JP6125112B2

JP6125112B2 - マニピュレータ

Info

Publication number: JP6125112B2
Application number: JP2016544874A
Authority: JP
Inventors: 昌夫二梃木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2036-01-19
Also published as: WO2016125574A1; US20170325903A1; CN107106251A; CN107106251B; JPWO2016125574A1; EP3254640A1; US10561471B2; EP3254640A4

Description

本発明は、マニピュレータに関するものである。

従来、先端動作部を駆動するモータおよびグリップハンドルが連結シャフトの基端側に設けられ、グリップハンドルに備えられたノブおよびレバーを、グリップハンドルを把持する手の親指で操作する方式のマニピュレータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、シャフトの先端側に設けられ回転および屈曲の２自由度で移動させられる先端の処置部の姿勢を、シャフトの基端側に設けられた操作部を把持する手首の姿勢を操作入力として変化させるマニピュレータが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１０−２０１００５号公報特許第４０１４７９２号公報

しかしながら、特許文献１のマニピュレータは、ノブおよびレバーを親指で操作することにより先端動作部を動作させるものであるため、先端処置部の姿勢とグリップハンドルを把持する手の姿勢とは対応しておらず、直感性を得難い。
また、特許文献２のマニピュレータは、処置部の姿勢と手首の姿勢とを対応させているが、処置部の２自由度の内の回転動作は、シャフトの長手軸回りの回転動作と干渉する場合があり、操作者の意図通りに処置部を動作させることができず直感性が得られない場合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、シャフトの先端の処置部自体を回転させる操作を他の操作と干渉させることなく、かつ、処置部の位置および姿勢を直感的に操作することができるマニピュレータ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、細長いシャフトと、該シャフトの先端側に配置された先端処置部と、前記シャフトに設けられ、前記シャフトの長手軸に交差する交差方向に平行な揺動軸線を有する屈曲関節と、前記シャフトの前記屈曲関節よりも前記先端処置部側に設けられ、前記先端処置部の中心軸と略一致する回転軸線を有する回転関節と、前記シャフトの基端側に配置され、前記交差方向に平行な揺動軸周りに揺動可能なように前記シャフトに連結されたハンドルと、該ハンドルに設けられ、前記回転関節を動作させる回転操作部と、前記ハンドルの揺動に応じて前記屈曲関節を動作させる駆動部と、を備え、前記ハンドルは、前記シャフトの長手軸方向において前記シャフトの基端よりも基端側に位置する基端面を有し、前記シャフトの前記長手軸方向における前記ハンドルの前記基端面と前記揺動軸との間の距離は、前記シャフトの前記長手軸が操作者の片手の掌を貫通する位置で前記ハンドルの前記基端面に前記片手の掌を近接させた状態で前記ハンドルが前記片手によって把持されたときに、前記ハンドルの前記揺動軸が前記ハンドルを把持した前記片手の中に配置されるような距離に設定されているマニピュレータを提供する。

本態様によれば、操作者が基端操作部のハンドルを操作して手首をシャフトの長手軸に交差する交差方向に平行な揺動軸回りに回転させると、その揺動角度に応じて、シャフトの先端に配置されている先端関節部の屈曲関節がシャフトの長手軸に交差する交差方向に平行な揺動軸線回りに先端処置部を揺動させる。また、操作者が基端操作部の回転操作部を操作して、ハンドルを操作する手の指の移動によって、シャフトの先端に配置されている先端関節部の回転関節を回転させる。
この場合において、ハンドルを操作する片手の手首の揺動角度が、屈曲関節の動作による先端処置部の姿勢の変化量に対応するので、先端処置部を直感的に操作することができる。一方、回転関節は、先端処置部の中心軸に略一致する回転軸線回りに先端処置部を回転させるので、回転関節の回転によっては先端処置部の姿勢は変動しない。そのため、ハンドルを操作する片手の位置を変化させることなく、指によって直感性を損なうことなく回転操作部を操作して先端処置部を回転させることができる。また、先端処置部の回転動作を手首の回転動作に対応づけないので、シャフトの長手軸回りの回転動作と干渉することがなく、操作者の意図通りに先端処置部を動作させることができる。
また、上記態様では、操作者がハンドルを把持すると、該ハンドルを把持した片手の掌がシャフトの長手軸を貫通する位置に配置される。この状態で、ハンドルを把持した片手の手首を回転させて掌の向きを変化させると、その掌の向きに対応させて先端処置部を揺動させることができる。これにより、より直感性の高い操作を行うことができる。
また、上記態様においては、前記ハンドルを揺動させる揺動軸が、該ハンドルを把持した前記片手の中に配置される。このため、ハンドルを把持した片手の掌の向きを変化させる際に、その片手の前腕の位置をほとんど変化させることなく手首を揺動させることができる。ハンドルを操作しても揺動軸回りの偶力が発生するだけでシャフトを揺動させる力を生じさせずに済むので、先端処置部を揺動させる操作とシャフトを揺動させる操作とを、相互に干渉させずに独立して行うことができる。

