JP5996492B2 - 関節機構および医療機器 - Google Patents

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Description

本発明は、関節機構および医療機器に関するものである。
従来、軸部と、該軸部の両端に互いにねじれの位置関係に配置される回転軸回りに回転可能に設けられた２つのギアと、該ギアの回転軸と平行な連結ピンを介して各ギアに連結されたばねリンクとを備える関節機構が知られている。（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の関節機構は、一方のギアの回転運動に伴い、ばねリンクが軸部の軸断面方向に弾性変形しながら他方のギアに回転力を伝達させ、他方のギアを回転させている。
特開２０１２−９１３１０号公報
しかしながら、特許文献１の関節機構は、ギアの回転力を回転軸別のギアに伝達するリンクが、ばね部材で形成されているため、関節機構に高負荷がかかると負荷に耐えることができずに弾性変形してしまい、回転力を伝達できないという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される２つの回転部材間において高負荷の回転力を伝達することができる関節機構およびこれを備える医療機器を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、２つの回転部材と、２つの該回転部材を、相互に間隔をあけてねじれの位置関係に配置される２つの関節軸回りに回転可能に支持する支持部材と、前記回転部材間において回転力を伝達する回転力伝達機構とを備え、該回転力伝達機構が、２つの前記関節軸にそれぞれ直交する平面どうしの交差線に平行な方向のみに移動可能に支持される剛体からなる伝達部材と、該伝達部材と２つの前記回転部材との間にそれぞれ配置され、前記回転部材の回転運動を前記伝達部材の直線運動に変換するカム機構またはリンク機構とを備える関節機構を提供する。
本態様によれば、支持部材に回転可能に支持された一方の回転部材に一方の関節軸回りの回転力を加えると、回転力伝達機構の作動により、該回転部材の回転運動は一方のカム機構またはリンク機構によって伝達部材の直線運動に変換され、さらに、他方のカム機構またはリンク機構によって、伝達部材の直線運動が他方の回転部材の回転運動に変換される。すなわち、一方の関節軸回りの一方の回転部材の回転運動は、ねじれの位置関係に配置された他方の関節軸回りの他方の回転部材の回転運動として伝達される。その結果、支持部材よりも基端側に配置される部材に対する一方の関節軸回りの支持部材の揺動平面と、支持部材よりも先端側に配置され他方の回転部材に接続された部材の支持部材に対する揺動平面とを非平行に設定することができ、２つの関節軸回りの屈曲を組み合わせることにより、基端側の部材に対して先端側の部材の先端を３次元的に移動させることができる。
この場合において、一方の回転部材の回転運動は、２つのカム機構またはリンク機構と剛体からなる伝達部材とによって、他方の回転部材の回転運動として確実に伝達される。したがって、支持部材よりも先端側の部材に高い負荷がかかっても、ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される２つの回転部材間において高負荷の回転力を伝達して、その高負荷に耐えることができ、先端側の部材を精度よく移動させることができる。
上記態様においては、前記支持部材に、前記伝達部材を直線移動可能に支持するガイド部材が設けられていてもよい。
このようにすることで、伝達部材の直線運動が、ガイド部材によってブレのないように支持され、２つのカム機構またはリンク機構を高精度に動作させることができる。
上記態様においては、前記カム機構が、前記回転部材または前記伝達部材の一方に設けられ前記伝達部材の移動方向に交差する方向に延びる長孔と、該長孔内に該長孔の長手方向に移動可能に収容され、前記回転部材または前記伝達部材の他方に設けられた可動部とを備えていてもよい。
