにおいて、前記定荷重ばねは、中央に配置され、前記引張ばねは、前記定荷重ばねの左右に配置さる第１引張ばね及び第２引張ばねを有する構成としてもよい。
かかる構成により、手術用ロボットアームは、定荷重ばねと第１引張ばね及び第２引張ばねの構成のバランスがよく、ポートの不動点と手術器具の作用点の誤差修正をよりスムーズに行うことができる。

そして、手術用ロボットアームにおいて、前記定荷重ばねは、前記手術器具を装着した第１移動支持アームの荷重の５割から１０割の荷重分担範囲で支持するバネ定数に設定し、
前記第１引張ばね及び前記第２引張ばねは、前記定荷重ばねの残りの荷重を支持するバネ定数、又は、前記荷重ばねの荷重分担が１０割のときに予め設定される前記外力により付加される荷重を支持するバネ定数を等分して設定した構成としても構わない。
かかる構成により、手術用ロボットアームは、定荷重ばねの荷重分担の割合を第１引張ばね及び第２引張ばねの荷重分担の割合よりも大きくすることで、手術器具にかかる外力に対応する荷重を第１引張ばね及び第２引張ばねで吸収することができる。

また、手術用ロボットアームにおいて、前記スライド手段は、前記第２移動支持アームに取り付けられるベースに着脱自在に固定された固定部と、この固定部に設置されたスライダと、このスライダに沿って移動する長尺状のスライドレールと、このスライドレールに設けられ前記第１移動支持アームを取り付けるアーム取付機構を有する取付部と、を備え、前記弾性部材は、前記固定部及び取付部にわたって設けられる構成としてもよい。
かかる構成により、手術用ロボットアームは、手術器具に外力が加わると、第２移動支持アームに固定された固定部に対して、弾性部材により上方に付勢され、かつ、スライダ及びスライドレールにより案内される取付部が、アーム取付機構に第１移動支持アームを取り付けた状態で、外力がかかる方向に従動することとなる。例えば、手術用ロボットアームの昇降機構では、手術器具に下方の外力が付加されれば、弾性部材が伸長して取付部が下方に従動する。また、手術用ロボットアームの昇降機構では、手術器具に上方の外力が付加されれば、弾性部材が収縮して取付部が上方に従動する。

本発明に係る手術用ロボットアーム及び手術用ロボットアームの不動点誤差修正方法によれば、以下に示すような優れた効果を奏する。
手術用ロボットアームは、昇降機構の弾性部材で手術器具にかかる上下方向の外力に従動し、第１移動支持アーム及び第２移動支持アームの少なくとも一方の多関節アームにより手術器具にかかる水平方向の外力に従動することで、ポートの不動点と手術器具の作用点とがずれないようにしているので、簡易な構成で不動点と作用点の誤差を常に一致させることができる。したがって、手術用ロボットアームは、不動点と作用点とをモータ等の駆動源を使用することなく常に整合させることになり、ポートの周辺に余計な負荷をかけることがなく、手術器具の操作精度が高く、かつ操作もしやすい。

手術用ロボットアームは、定荷重ばねが引張りばねよりも荷重分担の割合を大きくして並列に設定しているため、手術器具の作用点とポートの不動点の誤差修正を調整しやすく、誤差修正のために昇降移動する第１移動支持アームが安定静止しやすい。

手術用ロボットアームは、定荷重ばねの左右に第１引張ばね及び第２引張ばねを配置しているので、バランス良く手術器具の作用点とポートの不動点の誤差修正をよりスムーズに行うことができる。
そして、手術用ロボットアームは、分担する荷重を定荷重ばねと引張ばねで所定の割合にすることで、手術器具の作用点とポートの不動点との誤差を一致させる修正動作をスムーズに行うことができる。特に、手術用ロボットアームは、定荷重ばねで手術器具を装着している第１移動支持アームの全量を分担し、外力により手術器具にかかる変化量の荷重について引張ばねが分担することで、誤差修正を安定して最適に行うことができる。

手術用ロボットアームは、昇降機構のスライド手段を、固定部、スライダ、スライドレール及び取付部とすることで、構成が簡易であっても、手術器具にかかる外力（荷重）により取付部が昇降するように従動して、手術器具の作用点とポートの不動点を一致させるように維持することができる。

