JP6113368B2

JP6113368B2 - マニピュレータ及びマニピュレータシステム

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Publication number: JP6113368B2
Application number: JP2016546123A
Authority: JP
Inventors: 勝柳原; 岸　宏亮; 宏亮岸
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: CN107000220A; US10213265B2; US20170265955A1; WO2016132770A1; CN107000220B9; CN107000220B; JPWO2016132770A1; EP3260249A4; EP3260249A1

Description

本発明は、関節を曲げることで先端が湾曲し、様々な処置等を行うことのできるマニピュレータ及びマニピュレータシステムに関するものである。

例えば、患者の体腔内に処置具を挿入して、処置具先端をワイヤ等で牽引することで湾曲させ、体腔内の臓器を観察したり、治療をおこなったりするマニピュレータが広く用いられている。手術の際には、観察のための内視鏡、組織を把持する鉗子、又は組織を切除する電気メス等の複数の処置具が体腔内に挿入されることが多い。

特許文献１には、処置具の先端関節が湾曲可能な処置具において、バネを用いることでテンションを維持し、対のワイヤのテンションを等しくする技術が記載されている。

米国特許出願公開第２０１４−０１２８８４９号明細書

しかしながら、特許文献１に記載のマニピュレータは、組立の際の初期テンションを調整するために駆動モータ軸を回転させると、湾曲部側のテンションと共にバネ側のテンションも変化してしまうため、調整が困難である。

本発明は上記課題に着目してなされたものであり、組立時の初期テンションを容易且つ的確に調整することが可能なマニピュレータ及びマニピュレータシステムを提供する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータは、
本体部と、
前記本体部から延びる長尺部と、
前記長尺部に接続される先端部と、
前記先端部を動作させる動力を伝達するワイヤと、
前記ワイヤへの動力を発生する駆動部と、
前記本体部内に配置され前記ワイヤが巻き掛けられ前記駆動部によって回転される回転部と、
前記ワイヤと前記回転部を接続する弾性部と、
を備える
ことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記回転部は、
前記駆動部によって回転する軸部材と、
前記軸部材の外周に取り付けられ、周壁部を有する円板部材と、
を有する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記ワイヤは、前記周壁部の外周面に沿って配置され、端部が前記弾性部の他端に接続され、
前記弾性部は、前記周壁部の外周面に沿って配置され、前記係止部に前記一端が係止される。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記円板部材は、
円板状の板状部と、
前記板状部の内周側に立ち上がる内周壁部と、
少なくとも一部が前記板状部に設けられる円柱状の突起部と、
前記弾性部の一端を固定する係止部と、
を有する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記回転部は、
前記板状部の外周に立ち上がる外周壁部を有し、
前記ワイヤは、前記外周壁部の外周面に巻き掛けられ、前記外周壁部に形成された間隙部を挿通し、前記突起部に巻き掛けられ、前記内周壁部の外周面に沿って配置され、端部が前記弾性部の一端に取り付けられ、
前記弾性部は、前記内周壁部の外周面に沿って配置され、前記係止部に他端が係止される。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記回転部の一部は、前記ワイヤを案内するガイド部を有する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記突起部は、前記ワイヤを案内するガイド部を有する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記周壁部または前記内周壁部は、前記外周面に前記ワイヤを案内するガイド部を有する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記回転部は、前記円板部材を上下から挟むように支持する支持部を有し、
前記支持部は、
前記軸部材を中心とした円環状の部材を２つに割った形状の割れ部材と、
２つの前記割れ部材をそれぞれ連結するボルトと、
を有する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータでは、
前記回転部は、前記弾性部と前記ワイヤの接続部分を仮止めする仮止め部材を有し、
前記仮止め部材は、前記円板部材に対して抜き差し可能に形成される。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステムは、
処置具または処置具を挿通させるガイドチューブである前記マニピュレータと、
前記マニピュレータを操作する操作部と、
内視鏡から得られた画像信号に対して画像処理を行う画像処理部と、
前記画像処理部から送信された映像信号を表示する表示部と、
を備える
ことを特徴とする。