上記態様において、前記駆動部は、前記屈曲関節の屈曲方向及び屈曲角度が前記ハンドルの揺動方向及び揺動角度と略同等となるように前記屈曲関節を動作させてもよい。
また、上記態様において、前記ハンドルは、操作者によって片手で把持され、前記片手の指によって前記ハンドルを前記シャフトの前記長手軸周りに回転可能とするために前記ハンドルの軸線の周方向において略対向する位置に配置された第１指掛け部と第２指掛け部とを有していても良い。このようにすることで、操作者がハンドルを把持すると、把持した片手の指が第１指掛け部と第２指掛け部に引っかかるので、ハンドルを回転させる際に、より確実に力を加えることができる。

上記態様においては、前記回転操作部は、前記片手の指で操作されるものであってもよい。

また、上記態様においては、前記ハンドルは、前記シャフトに対して前記シャフトの前記長手軸周りに回転不能なように連結されていてもよい。

このようにすることで、ハンドルを把持した片手でハンドルをシャフトの長手軸回りに回転させることにより、シャフトを長手軸回りに回転させることができ、シャフトの先端の先端処置部をシャフトの長手軸回りに回転させることができる。

また、上記態様においては、前記ハンドルの外周面に、該ハンドルを把持する前記片手の指を引っかける凹凸を有していてもよい。
このようにすることで、操作者がハンドルを把持すると、把持した片手の指が凹凸に引っかかるので、ハンドルを長手軸回りに回転させる際に、より確実に力を加えることができる。

また、上記態様においては、前記第２の操作部が、前記片手により前記ハンドルを把持した際、前記片手の指により操作可能な位置に配置されたスイッチであってもよい。
このようにすることで、操作者がハンドルを把持すると、把持した片手の指に対応する位置にスイッチが配置されるので、ハンドルを把持したままの状態で、容易にスイッチを操作して先端処置部をその中心軸回りに回転させることができる。

本発明によれば、シャフトの先端の処置部自体を回転させる操作を他の操作と干渉させることなく、かつ、処置部の位置および姿勢を直感的に操作することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータを示す全体構成図である。図１のマニピュレータの先端関節部および先端処置部を示す斜視図である。図１のマニピュレータの基端操作部を示す斜視図である。図３の基端操作部およびシャフトを示す縦断面図である。図１のマニピュレータのハンドルの捻り操作と先端処置部の動作との関係を説明する斜視図である。図１のマニピュレータのハンドルの揺動操作と先端関節部の動作との関係を示す平面図である。図１のマニピュレータのハンドルに設けられたスイッチの操作と先端関節部の動作との関係を示す平面図である。図１のマニピュレータの変形例を示す基端操作部の正面図である。

本発明の一実施形態に係るマニピュレータ１について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータ１は、図１に示されるように、例えば、腹腔鏡手術に用いられるマニピュレータであって、皮膚Ａを貫通して配置されるトロッカ２を貫通して挿入される細長いシャフト３と、該シャフト３の先端に配置された先端関節部４と、該先端関節部４の先端側に配置される先端処置部５と、シャフト３の基端側に配置され操作者Ｏによって操作される基端操作部６と、先端関節部４を駆動する駆動部７と、基端操作部６の操作に応じて駆動部７を制御する制御部８とを備えている。

シャフト３は、例えば、硬質の円筒状に形成され、先端関節部４や先端処置部５を駆動するための図示しないワイヤや配線等が内部を貫通して配置されている。先端関節部４は、図２に示す例では、基端側から順に、シャフト３の長手軸に直交する軸線回りに先端処置部５を含む先端部を揺動可能に支持する屈曲関節１１と、先端処置部５の略中心軸に一致する軸線回りに先端部を回転可能に支持する回転関節１０とを備えている。先端処置部５は、把持鉗子やエネルギ鉗子等、体内の患部Ｂを処置するためのものである。

