JP6427253B1 - ロボット制御用医療器具、ドレープアダプタ及び手術支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の自由度を有するエンドエフェクタの制御を実現しつつ、ドレープを用いた滅菌部と非滅菌部との分離を容易にすることが可能な技術を提供する。
【解決手段】本発明に係るロボット制御用医療器具は、ロボットアームによって位置姿勢が制御されるロボット制御用医療器具であって、直径の異なる同心状の複数の中空部材の回転又は進退により駆動されるエンドエフェクタと、独立した複数の回転動力を発生させるアクチュエータユニットから複数の回転動力を受けて、複数の回転動力のそれぞれを、複数の中空部材を回転又は進退させることによりエンドエフェクタへ伝達する駆動アダプタと、を有し、駆動アダプタは、アクチュエータユニットを覆うためのドレープを有するドレープアダプタを介在させて、アクチュエータユニットと着脱可能に接続するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、手術支援システムにおいて用いられるロボット制御用医療器具に関する。

近年、患者の腹部に複数の孔を開け、これらの孔から体腔内に棒状の術具を挿入して手術を行う腹腔鏡手術が盛んになりつつある。腹腔鏡手術で使用される棒状の術具には、その先端にエンドエフェクタと呼ばれる可動部を備え、術者の操作に応じて体腔内で可動するものが知られている。エンドエフェクタは、例えば、開閉と回転の２自由度を有するような単純なものが一般的であったが、近年ではより複雑な姿勢をとることが可能な多自由度のエンドエフェクタの開発が盛んになりつつある。

多自由度のエンドエフェクタは、術者が手動でダイヤル等を回すことにより機械的に操作するもののほか、モータ等の駆動装置を用いて電気的に駆動して操作するものもある。特許文献１は、術者が操作を行う手術先端器具操作部と、棒状の細径ニードル構造と、ニードル構造の先端に開閉や回転、屈曲動作の可能な先端器具とを一体的に備える手術器具であって、ニードル構造を介して先端術具を作動させる動力伝達機構を手術先端器具操作部に有するものを開示している。

特開２０１３−２１５２３８号公報

ところで、特許文献１のような、手術器具を術者が自ら手に持って操作する場合と異なり、ロボットアーム等の手術支援ロボットによって術具を操作する場合、洗浄や滅菌が困難な手術支援ロボットの一部を袋状のドレープで覆って、洗浄や滅菌を行う部分（滅菌部）と洗浄や滅菌を行わない部分（非滅菌部）とを分離する必要がある。

しかしながら、単に駆動部分を含む手術支援ロボットの一部を術具の先端部分やシャフトから分離してドレープで覆う場合、ドレープを介して術具の先端に動力や信号を伝達することが難しい。一方、ドレープを接続した何らかのアダプタを介して動力や信号を伝達する場合、ドレープを接続するアダプタの構造が複雑化し易いという課題がある。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、複数の自由度を有するエンドエフェクタの制御を実現しつつ、ドレープを用いた滅菌部と非滅菌部との分離を容易にすることが可能な技術を提供することを目的とする。

この課題を解決するため、例えば本発明のロボット制御用医療器具は以下の構成を備える。すなわち、ロボットアームによって位置姿勢が制御されるロボット制御用医療器具であって、直径の異なる同心状の複数の中空部材の回転又は進退により駆動されるエンドエフェクタと、独立した複数の回転動力を発生させるアクチュエータユニットから前記複数の回転動力を受けて、前記複数の回転動力のそれぞれを、前記複数の中空部材を回転又は進退させることにより前記エンドエフェクタへ伝達する駆動アダプタと、を有し、前記駆動アダプタは、前記アクチュエータユニットを覆うためのドレープを有するドレープアダプタを介在させて前記アクチュエータユニットと着脱可能に接続した場合に、前記アクチュエータユニットと接触して、前記複数の中空部材の回転軸と平行な軸まわりに回転する前記複数の回転動力を受けるように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、複数の自由度を有するエンドエフェクタの制御を実現しつつ、ドレープを用いた滅菌部と非滅菌部との分離を容易にすることが可能になる。