本発明に係る手術用ロボットアームを一部省略して模式的に示す斜視図である。 本発明に係る手術用ロボットアームの昇降機構を一部省略して模式的に示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る手術用ロボットアームの昇降機構を正面からの構成を模式的に示す正面図、背面図、側面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明に係る手術用ロボットアームの昇降機構の動作状態を模式的に説明するための模式図である。 本発明に係る手術用ロボットアームの第２移動支持アームの一部を省略して模式的に示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明に係る手術用ロボットアームの第２移動支持アームにおける動作状態を模式的に示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る手術用ロボットアームの設置から手術動作までの流れを模式的に示す模式図である。

本発明に係る手術用ロボットアーム及び不動点誤差修正方法について、図面を参照して説明する。なお、各図面において各構成の位置や大きさを誇張して示す場合がある。
図１に示すように、手術用ロボットアーム１は、鉗子や内視鏡等の手術器具ＯＰを患者Ｃ（図７（ａ）〜（ｃ）参照）の手術する位置に機械的に保持した状態とするものである。この手術用ロボットアーム１は、手術器具ＯＰを着脱自在に支持する第１移動支持アーム１０と、この第１移動支持アーム１０を上方に付勢し支持して昇降させる昇降機構３０と、この昇降機構３０を着脱自在に支持する第２移動支持アーム２０と、を備えている。なお、手術用ロボットアームは、第２移動支持アーム２０が、固定柱ＰＬ等（図７（ａ）参照）の固定手段に設置され、水平多関節アームである構成として説明する。

図１に示すように、手術器具ＯＰは、患者Ｃ（図７（ａ）〜（ｃ）参照）に対して手術を行う場合に、必要な鉗子や内視鏡等の器具であり、特に限定されるものではない。ここで使用される手術器具ＯＰは、予め第１移動支持アーム１０で着脱自在に装着できるように形成されているものが使用されている。

第１移動支持アーム１０は、一例として、手術器具ＯＰを着脱自在に支持して所定方向に空気圧を駆動源として移動する構成を備えている。この第１移動支持アーム１０は、空気圧で駆動するエアシリンダ１１と、このエアシリンダ１１の駆動により動作するリンク機構１２と、リンク機構１２の基端側を支持する共に上下方向（昇降方向）にリンク機構１２を移動させる上下機構１３と、エアシリンダ１１及びリンク機構１２の先端側に設けられた手術器具ＯＰを着脱自在に支持する器具着脱機構１４とを備えている。なお、第１移動支持アーム１０は、例えば、手術器具ＯＰを４自由度（手術器具を不動点周りにロール、ピッチ、ヨー、ズーム（長手方向））で移動できるようにここでは構成されている。

器具着脱機構１４は、エアシリンダ１１及びリンク機構１２の先端を接続する接続柱体１４ａと、この接続柱体１４ａに対面した設けたシールド板１４ｂと、このシールド板１４ｂに設けた手術器具ＯＰの保持部１４ｃとを主に備えている。
この第１移動支持アーム１０は、エアシリンダ１１の伸縮でリンク機構１２の伸縮駆動を行い、また、上下機構１３の駆動でリンク機構１２の上下位置を調整することで、保持部１４ｃに保持する手術器具ＯＰの位置を設定している。
この第１移動支持アーム１０は、支持する手術器具ＯＰを患者Ｃに取り付けたポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｂ）参照）に合うように設定することができる構成であれば、特に限定されるものではない。また、器具着脱機構１４は、手術器具ＯＰを支持して操作できる既存の構成であれ、限定されるものではない。

図１及び図２に示すように、昇降機構３０は、第１移動支持アーム１０を上方に付勢して昇降自在に支持するものである。昇降機構３０は、第２移動支持アーム２０と第１移動支持アーム１０との間に接続されている。この昇降機構３０は、スライド手段３１と、このスライド手段３１のスライド方向に沿ってスライド手段３０に設置された弾性部材３６とを備えている。

スライド手段３１は、第２移動支持アーム２０に取り付けられるベースＢを着脱自在に固定する固定部３２と、この固定部３２に設置されたスライダ３３（図３（ｃ）参照）と、このスライダ３３に沿って移動する長尺状のスライドレール３４（図３（ｃ）参照）と、このスライドレール３４に設けられた第１移動支持アーム１０を取り付ける取付部３５と、を備えている。なお、スライド手段３１は、一側にスライダ３３及びスライドレール３４を配置し、他側に弾性部材３６を配置している、また、弾性部材３６は、固定部３２及び取付部３５にわたって設置されている。