基端操作部６は、図１に示されるように、シャフト３の基端側に取り付けられた略半球状のハンドル（第１の操作部）９を備えている。ハンドル９は、操作者Ｏが片手の掌を略半球面の略中央に近接させ、５本の指を外周面に配置するようにして把持することができる程度の外径寸法を有している。これにより、図３に示されるように、操作者Ｏがハンドル９を把持すると、ハンドル９を把持する片手の掌がシャフト３の長手軸が貫通する位置に配置されるようになっている。

ハンドル９は、図４に示されるように、シャフト３の基端に設けられたブラケット３ａに、シャフト３の長手軸に直交し、かつ屈曲関節１１の軸線に略平行な軸線を有する揺動軸１２回りに揺動可能に連結されている。揺動軸１２は、操作者Ｏがハンドル９を把持したときに、ハンドル９を把持する片手の中に配置されるようになっている。また、ハンドル９には、該ハンドル９のシャフト３に対する揺動角度を検出するエンコーダ１３が備えられている。

また、シャフト３に設けられたブラケット３ａとハンドル９とは、シャフト３の長手軸回りに相対回転しないように係合されており、図５に示されるように、ハンドル９を把持する片手を捻ることによりハンドル９を回転させると、その回転力がブラケット３ａを介してシャフト３に伝達され、シャフト３が長手軸回りに回転させられるようになっている。

さらに、ハンドル９には、操作者Ｏが片手で把持したときに、把持した片手の人差し指、中指および薬指が配置される位置に周方向に間隔をあけて３つの押しボタン（第２の操作部）１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられている。ハンドル９の内部には、図４に示されるように、各押しボタン１４ａ，１４ｂ，１４ｃに対応する位置に配置され、押しボタン１４ａ，１４ｂ，１４ｃによってオンオフされるスイッチ（こちらを第２の操作部と称する場合もある。）１５ａ，１５ｂ，１５ｃが設けられている。

エンコーダ１３の出力およびスイッチ１５ａ，１５ｂ，１５ｃの出力は、制御部８に送られるようになっている。
また、ハンドル９には、図３に示されるように、操作者Ｏが片手で把持したときに、把持した片手の親指および小指が配置される位置に、親指および小指を周方向に係合させる溝（凹凸）１６が設けられている。

駆動部７は、シャフト３の基端部に内蔵される２つのモータを備えている。一方のモータは屈曲関節１１を駆動し、他方のモータは回転関節１０を駆動するようになっている。各モータの駆動力は、図示しないプーリおよびワイヤによって屈曲関節１１および回転関節１０に伝達されるようになっている。

制御部８は、エンコーダ１３および３つのスイッチ１５ａ，１５ｂ，１５ｃからの出力を受けて、駆動部７のモータおよび先端処置部５を制御するようになっている。具体的には、制御部８は、ハンドル９がシャフト３に対して揺動軸１２回りに揺動させられたときには、エンコーダ１３により検出される揺動角度および揺動方向に応じて一方のモータを駆動させ、ハンドル９の揺動方向に対応する揺動方向およびハンドル９の揺動角度に対応する揺動角度だけ屈曲関節１１を動作させる指令信号を一方のモータに送るようになっている。

また、制御部８は、３つ並んだ押しボタン１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうち、両端の押しボタン１４ａ，１４ｃに対応するスイッチ１５ａ，１５ｃからの出力に応じて、回転関節１０を回転させる回転方向および回転角度だけ動作させる指令信号を他方のモータに送るようになっている。例えば、ハンドル９を右手で把持している場合、人差し指で押す押しボタン１４ａによって回転関節１０を先端に向かって半時計回りに回転させ、薬指で押す押しボタン１４ｃによって回転関節１０を時計回りに回転させるようになっている。押しボタン１４ａ，１４ｃを押している時間だけモータが回転させられるようになっている。

また、制御部８は、３つ並んだ押しボタン１４ａ，１４ｂ，１４ｃのうち、中央の押しボタン１４ｂに対応するスイッチ１５ｂからの出力に応じて、先端処置部５を作動させる指令信号を先端処置部５に送るようになっている。先端処置部５が把持鉗子である場合には、押しボタン１４ｂの押下によって把持鉗子が閉じられ、先端処置部５がエネルギ鉗子である場合には、押しボタン１４ｂの押下によってエネルギ鉗子に通電さ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マニピュレータ１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るマニピュレータ１を用いて体内の患部Ｂを処置するには、図１に示されるように、皮膚Ａを貫通して配置されているトロッカ２の貫通孔内にマニピュレータ１の先端側からシャフト３を挿入し、先端処置部５および先端関節部４を体内に配置する。