このようにすることで、一方の回転部材が回転させられると、該回転部材に設けられた長孔または可動部が回転部材とともに円弧運動させられる。円弧運動による回転力の内、伝達部材の移動方向の力成分は、可動部と長孔の内側面とを突き当てることにより回転部材から伝達部材に伝達される一方、伝達部材の移動方向に交差する方向の力成分は、可動部を長孔の長手方向に移動させることで逃がされる。これにより、一方の回転部材の回転運動を伝達部材の直線運動に簡易に変換することができる。
また、伝達部材が直線運動させられると、該伝達部材に設けられた長孔または可動部が伝達部材とともに直線運動させられる。直線運動による押圧力は、可動部と長孔の内側面とを突き当てることにより伝達部材から他方の回転部材へと伝達される。他方の回転部材は、可動部を長孔の長手方向に移動させることで、円弧運動することが許容される。これにより、伝達部材の直線運動を他方の回転部材の回転運動に簡易に変換することができる。
上記態様においては、前記長孔の内側面およびこれに接触する前記可動部の側面の少なくとも一方が、摩擦を低減する材質により構成されていてもよい。
このようにすることで、回転部材と伝達部材との間で力が伝達される際に、可動部と長孔とが相対的に移動させられても、両者間で発生する摩擦が低減され、力を効率よく伝達することができる。
上記態様においては、前記リンク機構が、リンク部材と、該リンク部材の両端を前記関節軸に平行な２つの軸線回りに揺動可能に前記回転部材と前記伝達部材とに取り付ける２つの揺動軸部とを備えていてもよい。
このようにすることで、回転部材が関節軸回りに回転すると、関節軸に平行な軸線回りに揺動可能に連結されたリンク部材が回転部材および伝達部材に対して揺動し、回転部材の回転運動が伝達部材の直線運動に変換される。この場合に、リンク機構によって、部材のたわみやガタを生じることなく、回転運動を直線運動に変換でき、力を効率よく伝達することができる。
上記態様においては、前記伝達部材が２つのピストンからなり、前記ガイド部材が前記２つのピストンを直線運動可能に収容し、ピストン間に非圧縮性流体を封入可能な貫通孔を有するシリンダ部材からなっていてもよい。
このようにすることで、シリンダ部材によって２つのピストンが、高剛性にかつ高精度に直線移動可能に支持され、一方の回転部材から他方の回転部材への力をより確実に伝達することができる。
本発明の他の態様については、先端にエンドエフェクタを有する第１のリンクと、第２のリンクと、これらのリンクを連結する関節機構が上記各態様のうちいずれか一態様の関節機構を組込んだ医療機器を提供してもよい。
本態様においては、２つのリンクを関節機構に連結すると、第１のリンクの支持部材に対する揺動平面と第２のリンクの支持部材に対する揺動平面とがねじれの位置関係となるため、２つの関節軸回りの屈曲を組み合わせることにより、第２のリンクに対してエンドエフェクタを３次元的に移動させることができる。これにより、動物や人の体内等の医療処置が困難な場所においても、所望の位置および方向にエンドエフェクタを配置して処置や観察を容易にすることができる。
本発明によれば、ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される２つの回転部材間において高負荷の回転力を伝達することができるという効果を奏する。
本発明の実施形態に係る医療機器を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る関節機構の詳細図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る関節機構の基端側の平歯車が時計回りに回転するときのカム機構の拡大図である。（ｂ）本発明の実施形態に係る関節機構の基端側の平歯車が反時計回りに回転するときカム機構の拡大図である。 本発明の実施形態に係る関節機構を用いた医療機器の全体構成図である。 本発明の実施形態の第１の変形例に係るカム機構の拡大横断面図である。 本発明の実施形態の第２の変形例に係るカム機構の拡大横断面図である。 本発明の実施形態の第３の変形例に係る関節機構の概略図である。