図２及び図３に示すように、固定部３２は、ベースＢを挿通して固定するベース支持部３２ａと、このベース支持部３２ａに設けられ、弾性部材３６の一端側を固定すると共に、スライダ３３が設置される固定板部３２ｂと、を備えている。

ベース支持部３２ａは、弾性部材３６が設けられる側とは反対側に突出してベースＢの挿通穴を形成した挿通部３２２ａと、この挿通部３２２ａが接続されると共に、固定板部３２ｂを支持する固定ブロック３２１ａとを備えている。なお、挿通部３２２ａは、ベースＢが挿通されてベース長手方向の所定位置でネジ等の固定手段によりベースＢを固定するように構成されている。また、挿通部３２２ａは、固定ブロック３２１ａ側にフランジ３２３ａを形成し、このフランジ３２３ａのネジ穴にネジ等で固定ブロック３２１ａに接続されるように構成されている。さらに、固定ブロック３２１ａは、固定板部３２ｂの上端側を、挿通部３２２ａのフランジ３２３ａと重ねてネジ等で固定して支持している。この固定ブロック３２１ａは、直方体形状に形成され固定板部３２ｂよりも厚みをもっている。そして、固定ブロック３２１ａは、長手方向の中央で上下方向に貫通穴３２４ａが形成され、後記するスライドレール３４の他端側が挿通できるように構成されている。

固定板部３２ｂは、一側板面において、弾性部材３６である定荷重ばね３７（巻回したばね部３７ａ、ブラケット３７ｂ）と、弾性部材３６である第１引張ばね３８ａ及び第２引張りばね３８ｂの一端と、が取り付けられ、他側板面においてスライダ３３が設けられている。なお、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、固定板部３２ｂは、ここでは第１案内固定板３２１ｂと、この第１案内固定板３２１ｂに対向して所定間隔を空けて平行に設けた第２案内固定板３２２ｂとにより構成されている。そして、第１案内固定板３２１ｂは、その上端側を固定ブロック３２１ａと挿通部３２２ａのフランジ３２３ａとの間に挟持された状態でネジ等により固定されている。また、第２案内固定板３２２ｂは、その一端側を固定ブロック３２１ａの下面に当接させた状態で、第１案内固定板３２１ｂと対面させ、スライダ３３を設置できる間隔を空けてネジ等で固定されている。

図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、スライダ３３は、スライドレール３４を挿通して上下に案内するものである。このスライダ３３は、第２案内固定板３２２ｂの他側板面に固定され、第１案内固定板３２１ｂと第２案内固定板３２２ｂとの間に設けられている。スライダ３３は、ここでは固定板部３２ｂの中央に配置されている。
なお、定荷重ばね３７のブラケット３７ｂと、第１引張ばね及び第２引張ばねのそれぞれの一端とが、第２案内固定板３２２ｂの一側板面に取り付けられている。

弾性部材３６である定荷重ばね３７は、コイル状に巻回したばね部３７ａと、このばね部３７ａを巻取りあるいは引出し自在に支持するブラケット３７とを備えている。この定荷重ばね３７は、ばね部３７ａの先端が引き出されて一定の荷重で巻取り方向（上方向）に付勢されるものである。この定荷重ばね３７は、第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの荷重を支えるばね定数となるように構成されている。例えば、定荷重ばね３７は、第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの荷重が９８Ｎ（１０Ｋｇｆ）であれば、その９８Ｎ（１０Ｋｇｆ）を定荷重として支えるバネ定数となるように構成されている。

弾性部材３６である第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、定荷重ばね３７を中央としてその両側に並列して設置されている。この第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、手術器具ＯＰにかかる外力による荷重を支持できるバネ定数に設定されている。例えば、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、手術器具ＯＰにかかる外力が２０Ｎ（１９．６Ｋｇｆ）であると設定した場合には、半分の１０Ｎをそれぞれが支えることができる５〜２０Ｎあるいは１０〜３０Ｎの範囲で有効なバネ定数のものが使用され、合計で２０Ｎを有効に支持できるように設定される。この第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、例えば、コイルスプリングが使用され、その一端を固定板部３２ｂに係合し、その他端を取付部３５に係合している。