この態様に係るマニピュレータ及びマニピュレータシステムによれば、組立時の初期テンションを容易且つ的確に調整することが可能となる。

本実施形態のマニピュレータを示す。第１実施形態のマニピュレータの回転部の一例を示す。第１実施形態のマニピュレータの巻付部の他の例を示す。第１実施形態のマニピュレータの回転部の他の例を示す。第２実施形態のマニピュレータの回転部の一部を示す。本実施形態のマニピュレータの回転部の取付構造を示す。本実施形態のマニピュレータのワイヤと弾性部の取付方法の一例を示す。本実施形態のマニピュレータの初期テンションの設定方法の一例を示す。本実施形態のマニピュレータを適用したマニピュレータシステムを示す。本実施形態のマニピュレータの先端部の一例を示す。本実施形態のマニピュレータを適用したマニピュレータシステムのシステム構成図を示す。

以下、実施形態について説明する。

図１は、本実施形態のマニピュレータ１を示す。

本実施形態のマニピュレータ１は、本体部２と、本体部２から延びる長尺部３と、長尺部３に接続される先端部４と、先端部４を動作させる動力を伝達するワイヤ５と、ワイヤ５への動力を発生する駆動部６と、ワイヤ５が巻き掛けられ駆動部６によって回転される回転部７と、ワイヤ５と回転部７を接続する弾性部８と、を備える。

本体部２は、駆動部６によって回転される回転部７を収納するケース状の部分である。本体部２からは長尺部３が延びる。長尺部３の先端には、長尺部３に対して屈曲又は湾曲可能な先端部４が取り付けられている。ワイヤ５は、一端側が先端部４に取り付けられ、長尺部３の内部を挿通し、他端側が回転部７の一部に巻き掛けられ、弾性部８を介して回転部７に取り付けられる。

図２は、第１実施形態のマニピュレータ１の回転部７の一例を示す。

回転部７は、駆動部６によって回転する軸部材７１と、軸部材７１の外周に取り付けられる円板部材７２と、を有する。軸部材７１及び円板部材７２は、駆動部６の動力によって一体に回転する。なお、軸部材７１及び円板部材７２は、一つの材料によって一体に形成されてもよい。また、円板部材７２が駆動部６の出力軸等に直接取り付けられてもよい。

円板部材７２は、円板状の板状部７３と、板状部７３の内周側に立ち上がる内周壁部７４と、板状部７３の外周側に立ち上がる外周壁部７５と、少なくとも一部が板状部７３に設けられる円柱状の突起部７６と、弾性部８の終端を固定する係止部７７と、を有する。なお、突起部７６は、少なくとも外周壁部７５の一部に形成された間隙部７５ａを含むように設けられてもよい。

第１実施形態のマニピュレータ１の回転部７では、ワイヤ５は、間隙部７５ａから外周壁部７５の内周側に挿通され、突起部７６に巻き付けられた後、内周壁部７４の外周面７４ａに沿って配置される。ワイヤ５の端部は、弾性部８の一端に取り付けられる。弾性部８は、内周壁部７４の外周面７４ａに沿って配置され、内周壁部７４と外周壁部７５の間の板状部７３に形成された係止部７７に他端が係止される。

このようなマニピュレータ１は、駆動部６を駆動し、動力が回転部７に伝わると、回転部７の軸部材７１及び円板部材７２が回転する。円板部材７２がワイヤ５を引っ張る側に回転する場合、突起部７６に巻き付けられている部分の静止摩擦が大きいので、ワイヤ５の先端部４側が突起部７６によって引っ張られる。したがって、弾性部８にかかるテンションはかわらない。円板部材７２がワイヤ５を緩める側に回転する場合、ワイヤ５の緩みは弾性部８によって吸収される。したがって、容易且つ的確にワイヤ５の初期テンションを調整することが可能となる。