本実施形態に係るロボット医療器具を用いた手術支援システムの概要を模式的に示す図 本実施形態に係るロボット医療器具の構成を模式的に示す図 本実施形態に係るアクチュエータユニットと駆動アダプタとの間で動力を伝達する構成を説明する図 本実施形態に係るアクチュエータユニットの構成を模式的に示す図 本実施形態に係るドレープアダプタの構成を模式的に示す図 本実施形態に係るアクチュエータユニットとドレープアダプタとが接続する様子を模式的に示す図 本実施形態に係る駆動アダプタの構成を模式的に示す図 本実施形態に係るドレープアダプタと駆動アダプタとが接続するための構成を模式的に示す図 本実施形態に係る駆動アダプタの内部構成の概要を模式的に示す図 本実施形態に係る駆動アダプタの内部構成の詳細を模式的に示す図 本実施形態に係る駆動アダプタにおける被駆動歯車を実現するための構成の一例を示す図 本実施形態に係る駆動アダプタにおける被駆動歯車を実現するための構成の他の例を示す図 本実施形態に係るエンドエフェクタの概念的な構成を示す図 本実施形態に係るエンドエフェクタのより詳細な構成を模式的に示す図 本実施形態に係る駆動アダプタに設けた原点出し歯車の一例を模式的に示す図

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（手術支援システムの概要）
まず、図１を参照して、本実施形態に係る手術支援システム１００について説明する。手術支援システム１００は、ロボット制御用医療器具の一例としてのロボット医療器具１０１と、当該ロボット医療器具１０１の位置姿勢を制御するための医療器具駆動部１０２と、演算装置１０３とを含む。

ロボット医療器具１０１は、後に詳述するように、手術内容に応じたエンドエフェクタ、エンドエフェクタを制御する動力を発生させるアクチュエータユニット、動力をエンドエフェクタに伝達する駆動アダプタ等が着脱可能に結合されている。手術を行う際には、ロボット医療器具１０１のエンドエフェクタ及び術具シャフトの一部が手術台１０５上に横たわる患者の体腔１０４内に挿入される。ロボット医療器具１０１では、後述するアクチュエータユニットが演算装置１０３の指示に応じて動力を発生させて、先端に取り付けられているエンドエフェクタの位置姿勢を制御する。

医療器具駆動部１０２は、例えばロボットアームを含み、演算装置１０３の指示に応じて、患者の体腔１０４内に挿入されるロボット医療器具の挿入深さ及び挿入角度を制御する。すなわち、本実施形態に係る手術支援システム１００は、医療器具駆動部１０２の動きとエンドエフェクタの動きを組み合わせて制御することによって、体腔内におけるエンドエフェクタの位置姿勢を制御する。

演算装置１０３は、例えばＣＰＵ或いはＧＰＵ等の１つ以上のプロセッサと、不図示のメモリ及び記録媒体とを含む。プロセッサは当該記録媒体に格納されたソフトウェアをメモリに展開、実行することによりロボット医療器具１０１と医療器具駆動部１０２とを制御する。

一般に、モータや電子部品を含む部分は洗浄や滅菌（以下、単に滅菌という）が難しい。このため、滅菌のできない部分を袋状のドレープで覆うことにより、システムにおける滅菌の行える部分（滅菌部）と滅菌を行えない部分（非滅菌部）とを分離する必要がある。しかし、医療器具駆動部１０２とロボット医療器具１０１の一部にドレープを用いる場合、単純な袋状のものでは、ドレープを介して動力伝達や信号伝達を行うことが難しく、ドレープを接続した何らかのアダプタを介して動力や信号の伝達を行うことが必要になる。本実施形態では、ロボット医療器具１０１にドレープを接続するアダプタを設け、当該アダプタの構造を工夫することにより、より単純な構造で滅菌部と非滅菌部との分離を実現しつつ、多自由度をもつエンドエフェクタへの動力伝達を可能にする。