本発明の一実施形態に係る関節機構１および医療機器２について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る医療機器２は、図１に示されるように、患者Ｐの体内に挿入されて患部を処置する鉗子のようなエンドエフェクタ３を先端に備える処置具である。医療機器２は、２つのリンク部材４，５と、これらのリンク部材４，５を連結する本実施形態に係る関節機構１とを備えている。先端側に配置されるリンク部材４は、先端にエンドエフェクタ３を支持している。基端側に配されるリンク部材５は、支柱６の上端に揺動可能に支持されている。図１中、符号７はリンク部材４を駆動する駆動部７、符号８は駆動部７を制御する操作部８１を有する制御部８である。
本実施形態に係る関節機構１は、図２に示されるように、２つの平歯車（回転部材）９，１０と、これらの平歯車９，１０を、相互に間隔をあけたねじれの位置関係に配置される２つの関節軸Ａ，Ｂ回りに回転可能に支持する支持部材１１と、平歯車９，１０間において回転力を伝達する回転力伝達機構１２とを備えている。
支持部材１１は、図２に示されるように、棒状に形成されており、その両端に、関節軸Ａ，Ｂ回りに略１８０°の角度範囲にわたって形成された平歯車部２０，２３を一体に備えている。
回転力伝達機構１２は、図２に示されるように、直線移動可能に支持された剛体からなる直棒状の伝達部材１３と、該伝達部材１３の直線運動と平歯車９，１０の回転運動とを相互に変換するカム機構１４とを備えている。
カム機構１４は、図２または図３（ａ），（ｂ）に示されるように、伝達部材１３の両端に設けられ、該伝達部材１３の移動方向に直交する方向に延びる長孔１５と、各平歯車９，１０に関節軸Ａ，Ｂに平行に固定され、長孔１５内にその長手方向に移動可能に収容されたピン（可動部）１６とを備えている。
伝達部材１３は、図２に示されるように、支持部材１１に設けられたガイド部材１７によってブレのない直線運動を行うように支持されている。ガイド部材１７は、２つの関節軸Ａ，Ｂにそれぞれ直交する平面の交差線に平行な方向に伝達部材１３を直線運動させるように支持している。
すなわち、回転力伝達機構１２においては、平歯車９が関節軸Ａ回りに回転すると、該平歯車９に固定されているピン１６も回転運動させられる。ピン１６の円弧運動は、ガイド部材１７によって一方向に直線移動可能に支持されている伝達部材１３の移動方向の成分とこれに直交する方向の成分とを含んでいる。
基端側のカム機構１４においては、ピン１６が長孔１５の内側面１５ａを押すことにより、伝達部材１３の移動方向の成分が、伝達部材１３を直線移動させることにより直接伝達され、伝達部材１３の移動方向に直交する方向の成分は、ピン１６を長孔１５内において相対移動させることにより、伝達部材１３に伝達されることなく逃がされる。これにより、平歯車９の回転運動が伝達部材１３の直線運動に変換される。
また、先端側のカム機構１４においては、伝達部材１３が直線移動することにより、伝達部材１３に設けられた長孔１５が直線移動させられる。長孔１５内に収容されているピン１６は、長孔１５の内側面１５ａによって押されることにより移動させられる。ピン１６は、関節軸Ａとねじれの位置関係にある関節軸Ｂ回りに回転可能に支持された平歯車１０に固定されているので、伝達部材１３の移動量と同じだけ、伝達部材１３の移動方向の成分を有する回転運動をさせられ、伝達部材１３の移動方向に直交する成分については、長孔１５内においてピン１６を相対移動させることにより逃がされる。これにより、伝達部材１３の直線運動が平歯車１０の回転運動に変換され、関節軸Ａ回りの平歯車９の回転運動を、関節軸Ａとはねじれの位置関係にある関節軸Ｂ回りの平歯車１０の回転運動として伝達することができるようになっている。
基端側のリンク部材５には、平歯車９の関節軸Aに平行な軸線回りに回転可能に支持された２つの駆動用平歯車１８，１９が設けられている。一方の駆動用平歯車１８は、関節機構１の支持部材１１に設けられた平歯車部２０と噛み合っている。他方の駆動用平歯車１９は、関節機構１の支持部材１１に回転可能に支持された平歯車９と噛み合っている。これらの駆動用平歯車１８，１９は、図示しない伝達機構によって駆動部７に連結され、個別に回転駆動されるようになっている。