図３は、第１実施形態のマニピュレータ１の突起部７６の他の例を示す。

図３に示すように、突起部７６には、ワイヤを案内するガイド部７６ａを形成してもよい。ガイド部７６ａは、突起部７６に巻き付けられるワイヤ５同士が干渉しないように設置される。例えば、ガイド部７６ａは、図３に示すような仕切り壁、または、図示しない凹凸のようなもので形成すればよい。このように、突起部７６にガイド部７６ａを形成することで、ワイヤ５を円滑に動作させることが可能となる。

図４は、第１実施形態のマニピュレータ１の回転部７の他の例を示す。

図４に示す例では、マニピュレータ１の回転部７の外周壁部７５の外周面７５ｂにワイヤ５を掛け回す構造としている。

図４に示すマニピュレータ１の回転部７では、ワイヤ５は、外周壁部７５の外周面７５ｂに掛け回され、間隙部７５ａから外周壁部７５の内周側に挿通され、突起部７６の一部に巻き掛けられた後、内周壁部７４の外周面７４ａに沿って配置される。ワイヤ５の端部は、弾性部８の一端に取り付けられる。弾性部８は、内周壁部７４の外周面７４ａに沿って配置され、内周壁部７４と外周壁部７５の間の板状部７３に形成された係止部７７に他端が係止される。

このような構造で円板部材７２がワイヤ５を引っ張る側に回転する場合、外周壁部７５に巻き掛けられている部分の静止摩擦が大きいので、ワイヤ５の先端部４側が外周壁部７５によって引っ張られる。したがって、弾性部８にかかるテンションはかわらない。円板部材７２がワイヤ５を緩める側に回転する場合、ワイヤ５の緩みは弾性部８によって吸収される。したがって、容易且つ的確にワイヤ５の初期テンションを調整することが可能となる。

図５は、第２実施形態のマニピュレータ１の回転部７の一部を示す。図５（ａ）は回転部７の一部の平面図、図５（ｂ）は回転部７の一部の側面図を示す。

図５に示す例では、マニピュレータ１の回転部７の外周壁７５は存在せず、内周壁部７４の外周面７４ａにワイヤ５を巻き付ける構造としている。内周壁部７４には、ワイヤ５を案内するガイド部７４ｂが形成されている。ガイド部７４ｂは、ワイヤ５同士が上下に配置される位置とワイヤ５と弾性部８が上下に配置される位置に形成される。ガイド部７４ｂを形成することによって、ワイヤ５同士及びワイヤ５と弾性部８をそれぞれ干渉しないように設置することができ、円滑に動作させることが可能となる。ガイド部７４ｂは、図５に示すような突起でもよいし、仕切り壁のような構造であってもよい。このように、回転部７の内周壁部７４の外周面７４ａにワイヤ５を巻き付ける構造とすることで、ワイヤ５を円滑に動作させることが可能となり、回転部７の構造が簡略化されるためコストが下がるというメリットがある。

図６は、本実施形態のマニピュレータ１の回転部７の取付構造を示す。図６（ａ）は円板部材７２を軸部材７１に取り付けた回転部７の側面図、図６（ｂ）は平面図を示す。

円板部材７２は、支持部７８によって軸部材７１に支持される。支持部７８は、２つの割れ部材７８ａと、ボルト７８ｂと、を有する。割れ部材７８ａは、軸部材７１を中心とした円環状の部材を２つに割ったような形状を有する。そして、軸部材７１を挟んだ２本のボルト７８ｂによって２つの割れ部材７８ａを連結する。支持部７８は、円板部材７２を上下から挟むように支持することが好ましい。このような支持部７８を用いることで、的確に円板部材７２を支持することが可能となる。

なお、少なくとも一部の円板部材７２は、軸部材７１と一体に形成してもよい。この場合には支持部７８を用いる必要がない。円板部材７２と軸部材７１を一体に形成することで、部品点数を少なくすることができ、低コストに押さえることが可能となる。