（ロボット医療器具の構成要素、及び各部の接続）
図２（ａ）は、本実施形態に係るロボット医療器具１０１を模式的に示している。ロボット医療器具１０１は大きく分けて、アクチュエータユニット２０１、駆動アダプタ２０２、術具シャフト２０３、エンドエフェクタ２０４、ドレープ２０５及びドレープアダプタ２０６を含む。エンドエフェクタ２０４等の駆動アダプタ２０２から先の部分は滅菌が可能な構造であり、ドレープ２０５とドレープアダプタ２０６とは製造時に滅菌されている。ドレープアダプタ２０６を装着すると、図２（ｂ）に示すように、アクチュエータユニット２０１はドレープ２０５によって覆われるため、アクチュエータユニットへの飛散した血液等の付着や術者の手の接触を防止することができる。ドレープアダプタ２０６とアクチュエータユニット２０１、及び、ドレープアダプタ２０６と駆動アダプタ２０２は着脱可能である。アクチュエータユニット２０１で発生した動力は、カップリング機構２０７によって駆動アダプタ２０２側に伝達される。

例えば、１回の手術中にドレープアダプタ２０６をアクチュエータユニット２０１から取り外すことはないが、異なる術具を使用したい場合にはドレープアダプタ２０６から駆動アダプタ２０２を取り外して、エンドエフェクタ２０４等を交換することができる。使用された駆動アダプタ２０２やエンドエフェクタ２０４は、滅菌されて再び手術に使用され得るが、使用と滅菌を数回繰り返すと廃棄される。また、ドレープアダプタ２０６は、１回の手術が完了するとアクチュエータユニット２０１から取り外されて廃棄される。

図３は、本実施形態に係るカップリング機構２０７によって、アクチュエータユニット２０１で発生した動力が駆動アダプタ２０２側に伝達される構成を例示している。なお、図３では、図を簡略化するためにドレープアダプタ２０６は省略している。また、アクチュエータユニット２０１と駆動アダプタ２０２とを接続する構成は一例であり、この例に限定されない。カップリング機構２０７は、例えば、図３に示すような複数の歯車を用いた機構を含む。図３（ａ）は、篏合前の駆動アダプタの、術具シャフト２０３の長軸と垂直な面Ｘにおける断面を模式的に示している。図３（ｂ）は、アクチュエータユニット２０１と駆動アダプタ２０２とが篏合した状態における、図３（ａ）と同一の面Ｘにおける断面を示している。アクチュエータユニット２０１の先端に取り付けられた歯車（アクチュエータユニット側歯車３０１）と駆動アダプタ２０２側の歯車（駆動アダプタ側歯車３０２）とが噛み合っており、これにより各アクチュエータユニット２０１で発生する動力が駆動アダプタ２０２に伝達される。

図３に示すアクチュエータユニット２０１は、それぞれがエンドエフェクタを制御するための動力発生手段である４つのアクチュエータと、カップリング機構である４つの歯車を有し、４自由度のエンドエフェクタを制御可能なユニットの一例である。すなわち、アクチュエータユニット２０１で制御可能な自由度はこの例に限定されない。また、アクチュエータユニット側歯車３０１と駆動アダプタ側歯車３０２の配置や大きさは、アクチュエータユニット２０１と駆動アダプタ２０２とが着脱可能であって、発生した動力を伝達できる限り任意である。例えば、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、アクチュエータユニット２０１と駆動アダプタ２０２の挿抜方向と、各歯車の回転軸とが平行になるように各歯車を配置する。この例では、アクチュエータユニット２０１と駆動アダプタ２０２とが歯車の接線方向に挿抜されるので、挿抜が容易に行えるという利点がある。

アクチュエータユニット２０１は、例えば図４に示す構成を有する。アクチュエータユニット２０１は、内部に、例えばモータなどの複数のアクチュエータ（図３に示した例では４つ）を含んでいる。これらのアクチュエータは、例えば、その回転軸が、術具シャフト２０３の長軸と平行となるように配置されている。なお、アクチュエータとして一般的なものはモータであるが、回転動作が可能なアクチュエータであればその種類は問わない。

アクチュエータユニット２０１は、（滅菌することができないため）その滅菌を不要にするように、アクチュエータユニット２０１のほぼすべての部分がドレープ２０５とドレープアダプタ２０６によって覆われる。すなわち、ドレープアダプタ嵌合部４０１にドレープアダプタ２０６をはめ込んだ状態では、アクチュエータユニット側歯車３０１の一部のみが露出するように、ドレープ外の構成との接触が制限される。アクチュエータユニット２０１は、固定部品４０２を備え、ドレープアダプタ２０６は、固定部品４０２によってアクチュエータユニット２０１と着脱可能に固定される。なお、ここで示した固定部品４０２は回転動作で引っ掛かる爪のような構造であるが、着脱可能に固定できれば、ネジやスナップピン等の一般的な締結方法が使用可能である。