なお、ここで使用される定荷重ばね３７と、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂとの最良である条件は、（定荷重ばねの発揮力＋（引張ばねのばね定数×ばねの伸び））が、（第１移動支持アームと手術器具の合計荷重）となっていることが好ましい。そして、定荷重ばね３７と第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂとで、第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰを支持したときに、スライダ３３に対するスライドレール３４の位置が移動方向における真ん中に位置するようになることが好ましい。つまり、弾性部材３６が手術器具ＯＰ及び第１移動支持アーム１０を上方に付勢して支持されたときに、スライドレール３４が上下に均等な距離を移動できる状態に設定されていることが好ましい。

図２及び図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、取付部３５は、固定部３２から近接離間自在に設けられている。この取付部３５は、板状に形成され、一側板面において、定荷重ばね３７の先端側が固定され、かつ、第１引張ばね３８ａ及び第２引張りばね３８ｂの他端側が係合して固定部３２に昇降可能に設けられている。また、取付部３５は、他側板面においてスライドレール３４の一端がネジ等で固定され、スライドレール３４の他端側を上方に突出してスライドレール３４がスライダ３３に挿通できる状態で設けられている。なお、スライドレール３４は、スライダ３３から抜け落ちないように、その他端に図示しないストッパが形成されていることが好ましい。

さらに、取付部３５は、定荷重ばね３７を固定した位置の下方に第１移動支持アーム１０の基端側を着脱自在に支持するアーム取付機構４０を備えている。この取付部３５は、定荷重ばね３７、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂの伸縮により、スライドレール３４がスライダ３３に案内されることで、そのスライダ３３及びスライドレール３４で特定される軌道上を上下方向（昇降方向）に移動する。

図１に示すように、取付部３５のアーム取付機構４０は、既存の構成を採用すればよく、使用される第１移動支持アーム１０に対応して形成されている。このアーム取付機構４０は、ここでは、取付部３５の板面に直交する棒状に形成されている。アーム取付機構４０は、リンク機構１２の基端側を支持して上下動自在に移動させる上下動機構１３が取り付けられると共に、エアシリンダ１１の基端側が接続冶具（図面上は省略）を介して接続されている。

以上のように構成されている昇降機構３０は、手術器具ＯＰにかかる外力が昇降方向であったときには、その外力の荷重に従動して第１移動支持アーム１０を昇降させて手術器具ＯＰの作用点とポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｄ）参照）とがずれないようにしている。
例えば、手術器具ＯＰが患者Ｃの呼吸により設定位置から下方向に移動した場合について昇降機構３０は次のように動作する。

つまり、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、手術器具ＯＰの下方の移動に伴って第１移動支持アーム１０に下方に移動させる力がかかる。そのとき昇降機構３０は、定荷重ばね３７がその下方に移動せる力の分の荷重だけ、設定位置から下方に引き出され、併せて、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂが下方にかかる荷重に対応して伸長する。
そして、昇降機構３０は、定荷重ばね３７が引き出され、かつ、第１引張ばね３８ａ，第２引張ばね３８ｂが伸長するときに、スライダ３３に挿通しているスライドレール３４が案内されて、取付部３５を固定部３２から離間する方向に移動さることで、第１移動支持アーム１０を降下させる。

したがって、昇降機構３０は、第１移動支持アーム１０を手術器具ＯＰにかかる外力に従動して降下させることで、手術器具ＯＰを降下させて手術器具ＯＰの姿勢を保ち、手術器具ＯＰの作用点とポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｄ）参照）との位置がずれないように動作することになる。
このように、昇降機構３０は、手術器具ＯＰに外力として下方向に力がかかると、その下方向の力に従動して第１移動支持アーム１０を移動させることで、手術器具ＯＰの姿勢を保ち、手術器具ＯＰ作用点とポートＰの不動点がずれることなく一致した状態を維持する。