駆動部７の作動により一方の駆動用平歯車１８を回転させると、これに噛み合う平歯車部２０が関節軸Ａ回りに回転させられる結果、平歯車部２０が設けられている支持部材１１からエンドエフェクタ３までの先端側部分が関節軸Ａ回りに揺動させられるようになっている。
また、駆動部７の作動により他方の駆動用平歯車１９を回転させると、これに噛み合う平歯車９が関節軸Ａ回りに回転させられるようになっている。
また、先端側のリンク部材４には、その基端側に、関節軸Ｂに平行な軸線回りに略１８０°の角度範囲にわたって形成された平歯車部２１および平歯車２２が設けられている。平歯車部２１は、関節機構１の支持部材１１に設けられた平歯車部２３と噛み合っている。また、平歯車２２は、関節機構１の軸部に支持された平歯車１０と噛み合っている。
平歯車１０が回転駆動されるとこれに噛み合う平歯車２２が、関節軸Ｂ回りに回転させられる結果、リンク部材４からエンドエフェクタ３までの先端側部分が関節軸Ｂ回りに揺動させられるようになっている。
関節軸Ａ，Ｂは相互にねじれの位置関係に配置されているので、リンク部材４に対して関節機構１の支持部材１１が関節軸Ａ回りに揺動し、関節機構１の支持部材１１に対してリンク部材５が関節軸Ｂ回りに揺動することにより、リンク部材５の先端に配置されたエンドエフェクタ３が３次元的に移動させられるようになっている。
このように構成された本実施形態に係る関節機構１および医療機器２の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る医療機器２を用いて、患者Ｐの体内の患部を処置するには、図１に示されるように、医療機器２の先端に設けられたエンドエフェクタ３を患者Ｐの体壁を貫通して形成された貫通孔を介して体内に挿入し、制御部８を作動させる。
医療機器２は、図４に示されるように、ユーザが操作部８１を介して制御部８によって駆動部７を駆動させ、患者Ｐの体内にて所望の位置にエンドエフェクタ３を配置して作動させることにより、患部の治療を行うことができる。
この場合に、本実施形態に係る関節機構１によれば、リンク部材５に対して支持部材１１を揺動させるには、制御部８からの信号により駆動部７を作動させて、駆動用平歯車１８を回転させることにより、支持部材１１の平歯車部２０を回転させる。これにより、支持部材１１はリンク部材５に対して、関節軸Ａ回りに、関節軸Ａに直交する揺動平面Ｃに沿って揺動させられる。一方、支持部材１１に対してリンク部材４を揺動させるには、制御部８からの信号により駆動部７を作動させて、基端側のリンク部材５に設けられた駆動用平歯車１９を回転させる。
駆動用平歯車１９の回転は、これに噛み合う平歯車９に関節軸Ａ回りの回転として伝達される。平歯車９が回転させられると、回転力伝達機構１２の作動により、該平歯車９の回転運動が基端側のカム機構１４によって伝達部材１３の直線運動に変換される。そして、伝達部材１３の直線運動がガイド部材１７により直線運動をブレのないように支持されながら先端側のカム機構１４に直線運動が伝達され、先端側のカム機構１４に伝達された直線運動が平歯車１０の回転運動に変換される。すなわち、関節軸Ａ回りの平歯車９の回転運動は、ねじれの位置に配置された関節軸Ｂ回りの平歯車１０の回転運動として伝達される。
そして、平歯車１０が関節軸Ｂ回りに回転させられると、これに噛み合う平歯車２２が関節軸Ｂ回りに回転させられる結果、平歯車２２が固定されているリンク部材４が関節軸Ｂ回りに、関節軸Ｂに直交する揺動平面Ｄに沿って揺動させられることになる。
その結果、支持部材１１よりも基端側に配置されるリンク部材５に対する関節軸Ａ回りの支持部材１１の揺動平面Ｃと、支持部材１１よりも先端側に配置され平歯車１０に接続されたリンク部材４の支持部材１１に対する揺動平面Ｄとが非平行となるので、異なる揺動平面Ｃ，Ｄに沿う揺動を組み合わせることにより、基端側のリンク部材５に対して先端側のリンク部材４の先端に連結されたエンドエフェクタ３を３次元的に移動させることができる。
この場合において、平歯車９の回転運動は、２つのカム機構１４と剛体からなる伝達部材１３とによって、平歯車１０の回転運動として確実に伝達される。したがって、支持部材１１よりも先端側のリンク部材４に高い負荷がかかっても、ねじれの位置関係に配置される軸線回りに回転可能に配置される２つの平歯車９，１０間において高負荷の回転力を伝達して、その負荷に耐えることができ、エンドエフェクタ３を精度よく移動させることができる。