図７は、本実施形態のマニピュレータ１のワイヤ５、回転部７、及び弾性部８の組み付け方法の一例を示す。図７（ａ）は回転部７の平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。

図７に示す例では、弾性部８は、両端にフック等からなる止め部８ａが設けられている。一端の止め部８ａは、円板部材７２に形成された係止部７７に係止される。他端の止め部８ａは、ワイヤ５に連結される。このような構造のワイヤ５、回転部７、及び弾性部８を連結する場合、組み付け時に他端の止め部８ａを仮止めするピン等からなる仮止め部材９を使用することが好ましい。仮止め部材９は、円板部材７２の板状部７３に対して抜き差し可能な構造とする。例えば、組み付け時に仮止め部材９を板状部７３から突出させた状態にする。そして、弾性部８の一端の止め部８ａを係止部７７に引っ掛け、他端の止め部８ａを仮止め部材９に引っ掛ける。ワイヤ５は、予め弾性部８に接続していてもよいし、この状態で弾性部８に接続してもよい。その後、仮止め部材９を板状部７３から抜けば使用可能状態となる。このような仮止め部材９を用いることにより、ワイヤ５、回転部７、及び弾性部８を容易に組み付けることが可能となる。なお、係止部７７の構造は、図１に示したような構造でもよく、この場合には、弾性部８の一端の構造も変更してもよい。

図８は、本実施形態のマニピュレータ１の初期テンションの設定方法の一例を示す。

マニピュレータ１の初期テンションを設定するには、テンション設定器１０を用いる。テンション設定器１０は、ハンドル１１と、ロードセル１２と、レンチ１３と、を有する。ハンドル１１は、レンチ１３を組み付けて回転部７を回転させる。ロードセル１２は、ハンドル１１の回転時のトルクを計測する。レンチ１３は、回転部７のテンション調整用ネジ７９を回転させ、円板部材７２を軸部材７１に対して固定する。

例えば、まず、ハンドル１１を回転させて回転部７の円板部材７２を軸部材７１に対して回転させる。続いて、ロードセル１２が測定したトルクを読み取り、テンションを計算する。テンションの計算は、以下の式を用いればよい。そして、最後にテンションが適正な値になった時にレンチ１３を締めればよい。
Ｔ＝（Ｆ×ｌ）／ｒ
ただし、
Ｆはロードセル１２の測定値、
ｌは固定位置、
ｒは円板部材７２の半径、
Ｔはワイヤテンション、
である。

このように、本実施形態のマニピュレータ１によれば、初期テンションを容易に設定することが可能となる。

図９は、本実施形態のマニピュレータ１を適用したマニピュレータシステム９０を示す。図１０は、本実施形態のマニピュレータ１の先端部４の一例を示す。図１１は、本実施形態のマニピュレータ１を適用したマニピュレータシステム９０のシステム構成図を示す。

本実施形態に係るマニピュレータシステム９０は、図１に示したマニピュレータ１を適用する。マニピュレータシステム９０は、操作者Ｏにより操作される操作部９１、手術台ＢＤ上の患者Ｐの体内、例えば、大腸等の柔らかい臓器内に挿入可能な図１に示した長尺部３、及び長尺部３の先端に設置された内視鏡等を有する図１に示した先端部４等を有するマニピュレータ１と、マニピュレータ１を制御する制御部９２と、マニピュレータ１により取得された画像を表示する表示部９３と、を備えている。

操作部９１は、図９に示すように、操作台に取り付けられた一対の操作ハンドルと、床面上に配置されたフットスイッチ等を有している。操作部９１は、多関節構造を有してもよい。操作部９１は、長尺部３及び先端部４と機械的に接続され、長尺部３の湾曲操作を行う。また、操作した操作部９１の角度をエンコーダ等の角度取得部から取得し、その取得した信号によって、制御部９２は、ドライバ９２ａを介して先端部４を作動させる。