また、手術器具ＯＰが患者Ｃの呼吸により設置位置から上方向に移動した場合、図４（ｃ）に示すように、昇降機構３０は、定荷重ばね３７がその移動しようとする力に対応する分だけ上方に巻き取られ、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂが上方にかかった力（荷重）に対応する分だけ収縮する。
そして、昇降機構３０は、定荷重ばね３７が巻き取られ、かつ、第１引張ばね３８ａ，第２引張ばね３８ｂが収縮するときに、スライダ３３に挿通しているスライドレール３４が案内されて、取付部３５を固定部３２に近接する方向に移動することで、第１移動支持アーム１０を上昇させる。

したがって、昇降機構３０は、第１移動支持アーム１０を外力に従動して上昇させることで、手術器具ＯＰを上昇させて手術器具ＯＰの姿勢を保持し、手術器具ＯＰの作用点とポートＰの不動点Ｄ１との位置がずれないように動作する。
このように、手術器具ＯＰに外力として上方向に力がかかると、その上方向の力に従動して手術器具ＯＰの姿勢を保ち、手術器具ＯＰ作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｄ）参照）がずれることなく一致した状態を維持する。

つぎに、図５に示すように、第２移動支持アーム２０は、昇降機構３０を支持して水平方向に移動することができるものである。この第２移動支持アーム２０は、例えば、水平多関節アーム（スカラ型パッシブアーム）が使用され、外部からの力がかかると、そのかかった力（荷重）に従動して移動できるように水平方向に移動自在に構成されている。第２移動支持アーム２０は、ベースＢを挟持する挟持部２１と、この挟持部２１を回動自在に支持する先端支持部２２と、この先端支持部２２を垂直方向に所定角度に支持する第１関節アーム２３と、この第１関節アーム２３を、第１固定軸２４ａを介して支持する第２関節アーム２４と、この第２関節アーム２４を、第２回動軸２５ａを介して水平方向に回動自在に支持する第３関節アーム２５とを備えている。なお、第３関節アーム２５は、ここでは、図７（ａ）に示す固定柱ＰＬ等の固定物に第３回動軸２６ａを介して取り付けられている。

この第２移動支持アーム２０は、モータ等の駆動源がない状態で、挟持部２１、第２回動軸２５ａ、第３回動軸２６ａが水平方向に自在に回動できる状態となっている。したがって、第２移動支持アーム２０は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、水平方向に従動することができる。なお、図６では、第１固定軸２４ａから第３回動軸２６ａまでを模式的に示して水平方向の従動について説明する。

設定位置として仮定する図６（ａ）に示す位置から、手術器具ＯＰにかかる外力の水平方向であるｘ方向の力であった場合、その水平方向の力に沿って第２関節アーム２４及び第３関節アーム２５が、第２回動軸２５ａから第３回動軸２６ａが回動することで従動して、手術器具ＯＰの作用点の位置をポートＰの不動点の位置からずらさないように動作する。つまり、第２移動支持アーム２０は、水平方向に力がかかったときに、ベースＢの水平方向おける位置を従動して移動させ、手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１とが常に一致している状態を維持する。

また、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、手術器具ＯＰにかかる外力の水平方向にかかる力がｙ方向であった場合、その水平方向の力に沿って第２関節アーム２４及び第３関節アーム２５が、第２回動軸２５ａ及び第３回動軸２６ａが回動することで従動して、手術器具ＯＰの作用点の位置をポートＰの不動点の位置からずらさないように動作する。
以上のように第２移動支持アーム２０は、ここでは、水平多関節アームとして作動して手術器具ＯＰを水平方向に従動することができる。

つぎに、手術用ロボットアーム１の動作を説明する。
手術用ロボットアーム１は、図７（ａ）に示すように、はじめに、手術台の近くに設置された固定柱ＰＬに取り付けられ準備される。そして、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、手術用ロボットアーム１は、手術が開始され、患者Ｃに取り付けたポートＰの位置に、手術器具ＯＰが位置するように調整され、第１移動支持アーム１０を操作して、手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｄ）参照）とが一致するように設定される。

そして、手術が進んでいくことに伴い、例えば、患者Ｃの呼吸等によりポートＰの位置が移動することや、あるいは、手術器具ＯＰの動作により、ポートＰの不動点Ｄ１と手術器具ＯＰの作用点Ｓ１との位置関係にずれが発生する原因が生じる場合がある。つまり、手術器具ＯＰに外力がかかることで、ポートＰの不動点Ｄ１と手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とのずれる原因が生じることになる。