この状態で、操作者Ｏは、別途体内に挿入された図示しない内視鏡により取得された画像をモニタで確認しながら、図３に示されるように、ハンドル９を右手で把持し、右手の人差し指、中指および薬指をそれぞれハンドル９の外周に配置されている押しボタン１４ａ，１４ｂ，１４ｃに沿わせるように配置する。

ハンドル９はシャフト３に取り付けられているので、ハンドル９を移動させることにより、図１に矢印で示されるように、シャフト３をその長手軸方向に移動させ、あるいはトロッカ２を支点として傾斜角度を変更するようにシャフト３を移動させることができる。
すなわち、シャフト３の移動によってシャフト３の先端に配置されている先端関節部４およびその先端に固定されている先端処置部５の位置を調節することができる。

また、ハンドル９とシャフト３とは、シャフト３の長手軸回りに係合されているので、図５に示されるように、操作者Ｏが右手でハンドル９をダイヤルを回すように回転させることにより、シャフト３を長手軸回りに回転させることができる。これにより、シャフト３の先端に設けられている先端関節部４およびその先端に固定されている先端処置部５をシャフト３の長手軸回りに回転させることができる。

また、操作者Ｏは、図６に示されるように、ハンドル９を把持している右手の手首を、前腕の軸回りに捻るように回転させることにより、シャフト３に対してハンドル９を揺動軸１２回りに揺動させる。これにより、シャフト３に対するハンドル９の揺動角度がエンコーダ１３により検出され、検出された揺動角度に基づいて制御部８が一方のモータを制御して先端関節部４の屈曲関節１１を揺動させる。これにより、先端処置部５の姿勢を屈曲関節１１の揺動方向に変化させることができる。

さらに、操作者Ｏは、ハンドル９を把持している右手の人差し指によって押しボタン１４ａを押すことにより、回転関節１０を先端に向かって反時計回りに回転させ、右手の薬指によって押しボタン１４ｃを押すことにより、回転関節１０を先端に向かって時計回りに回転させることができる。これにより、先端処置部５をその中心軸回りに反時計回りまたは時計回りに回転させることができる。

そして、先端処置部５の患部Ｂに対する位置および姿勢が調節された状態で、操作者Ｏが、ハンドル９を把持している右手の中指によって押しボタン１４ｂを押すことにより、先端処置部５を作動させ、患部Ｂに対する処置が行われる。

この場合において、本実施形態に係るマニピュレータ１によれば、シャフト３に対してハンドル９を揺動させる軸線と、シャフト３に対して先端処置部５を揺動させる屈曲関節１１の軸線とが略平行であり、ハンドル９の揺動と先端処置部５の揺動とを完全に対応させることができる。その結果、先端処置部５の姿勢を変更する操作において直感性が得られやすく、操作を容易にすることができる。

特に、ハンドル９を把持する右手の掌の向きを先端処置部５の中心軸の方向に略一致させることができ、高い直感性を実現することができる。
また、ハンドル９を揺動させる揺動軸１２の軸線がハンドル９を把持する右手の中に配置されるので、ハンドル９の操作は、前腕の姿勢をほぼ固定したままで、右手の手首を前腕の長手軸回りに回転させるだけで済む。これにより、ハンドル９を揺動させても揺動軸１２の軸線を中心とした偶力が発生するだけで、トロッカ２を支点としてシャフト３を揺動させる力を発生させずに済む。一方、トロッカ２を支点としてシャフト３を揺動させる場合には、ハンドル９を把持した右手の前腕に対して手首を固定して前腕ごと移動させることにより、シャフト３に対してモーメントを加え、シャフト３を揺動させることができる。

すなわち、本実施形態に係るマニピュレータ１によれば、シャフト３の先端に対して先端処置部５を揺動させる操作と、シャフト３自体を揺動させる操作とを干渉させることなく独立して行うことができ、先端処置部５が意図しない方向に動作してしまうことを防止して操作性を向上することができるという利点がある。

また、本実施形態に係るマニピュレータ１によれば、ハンドル９を把持した右手でハンドル９をダイヤルのように回転させることで、シャフト３自体をその長手軸回りに回転させることができる一方、図７に示されるように、押しボタン１４ａ，１４ｂ，１４ｃの操作によって先端関節部４の回転関節１０を回転させることができる。すなわち、両操作は全く異なるので相互に干渉することがなく、指を掛け直したり手を握り替えたりする必要もない。これによっても、先端処置部５が意図しない方向に動作してしまうことを防止して操作性を向上することができるという利点がある。