また、伝達部材１３の直線運動が、ガイド部材１７によってブレのないように支持され、２つのカム機構１４を高精度に動作させることができる。
なお、上述した実施形態においては、関節機構１は、図５に示されるように、長孔１５の内側面１５ａおよびこれに接触するピン１６の側面１６ａの少なくとも一方が、摩擦を低減する材質（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ホワイトメタル、真鍮）により構成されていてもよい。
これにより、平歯車９，１０と伝達部材１３との間で力が伝達される際に、ピン１６と長孔１５とが相対的に移動させられても、両者間で発生する摩擦が低減され、力を効率よく伝達することができる。
また、上述した実施形態においては、関節機構１は、図６に示されるように、カム機構１４が、ピン１６に支持され、平歯車９，１０と伝達部材１３との間に介在する平歯車９，１０およびピン１６よりも摩擦係数が低い材質で形成された低摩擦部材２４（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ホワイトメタル、真鍮）を備えていてもよい。
このようにすることで、平歯車９，１０の回転運動に伴い、伝達部材１３と平歯車９，１０とが接触することにより発生していた摩擦力が、低摩擦部材２４を介在させることで軽減される。これにより、カム機構１４が回転運動と直線運動とを変換する場合に発生する摩擦力による負荷が軽減され、関節機構１にかかる負荷をさらに軽減することができる。
また、上述した関節機構１において、カム機構１４の可動部が必ずしもピン１６で構成される必要はなく、これに代えて、平歯車９，１０から関節軸Ａ，Ｂに対して平行に延びる突起であってもよい。
また、上述したカム機構１４において、長孔１５は、図２，３に示されるように伝達部材１３に対して貫通して形成されてもよいし、図５，６に示されるように貫通していなくてもよい。
また、本実施形態においては、低摩擦部材２４に代わり、伝達部材１３と平歯車９，１０との摩擦を低減する構成として、ピン１６をベアリングにより支持してもよい。
また、本実施形態においては、カム機構１４として、長孔１５とピン１６とからなるものを例示したが、平歯車９，１０と伝達部材１３との接続部において回転運動と直線運動とを変換するものであれば、これに限られるものではない。カム機構１４としては、長孔１５が平歯車９，１０または伝達部材１３の一方に設けられ、ピン１６が平歯車９，１０または伝達部材１３の他方に設けられていればよい。
また、上述した医療機器２において、エンドエフェクタ３は、鉗子に代わり、内視鏡であってもよい。
また、上述した医療機器２において、関節機構１と先端側のリンク部材４との間に、関節機構１または関節機構１の平歯車９，１０の関節軸Ａ，Ｂが平行であるような構成の他の関節機構をさらに追加してもよい。
このようにすることで、屈曲される箇所を増加させることができ、基端側のリンク部材５に対するエンドエフェクタ３の揺動角度範囲を増大させて、エンドエフェクタ３の動作範囲を広げることができる。
また、本実施形態においては、図７に示されるように、上述した伝達部材１３に代えて２つのピストン２７，２８を、カム機構１４に代えてリンク機構２９を、ガイド部材３２としてピストン２７，２８を直線移動可能に収容するシリンダ部材３４を、採用してもよい。
リンク機構２９は、剛体で形成されるリンク部材３０と、該リンク部材３０の両端を関節軸Ａ，Ｂに平行な２つの軸線回りに揺動可能に平歯車９，１０とピストン２７，２８とに取り付ける２つの揺動軸部３１とを備えている。
シリンダ部材３４の貫通孔３３内に収容された２つのピストン２７，２８の間には非圧縮性流体が封入されている。