手術用ロボットアーム１は、手術器具ＯＰに外力がかかった場合に、第２移動支持アーム２０が水平方向の外力に対応して従動し、昇降機構３０が上下方向（昇降方向）の外力に対応して従動し、手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１とを一致した状態を、モータ等の駆動源がなくても保持することができる。
具体的には、すでに図４（ａ）〜（ｃ）及び図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、水平方向および昇降方向において、手術器具ＯＰにかかる力（荷重）により従動して、昇降機構３０が手術器具ＯＰを支持している第１移動支持アーム１０を降下あるいは上昇させ、第２移動支持アームが水平方向に昇降機構３０を移動させている。

したがって、手術用ロボットアーム１は、昇降機構３０及び第２移動支持アーム２０が、モータ等の駆動機構を使用することなく、手術器具ＯＰに受けた外力（荷重）に従動するので、手術中における手術器具ＯＰにかかる外力に合わせて昇降方向および水平方向に第１移動支持アームを移動させ、手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１とがずれないように確実に保持することができる。
そして、手術用ロボットアーム１では、予めポートＰの不動点Ｄ１に整合するように設置された手術器具ＯＰの作用点Ｓ１がずれることなく保持された状態で手術器具ＯＰを施術者が操作することが可能となり、患者Ｃに対して最小侵襲性手術において患者の負担を小さくし、かつ、手術器具ＯＰの扱いもし易くなるものである。

なお、手術用ロボットアーム１は、以上のように説明したが、以下に示すような構成であっても構わない。
手術用ロボットアーム１は、弾性部材３６として、定荷重ばね３６と、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂとを用いて第１移動支持アーム１０を従動的に昇降させる構成としたが、弾性部材３８として、定荷重ばね３６と、一つの引張ばねとで構成し、定荷重ばねの中心位置に設置高さ（板面からの距離）を変えて並列に設置する構成としても構わない。

また、手術用ロボットアーム１は、弾性部材３６として、引張ばねのみを使用する構成としても構わない。引張ばねのみを弾性部材３６として使用する場合には、第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの荷重と、手術器具ＯＰに外力としてかかる荷重を支持できる範囲のバネ定数（バネ剛性）を備えていればよい。なお、昇降機構３０は、引張ばねのみの使用した場合に比較して、定荷重ばね３７及び引張ばねの組み合わせにより使用されるほうが、より小さいばね定数の引張ばねを使用することができるので、小さい外力にも敏感に従動するように構成することが可能になる。

また、手術用ロボットアーム１では、定荷重ばね３７に第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの全荷重を支持させ、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂに手術器具ＯＰにかかる外力の荷重を担うように設定する構成として説明したが、その割合を次のようにしても構わない。つまり、定荷重ばね３７に第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの全荷重の５割から１０割の範囲とし、引張ばね（１つまたは２つの場合）に残りの荷重を担うようにしてもよい。定荷重ばね３７の荷重の分担の割合をおおきく、引張ばねで小さな荷重を分担させるほうが従動する調整がし易く、昇降動作が安定してより好ましい。

また、第２移動支持アーム２０を水平多関節アームとして説明したが、第１移動支持アーム１０を水平多関節アームとし、第２移動支持アームに駆動源を備える構成としても構わない。
さらに、弾性部材３６として定荷重ばねと引張ばねとの構成として説明したが、空気ばね等の他の構成であっても同等の動作をすることができるものであれば、限定されるものではない。
また、固定部３２は、固定板部３２を第１案内固定板３２１ｂ及び第２案内固定板３２２ｂの２枚として説明したが、１枚の板材の表裏にスライダ３３及び弾性部材３６を設置する構成としても構わない。

そして、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、ばね収納筒体に収納される構成としても構わない。そして、ばね収納筒体は、ばねの伸縮状態にあわせて、伸縮するように構成され、例えば、直径が異なる円筒ケースの一方が他方に挿入さればねの伸縮で挿入深さが変わり伸縮できるように構成されていても構わない。ばね収納筒体を使用する場合には、筒体一端が固定部３２に支持され、筒体他端が取付部に支持されることで、スライドガイドの役割を担うことが可能となり、スライダ３３及びスライドレール３４の代わりのガイド手段として使用することや、スライダ３３及びスライドレール３４と併せてガイド手段として使用することも可能となる。