そして、先端処置部５をその中心軸回りに回転させるだけの回転関節１０の動作は、先端処置部５の姿勢の変化への寄与度が低いので、押しボタン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ操作によっても直感性が損なわれることがない。加えて、本実施形態に係るマニピュレータ１によれば、押しボタン１４ａ，１４ｂ，１４ｃの位置が回転関節１０の回転方向に対応づけられているので、疑似相似構造であっても高い直感性を得ることができるという利点がある。

さらにこのとき、ハンドル９に設けられた溝１６に右手の親指および小指が引っ掛かるので、ハンドル９をダイヤルのように回転させる場合の滑りを防止し、操作し易さを向上させることができる。

なお、本実施形態においては、ハンドル９を略半球状に構成したが、これに限定されるものではなく、他の任意の形状を採用できる。
また、ハンドル９に、親指と小指を係合させる溝１６を設けたが、これに代えて、凸部を設けてもよい。またはこれに加えて、図８に示されるように、ハンドル９を把持した際の親指および小指が嵌合するリング部材１７を設けてもよい。これにより、さらに手とハンドル９との滑りを無くすことができる。

また、ハンドル９の揺動軸１２をシャフト３の長手軸に直交する方向に配置したが、これに限定されるものではなく、シャフト３の長手軸に任意の角度で交差する方向に揺動軸１２が配置されていればよい。

また、本実施形態においては、右手で把持する場合について説明したが、左手で操作する場合に適用してもよい。その場合には、左手の薬指が配置される位置に回転関節１０を反時計回りに回転させる押しボタン１４ａを配置し、左手の人差し指が配置される位置に回転関節１０を時計回りに回転させる押しボタン１４ｃを配置すればよい。

１マニピュレータ
３シャフト
４先端関節部
５先端処置部
６基端操作部
９ハンドル（第１の操作部）
１０回転関節
１１屈曲関節
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ押しボタン（第２の操作部）
１５ａ，１５ｂ，１５ｃスイッチ（こちらを第２の操作部と称する場合もある）
１６溝（凹凸）
Ｏ操作者

Claims

細長いシャフトと、
該シャフトの先端側に配置された先端処置部と、
前記シャフトに設けられ、前記シャフトの長手軸に交差する交差方向に平行な揺動軸線を有する屈曲関節と、
前記シャフトの前記屈曲関節よりも前記先端処置部側に設けられ、前記先端処置部の中心軸と略一致する回転軸線を有する回転関節と、
前記シャフトの基端側に配置され、前記交差方向に平行な揺動軸周りに揺動可能なように前記シャフトに連結されたハンドルと、
該ハンドルに設けられ、前記回転関節を動作させる回転操作部と、
前記ハンドルの揺動に応じて前記屈曲関節を動作させる駆動部と、
を備え、
前記ハンドルは、前記シャフトの長手軸方向において前記シャフトの基端よりも基端側に位置する基端面を有し、
前記シャフトの前記長手軸方向における前記ハンドルの前記基端面と前記揺動軸との間の距離は、前記シャフトの前記長手軸が操作者の片手の掌を貫通する位置で前記ハンドルの前記基端面に前記片手の掌を近接させた状態で前記ハンドルが前記片手によって把持されたときに、前記ハンドルの前記揺動軸が前記ハンドルを把持した前記片手の中に配置されるような距離に設定されていることを特徴とする
マニピュレータ。
前記駆動部は、前記屈曲関節の屈曲方向及び屈曲角度が前記ハンドルの揺動方向及び揺動角度と略同等となるように前記屈曲関節を動作させる請求項１に記載のマニピュレータ。
前記ハンドルは、前記片手の指によって前記ハンドルを前記シャフトの前記長手軸周りに回転可能とするために前記ハンドルの軸線の周方向において略対向する位置に配置された第１指掛け部と第２指掛け部とを有する請求項１に記載のマニピュレータ。
前記回転操作部は、前記片手の指で操作される請求項１に記載のマニピュレータ。
前記ハンドルは、前記シャフトに対して前記シャフトの前記長手軸周りに回転不能なように連結される請求項４に記載のマニピュレータ。
前記ハンドルの外周面に、該ハンドルを把持する前記片手の指を引っかける指掛け部を有する請求項５に記載のマニピュレータ。
前記第２の操作部が、前記片手によって前記ハンドルを把持した際、前記片手の指により操作可能な位置に配置されたスイッチである請求項４に記載のマニピュレータ。