ドレープアダプタ２０６は、例えば図５に示す構成を有する。ドレープアダプタ２０６は、アクチュエータユニット２０１と着脱可能に固定されるように、アクチュエータユニット２０１の固定部品４０２を引っかける部材５０３（アクチュエータユニット側固定部品ひっかかり部）を有する。また、駆動アダプタ２０２側とも着脱可能に嵌合するための２つの部材５０１、５０２（固定アダプタ側固定部品引っかかり部）を有する。ドレープアダプタ２０６は、アクチュエータユニット２０１のアクチュエータユニット側歯車３０１とドレーブの外部の部材との接触を可能な限り遮断するためのカバー部５０５を有し、アクチュエータユニット側歯車３０１が、動力伝達のための開口部５０４から挿入された部材（アクチュエータユニット側歯車）とのみ接触するように構成されている。更に、ドレープアダプタ２０６は、後述する固定方法で駆動アダプタ２０２を嵌合するためのレール状の嵌合部５０６を有する。なお、図５の例では、図の簡単化のためにドレープ２０５を図示していないが、実際には図２や図６（ａ）に示すように、ドレープ固定部６０１によりドレープが接続される。

アクチュエータユニット２０１にドレープアダプタ２０６が接続されると、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すようになる。図６（ａ）は、術具シャフトの中心軸を含む平面に対し鉛直な方向から両部材が接続された様子を図示しており、図６（ｂ）は、術具シャフトの中心軸方向に沿って術具シャフト側から両部材が接続された様子を図示している。

ドレープアダプタ２０６とアクチュエータユニット２０１とが固定された状態では、ドレープアダプタ２０６とアクチュエータユニット２０１とが一意に位置決めされるため、アクチュエータユニット側歯車３０１とドレープアダプタ２０６の相対関係も一意に決定される。また、ドレープアダプタ２０６と駆動アダプタ２０２も同様に一意に位置決めされるため、結果的にアクチュエータユニット側歯車３０１と駆動アダプタ側歯車３０２の相対位置関係は一意に決定され、動力伝達が可能となる。このとき、動力を伝達するアクチュエータユニット２０１の歯車はドレープアダプタ２０６の筐体の内部に侵入し且つ留まっている。すなわち、上記ドレープアダプタ２０６を介在させることで、アクチュエータユニット２０１の歯車と動力を受けとる駆動アダプタ２０２の歯車とがドレープアダプタ２０６の筐体の内部空間において接触して結合する。このようにすることで、ドレープアダプタ２０６に動力を伝達する機構を設ける必要がなくなるため、ドレープアダプタ２０６が単純且つ安価な構成となる。また、人の手などがアクチュエータユニット２０１に直接触れる可能性を低減することができる。

また、アクチュエータユニット側歯車３０１は、図５に示したカバー部５０５の内側に配置されるように構成される。このような構造により、アクチュエータユニット２０１はドレープ２０５およびドレープアダプタ２０６の内側に存在することになり、アクチュエータユニット２０１を滅菌しなくても清潔を保つことが可能となる。ドレープアダプタ２０６の、動力伝達のための開口部５０４の内部ではアクチュエータユニット側歯車３０１が露出するが、開口部５０４は細い溝の形状とすることにより、指等がアクチュエータユニット側歯車３０１に直接触れることを難しくしている。

次に、ドレープアダプタ２０６と駆動アダプタ２０２との接続について、図７を参照して説明する。図７は、駆動アダプタ２０２の後端側（ドレープアダプタ側）の構成を示している。上述したように、駆動アダプタ側歯車３０２は、アクチュエータユニット側歯車３０１と対となっており、アクチュエータユニット２０１で発生された動力を受ける。駆動アダプタ側歯車３０２には動力伝達に必要な部分だけを露出させるためのカップリングカバー７０１が取り付けられている。