マニピュレータ１は、図１０に示したように、先端部４として内視鏡４ａ及び屈曲または湾曲付処置具４ｂであり得る。また、従来の関節の無い処置具を挿通させる湾曲付ガイドチューブのようなものであっても良い。内視鏡４ａは、体内を照明し、画像を取得するための観察光学系、照明光学系、及び撮像素子等を備えている。観察光学系を経て撮像素子により取得された画像は、制御部９２内の画像処理部９２ｂに出力される。画像処理部９２ｂで処理された画像は、表示部９３に表示される。そして、操作者Ｏは、表示部９３に表示された画像を見ながらマニピュレータ１を操作する。

このようなマニピュレータシステム９０によれば、マニピュレータ１の組立時のワイヤ５の初期テンションを容易且つ的確に調整することが可能となる。

以上、本実施形態のマニピュレータ１によれば、本体部２と、本体部２から延びる長尺部３と、長尺部３に接続される先端部４と、先端部４を動作させる動力を伝達するワイヤ５と、ワイヤ５への動力を発生する駆動部６と、本体部２内に配置されワイヤ５が巻き掛けられ駆動部６によって回転される回転部７と、ワイヤ５と回転部７を接続する弾性部８と、を備えるので、組立時のワイヤ５の初期テンションを容易且つ的確に調整することが可能となる。

また、本実施形態のマニピュレータ１によれば、回転部７は、駆動部６によって回転する軸部材７１と、軸部材７１の外周に取り付けられ、周壁部を有する円板部材７２と、を有するので、簡単な構造で的確に調整することが可能となる。
ことが可能となる。

また、本実施形態のマニピュレータ１によれば、ワイヤ５は、周壁部７４，７５の外周面７４ａ７５ａに沿って配置され、端部が弾性部８の他端に接続され、弾性部８は、周壁部７４、７５の外周面７４ａ，７５ａに沿って配置され、係止部７７に一端が係止されるので、簡単な構造で組立時のワイヤ５の初期テンションを的確に調整することが可能となる。

円板部材７２は、円板状の板状部７３と、板状部の内周側に立ち上がる内周壁部７４と、少なくとも一部が板状部７３に設けられる円柱状の突起部７６と、弾性部８の一端を固定する係止部７７と、を有するので、簡単な構造で組立時のワイヤ５の初期テンションを的確に調整することが可能となる。

また、本実施形態のマニピュレータ１によれば、回転部７は、板状部７３の外周に立ち上がる外周壁部７５を有し、ワイヤ５は、外周壁部７５の外周面７５ｂに巻き掛けられ、外周壁部７５に形成された間隙部７５ａを挿通し、突起部７６に巻き掛けられ、内周壁部７４の外周面７４ａに沿って配置され、端部が弾性部８の一端に取り付けられ、弾性部８は、内周壁部７４の外周面７４ａに沿って配置され、係止部７７に他端が係止されるので、簡単な構造で組立時のワイヤ５の初期テンションを的確に調整することが可能となる。

また、本実施形態のマニピュレータ１によれば、回転部の一部は、前記ワイヤを案内するガイド部を有するので、ワイヤ５を円滑に動作させることが可能となる。

また、本実施形態のマニピュレータ１によれば、突起部７６は、ワイヤ５を案内するガイド部７６ａを有するので、ワイヤ５を円滑に動作させることが可能となる。

また、本実施形態のマニピュレータ１によれば、周壁部７４または内周壁部７４は、外周面７４ａにワイヤ５を案内するガイド部７４ｂを有するので、ワイヤ５を円滑に動作させることが可能となる。

また、本実施形態のマニピュレータ１によれば、回転部７は、円板部材７２を上下から挟むように支持する支持部７８を有し、支持部７８は、軸部材７１を中心とした円環状の部材を２つに割った形状の割れ部材７８ａと、２つの割れ部材７８ａをそれぞれ連結するボルト７８ｂと、を有するので、的確に円板部材７２を支持することが可能となる。