このように構成することにより、平歯車９が関節軸Ａ回りに回転させられると、平歯車９に取り付けられたリンク機構２９により、平歯車９の回転運動におけるピストン２７の移動方向に直交する方向の成分は、関節軸Ａに平行な軸線回りにリンク部材３０の両端が揺動することにより逃がされる。また、平歯車９の回転運動におけるピストン２７の移動方向の成分は、リンク部材３０の両端の変位量の差分だけピストン２７の直線運動量に変換される。これにより、リンク機構２９によって、部材のたわみやガタを生じることなく、平歯車９の回転運動をピストン２７の直線運動に変換でき、力を効率よく伝達することができる。
また、揺動軸部３１として、ボールジョイントを用いることが好ましい。これにより、さらに力を効率よく伝達することができる。
そして、ピストン２７からの直線運動がガイド部材３２内の非圧縮性流体に伝達されると、非圧縮性流体の流体圧（例えば油圧）によりピストン２７の移動量と同じだけの直線運動がピストン２８に伝達される。これにより、ピストン２８に伝達された直線運動は、平歯車１０の回転運動に変換される。その結果、シリンダ部材３４によって２つのピストン２７，２８が、高剛性に、かつ高精度に直線移動可能に支持され、平歯車９から平歯車１０への力をより確実に伝達することができる。
なお、上述した関節機構２５においては、貫通孔３３の内側面３３ａおよびこれに接触するピストン２７，２８の側面２７ａ，２８ａの少なくとも一方が、摩擦を低減する材質（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ホワイトメタル、真鍮）により構成されていてもよい。
このようにすることで、ピストン２７，２８とシリンダ部材３４との間で力が伝達される際に、ピストン２７，２８と貫通孔３３とが相対的に移動させられても、両者間で発生する摩擦が低減され、力を効率よく伝達することができる。
１，２５ 関節機構
２ 医療機器
３ エンドエフェクタ
４，５ リンク部材
６ 支柱
７ 駆動部
８ 制御部
９，１０，２２ 平歯車
１１ 支持部材
１２，２６ 回転力伝達機構
１３ 伝達部材
１４ カム機構
１５ 長孔
１６ ピン（可動部）
１７，３２ ガイド部材
１８，１９ 駆動用平歯車
２０，２１，２３ 平歯車部
２４ 低摩擦部材
２７，２８ ピストン（伝達部材）
２９ リンク機構
３０ リンク部材
３１ 揺動軸部
３３ 貫通孔
３４ シリンダ部材
Ａ，Ｂ 関節軸
Ｃ，Ｄ 揺動平面
Ｐ 患者

Claims (7)

  1. ２つの回転部材と、
    ２つの該回転部材を、相互に間隔をあけてねじれの位置関係に配置される２つの関節軸回りに回転可能に支持する支持部材と、
    前記回転部材間において回転力を伝達する回転力伝達機構とを備え、
    該回転力伝達機構が、２つの前記関節軸にそれぞれ直交する平面どうしの交差線に平行な方向のみに移動可能に支持される剛体からなる伝達部材と、該伝達部材と２つの前記回転部材との間にそれぞれ配置され、前記回転部材の回転運動を前記伝達部材の直線運動に変換するカム機構またはリンク機構とを備える関節機構。
  2. 前記支持部材に、前記伝達部材を直線移動可能に支持するガイド部材が設けられている請求項１に記載の関節機構。
  3. 前記カム機構が、前記回転部材または前記伝達部材の一方に設けられ前記伝達部材の移動方向に交差する方向に延びる長孔と、該長孔内に該長孔の長手方向に移動可能に収容され、前記回転部材または前記伝達部材の他方に設けられた可動部とを備える請求項１および請求項２に記載の関節機構。
  4. 前記長孔の内側面およびこれに接触する前記可動部の側面の少なくとも一方が、摩擦を低減する材質により構成される請求項３に記載の関節機構。
  5. 前記リンク機構が、リンク部材と、該リンク部材の両端を前記関節軸に平行な２つの軸線回りに揺動可能に前記回転部材と前記伝達部材とに取り付ける２つの揺動軸部とを備える請求項２に記載の関節機構。
  6. 前記伝達部材が２つのピストンからなり、前記ガイド部材が前記２つのピストンを直線運動可能に収容し、ピストン間に非圧縮性流体を封入可能な貫通孔を有するシリンダ部材からなる請求項５に記載の関節機構。
  7. 先端にエンドエフェクタを有する第１のリンクと、第２のリンクと、これらのリンクを連結する請求項１から請求項６のいずれかに記載の関節機構とを備える医療機器。

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