駆動アダプタ２０２は、使用前に滅菌されるが、滅菌されていない部位と接触した場合、その部分は汚染されたとみなされる。すなわち、駆動アダプタ２０２がアクチュエータユニット２０１及びドレープアダプタ２０６に取り付けられた際には、駆動アダプタ側歯車３０２が、滅菌されていないアクチュエータユニット側歯車３０１と接触するため、駆動アダプタ側歯車３０２は汚染されることになる。しかし、カップリングカバー７０１により、接触する部分の大部分はカバーされており、汚染部(すなわち駆動アダプタ側歯車)が他の清潔な部位との接触を極力遮るような構造となっている。また、駆動アダプタ２０２は、駆動アダプタ２０２をドレープアダプタ２０６に確実に固定するための、嵌合部７０２及び駆動アダプタ側固定部品７０３を備える。

図８（ａ）及び（ｂ）を参照して、駆動アダプタ２０２とドレープアダプタ２０６の固定方法について説明する。図８（ａ）は、駆動アダプタ２０２をスライドさせてドレープアダプタ２０６に固定する様子を、図８（ｂ）は、駆動アダプタ２０２とドレープアダプタ２０６とが固定された状態とを示している。駆動アダプタ２０２は、ドレープアダプタ２０６のレール状になっている嵌合部５０６に挿入されることで挿入方向以外の自由度が拘束される。挿入後、駆動アダプタ側固定部品７０３を回転させて、上述したドレープアダプタ２０６側の駆動アダプタ側固定部品引っかかり部５０１に引っかけることにより、駆動アダプタ２０２は挿入方向にも拘束される。更に、駆動アダプタ側固定部品７０３は、ドレープアダプタ２０６側の駆動アダプタ側固定部品引っかかり部５０２によっても固定されるため、駆動アダプタ２０２はどの方向にも拘束されるようにドレープアダプタ２０６に固定される。

（駆動アダプタの内部構成）
次に、アクチュエータユニット２０１の動力をエンドエフェクタ２０４を制御する動力に変換する、駆動アダプタの内部構成について説明する。まず、図９を参照して、駆動アダプタ２０２の内部構成の概要について説明する。アクチュエータユニット２０１から伝達される動力は、それぞれの駆動軸９０１を通して駆動アダプタ２０２の内部に伝達される。駆動アダプタ２０２は、内部に、駆動軸９０１に固定された駆動歯車９０２と、術具シャフト２０３と同心状に配置された被駆動歯車９０３を有する。すなわち、駆動アダプタ側歯車３０２によって伝達された回転動力は、駆動軸９０１、駆動歯車９０２、被駆動歯車９０３の順に伝達され、術具シャフト２０３と同心状にある中空部材を回転させる。なお、各軸の駆動歯車９０２は、各被駆動歯車９０３に対応した位置に配置されており、全ての軸を独立して動かすことが可能である。図９では、視認性を考慮して２つの駆動歯車９０２のみを図示しているが、実際には本実施形態に係る駆動歯車９０２は駆動アダプタ内に４つ存在する。後述する図１０においても同様である。

本機構によって駆動できる中空部材の例として、例えば図９に示すような入れ子構造になったパイプまたはロッド（すなわち直径の異なる複数の中空部材）がある。図９の例は、長さの異なるパイプ９０４を同心状に配置し、それぞれを被駆動歯車に固定することにより、各パイプを独立して回転させることができるようにしている。このようにすれば、駆動アダプタ２０２が、中空部材の中心軸と平行な軸まわりに回転する複数の独立した動力をアクチュエータユニット２０１から受けて、先端のエンドエフェクタ２０４にそれぞれ伝達することが可能になる。

ところで、アクチュエータユニット２０１から受けた回転動力を同軸上の回転にして伝達するだけではなく、押し引きのようなパイプの進退運動（直線運動）に変換したほうがエンドエフェクタ２０４の構造を簡素化できる場合がある。そこで、本実施形態に係る駆動アダプタは、同軸上の回転に加えて、同軸上の直線運動も伝達できるように構成される。

図１０は、図９に示した複数のパイプ９０４のうち、パイプ１００１を回転させ、且つパイプ１００２を直線運動させる場合の例を示している。なお、パイプ１００２は、パイプ１００１に対して直線運動は可能であるが、回転運動に関してはパイプ１００１に対して拘束されている状態を想定する。これは後述するエンドエフェクタ２０４のように、リンク機構を持つ先端を制御する場合に有効である。