また、本実施形態のマニピュレータ１によれば、回転部７は、弾性部８とワイヤ５の接続部分を仮止めする仮止め部材９を有し、仮止め部材９は、円板部材７２に対して抜き差し可能に形成されるので、ワイヤ５、回転部７、及び弾性部８を容易に組み付けることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータシステム９０は、屈曲または湾曲関節付処置具４ｂまたは関節の無い処置具（図示しない）を挿通させるガイドチューブ（図示しない）であるマニピュレータ１と、マニピュレータ１を操作する操作部９１と、内視鏡４ａから得られた画像信号に対して画像処理を行う画像処理部９２ｂと、画像処理部９２ｂから送信された映像信号を表示する表示部９３と、を備えるので、マニピュレータ１の組立時のワイヤ５の初期テンションを容易且つ的確に調整することが可能となる。なお、本発明は処置具やガイドチューブだけでなく例えば、内視鏡４ａの駆動機構に用いられても良い。

なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

１…マニピュレータ
２…本体部
３…長尺部
４…先端部
５…ワイヤ
６…駆動部
７…回転部
７１…軸部材
７２…円板部材
７３…板状部
７４…内周壁部
７５…外周壁部
７６…突起部
７７…係止部
７８…支持部
７９…テンション調整用ネジ
８…弾性部
９…仮止め部材

Claims

駆動力を発生する駆動部と、
前記駆動力によって回転する軸部材と、前記軸部材の外周に取り付けられ、周壁部を有する円板部材と、を有する回転部と、
一端と他端を有し、前記周壁部の外周面に沿って巻き付けられ、前記回転部の回転によって牽引されるワイヤと、
前記ワイヤの一端に接続され、前記ワイヤの牽引によって動作する動作部と、
前記周壁部の外周面に沿って配置されており、一端と他端を有し、前記一端が前記ワイヤの他端に接続された弾性部と、
前記弾性部の他端を前記回転部に係止する係止部と、
を備えるマニピュレータ。
前記円板部材は、
円板状の板状部と、
前記板状部の内周側に立ち上がる内周壁部と、
少なくとも一部が前記板状部に設けられる円柱状の突起部と、
前記弾性部の一端を固定する係止部と、
を有する
請求項１に記載のマニピュレータ
前記回転部は、
前記板状部の外周に立ち上がる外周壁部を有し、
前記ワイヤは、前記外周壁部の外周面に巻き掛けられ、前記外周壁部に形成された間隙部を挿通し、前記突起部に巻き掛けられ、前記内周壁部の外周面に沿って配置され、端部が前記弾性部の一端に取り付けられ、
前記弾性部は、前記内周壁部の外周面に沿って配置され、前記係止部に他端が係止される
請求項２に記載のマニピュレータ。
前記回転部の一部は、前記ワイヤを案内するガイド部を有する
請求項１に記載のマニピュレータ。
前記突起部は、前記ワイヤを案内するガイド部を有する
請求項２に記載のマニピュレータ。
前記周壁部または前記内周壁部は、前記外周面に前記ワイヤを案内するガイド部を有する
請求項２に記載のマニピュレータ。
前記回転部は、前記円板部材を上下から挟むように支持する支持部を有し、
前記支持部は、
前記軸部材を中心とした円環状の部材を２つに割った形状の割れ部材と、
２つの前記割れ部材をそれぞれ連結するボルトと、
を有する
請求項１に記載のマニピュレータ。
前記回転部は、前記弾性部と前記ワイヤの接続部分を仮止めする仮止め部材を有し、
前記仮止め部材は、前記円板部材に対して抜き差し可能に形成される
請求項１に記載のマニピュレータ。
処置具または処置具を挿通させるガイドチューブである請求項１に記載のマニピュレータと、
前記マニピュレータを操作する操作部と、
内視鏡から得られた画像信号に対して画像処理を行う画像処理部と、
前記画像処理部から送信された映像信号を表示する表示部と、
を備える
ことを特徴とするマニピュレータシステム。