さらに、昇降機構３０は、取付部３５を案内するスライダ３３及びスライドレール３４が、板面の中央に配置される構成として説明したが、固定部３２及び取付部３５の両側端にスライダ３３と同等の機能となるガイドを設け、そのガイドにスライドレール３４と同等の機能となるレールを挿通させることで、取付部３５の昇降動作を案内する構成としても構わない。つまり、スライダ３３及びスライドレール３４の取付位置は、限定されず取付部３５の昇降動作を案内することができる構成であれば限定されるものではない。
なお、昇降機構３０は、その構成全体をカバー体で収納するようにしても構わない。
以上説明したように、本発明にかかる手術用ロボットアーム１は、本発明を逸脱しない範囲で、種々の変更ができることは勿論である。

１ 手術用ロボットアーム
１０ 第１移動支持アーム
１１ エアシリンダ
１２ リンク機構
１３ 上下機構
１４ 器具着脱機構
１４ａ 接続柱体
１４ｂ シールド板
１４ｃ 保持部
２０ 第２移動支持アーム
２１ 挟持部
２２ 先端支持部
２３ 第１関節アーム
２４ 第２関節アーム
２４ａ 第１固定軸
２５ 第３関節アーム
２５ａ 第２回動軸
２６ａ 第３回動軸
３０ 昇降機構
３１ スライド手段
３２ 固定部
３２ａ ベース支持部
３２ｂ 固定板部
３３ スライダ
３４ スライドレール
３５ 取付部
３６ 弾性部材
３７ａ ドラム
３７ｂ ブラケット
３８ 弾性部材
４０ アーム取付機構
３２１ａ 固定ブロック
３２１ｂ 第１案内固定板
３２２ａ 挿通部
３２２ｂ 第２案内固定板
３２３ａ フランジ
３２４ａ 貫通穴
Ｂ ベース
Ｃ 患者
Ｄ１ 不動点
ＯＰ 手術器具
Ｐ ポート
ＰＬ 固定柱
Ｓ１ 作用点

Claims (4)

1. 手術器具が装着される手術用ロボットアームであって、
   前記手術器具を支持して水平方向に移動させる第１移動支持アームと、この第１移動支持アームを支持して上下方向に移動させる昇降機構と、この昇降機構を支持して水平方向に移動させる第２移動支持アームと、を備え、
   前記第１移動支持アーム及び前記第２移動支持アームのいずれか一方は、前記手術器具にかかる外力により従動するように、水平方向に移動自在となる回動軸を有する水平多関節アームであり、
   前記昇降機構は、
   前記第１移動支持アームを支持し上下に案内してスライドさせるスライド手段と、このスライド手段に設けられスライド方向に沿って前記第１移動支持アームを上方に付勢する弾性部材と、を有し、
   前記弾性部材は前記手術器具が装着された第１移動支持アームの荷重及び前記手術器具にかかる外力による荷重を支持するバネ定数に設定し、
   前記弾性部材は、定荷重ばねと引張ばねとで構成され、前記荷重を前記引張ばねよりも前記定荷重ばねのほうが大きくなるように設定して、前記定荷重ばねと前記引張ばねとを並列に設置した手術用ロボットアーム。
2. 前記定荷重ばねは、中央に配置され、前記引張ばねは、前記定荷重ばねの左右に配置さる第１引張ばね及び第２引張ばねを有する請求項１に記載の手術用ロボットアーム。
3. 前記定荷重ばねは、前記手術器具を装着した第１移動支持アームの荷重の５割から１０割の荷重分担範囲で支持するバネ定数に設定し、
   前記第１引張ばね及び前記第２引張ばねは、前記定荷重ばねの残りの荷重を支持するバネ定数、又は、前記荷重ばねの荷重分担が１０割のときに予め設定される前記外力により付加される荷重を支持するバネ定数を等分して設定した請求項２に記載の手術用ロボットアーム。
4. 前記スライド手段は、前記第２移動支持アームに取り付けられるベースに着脱自在に固定された固定部と、この固定部に設置されたスライダと、このスライダに沿って移動する長尺状のスライドレールと、このスライドレールに設けられ前記第１移動支持アームを取り付けるアーム取付機構を有する取付部と、を備え、
   前記弾性部材は、前記固定部及び取付部にわたって設けられる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の手術用ロボットアーム。

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