パイプ１００１は、アクチュエータユニット２０１からの回転を回転運動として伝達するための回転用被駆動歯車１００３に固定されている。パイプ１００２には、直線運動用被駆動歯車１００４の内部に存在するねじ構造と接触するねじ部品１００５が固定されている。ねじ部品１００５は、一般的なボールねじや滑りねじのように回転運動を直線運動に変換する役割を果たす。すなわち、直線運動用被駆動歯車１００４の回転は、ねじ部品１００５の直線運動に変換される。但し、直線運動に変換するためには、ねじ部品は回転に対する反力を持たなければならない。パイプ１００１とパイプ１００２とは、直線運動に対して自由度を持ち、回転運動に対しては拘束されているため、パイプ１００１を拘束すれば、ねじ部品１００５が回転に対して拘束されて、直線運動を行うのに必要な反力を持つ。しかし、実際には先端部におけるパイプ１００１とパイプ１００２の回転に対する拘束は、反力を受けられるほど十分な剛性をもっておらず、別途、何らかの方法でねじ部品１００５の回転に対する反力を発生させる必要がある。

そこで、本実施形態では、回転用被駆動歯車１００３に回転を拘束する突起１００６（換言すればパイプ１００１とパイプ１００２の中心軸まわりの回転を一致させる係止部材）を設け、ねじ部品１００５と回転用被駆動歯車１００３との間の回転運動を拘束するようにしている。回転用被駆動歯車１００３を固定して、直線運動用被駆動歯車１００４を回転させれば、ねじ部品１００５（すなわちパイプ１００２）が直線運動を行う。一方、上記の２つの歯車を同じ量だけ回転させれば、パイプ１００１とパイプ１００２が同時に回転可能となる。なお、上述の例では、２自由度における回転運動と直進運動とについて説明したが、同様の機構を同軸上に直列に配置することにより、２自由度以上においても同様の制御が可能となる。

上述した被駆動歯車は、物理的な中心軸を有しないため、別途何らかの方法で術具シャフトと同軸上に拘束される必要がある。このような目的に対し、例えばラジアル軸受を使用する方法が考えられるが、直線運動が含まれる場合はその反力を受けるためにスラスト方向にも強固に拘束されなければならない。このような場合、例えばアンギュラ玉軸受のようなラジアル荷重とスラスト荷重の両方を受けられる軸受が必要となる。例えば、本実施形態では、被駆動歯車をラジアル方向にもスラスト方向にも拘束しつつ、それぞれが独立して動作可能な以下の構成を用いる。

図１１は、本実施形態に係る、被駆動歯車に一体的に設けられた軸受構造を示している。図１１に示す例では、被駆動歯車自体に鋼球１１０２の転動を可能にする溝１１０３を設けることにより、被駆動歯車がラジアル方向に拘束されるようにしている。すなわち、ある被駆動歯車は、隣接する被駆動歯車との間に鋼球を挟み込むことによって、隣接する被駆動歯車に対して回転可能となっており、且つ、互いのラジアル方向の位置が拘束されるように配置されている。このように溝１１０３によって鋼球を直接挟み込むため、軸受構造が小型化される。また、駆動アダプタ２０２の内部に固定部１１０４を設けることにより、被駆動歯車群のうち（最もアクチュエータユニット側或いはエンドエフェクタ側となる）被駆動歯車１１０１−１及び１１０１−４がスラスト方向に拘束されるようにしている。すなわち、物理的な中心軸がなくても、全ての被駆動歯車１１０１がラジアル方向とスラスト方向に拘束され、且つ、それぞれの被駆動歯車が独立して回転可能な状態となっている。

なお、図１１に示す例では、被駆動歯車１１０１に設けた溝１１０３上で鋼球１１０２が転動するようにしたが、図１２に示すように一般的なベアリング１２０１を用いて同様の構造を実現することも可能である。また、球が転動する軸受けに限らず、摺動軸受けを用いてもよい。

（エンドエフェクタの構成及びその制御）
上述した駆動アダプタ２０２の構造により、エンドエフェクタ２０４につながる複数のパイプに独立した動力を伝達することが可能となった。次に、図１３及び図１４を参照して、この伝達された動力によってエンドエフェクタ２０４を動作させる機構について説明する。なお、以下の説明では、２つの回転運動と２つの直線運動によって、エンドエフェクタの３自由度の姿勢および把持機構の開閉を行う構成を例に説明する。

図１３は、エンドエフェクタ２０４を制御するための自由度の構成を示しており、図１４はエンドエフェクタ２０４の具体的な構造の一例を示している。図１３における関節１３０１の回転は、図１４におけるパイプＡ１４０１を回転させ、エンドエフェクタ２０４全体を回転させることに相当する。また、図１３における関節１３０２の屈曲は、パイプＢ１４０２を直線運動させることにより、リンク１４１１によってエンドエフェクタ基部１４０４を屈曲関節１４０５周りに屈曲させることに相当する。更に、関節１３０３の回転は、パイプＣに接続されたトルク伝達部材によって先端回転基部１４０７を回転させることに相当する。また、図１３に示す手先部１３０４は、例えば開閉をして物体を把持または切断等する把持機構であり、この機構は図１４に示すワイヤ１４０６の直線運動により駆動される。このような機構を有することにより、駆動アダプタ２０２における２つの回転運動と２つの直線運動を、エンドエフェクタの姿勢および把持動作に変換することが可能となる。なお、図１３で説明した全ての自由度が必要でない場合には、適宜自由度を取り除いた状態で構成しても良い。

先端回転基部１４０７を回転させる関節１３０３では、把持に伴うスラスト方向の力を受けるため、結果的に大きな摩擦力が発生してしまう。このため、エンドエフェクタ２０４には、このような摩擦力の発生を低減するための機構が必要となる。図１４に示すように先端回転基部１４０７とエンドエフェクタ基部１４０４との間に鋼球１４０８を配置する。これにより圧縮方向に大きな力が加わった場合であっても、ほとんど摩擦の影響を受けることなく先端回転基部１４０７を回転させることが可能となる。図１４に示す例では、引張方向に脱落しないように、ピン１４０９と溝１４１０によってスラスト方向に固定している。なお、一般的なベアリングにおけるリテーナリングの役割をするものは存在しないが、エンドエフェクタ基部１４０４に設けた壁により鋼球が脱落しないような機構となっている。このような機構により、図１３に示す関節１３０１と関節１３０３は、回転を繰り返すことが可能である。

なお、上述のエンドエフェクタの構造では、関節の絶対角が不明となるため、一般的なロボットで行われるように、逆運動学を計算して、エンドエフェクタ基部１４０４上の点を所定の座標系上の絶対位置姿勢に移動させるような制御は不可能である。エンドエフェクタの先端を回転させる関節１３０３を操作者の操作指示に応じて制御する場合、エンドエフェクタ上の点の位置を相対的な位置関係において制御するようにしても、操作感にそれほど影響を与えることなく制御可能である。一方、エンドエフェクタ全体を回転させる関節１３０１の操作は、操作感に大きく影響を与えてしまう。そこで、本実施形態では、関節１３０１の絶対角を求めるための原点出しを行う。以下、図１５を参照して、原点出しの方法およびそのための構成について説明する。

図１５に示すように、駆動アダプタ２０２の外側に、図１３における関節１３０１を動作させるための被駆動歯車９０３と連動して回転する、原点出し歯車１５０１を設ける。原点出し歯車１５０１は、被駆動歯車９０３と全く同一の速度で回転するように減速比を設定する。簡便な方法の一例として、図１５に示すように、原点出し歯車１５０１は被駆動歯車９０３と同一の直径を有し、駆動歯車９０２と同一の直径のカップリング歯車１５０２によって回転されるようにする。図１５に示す例では、原点出し歯車１５０１は、関節１３０１を駆動するためのカップリング歯車１５０２以外には触れないようになっている。

原点出し歯車１５０１には、少なくとも回転によって磁極方向が変化するような方向に着磁された磁石１５０３（検出部材）が配置される。この磁石は、例えばラジアル方向にＮ極Ｓ極に分かれた磁石が相当する。この磁極の方向とエンドエフェクタ２０４の姿勢とを予め対応付けて原点出し歯車１５０１を組み立てることにより、磁極の方向から回転を検出することができ、エンドエフェクタ２０４の姿勢を判断できるようになる。一方、アクチュエータユニット２０１には、ホールセンサ１５０４を配置する。例えば、Ｎ極に反応する磁気センサを、原点出し歯車の中心軸から離した位置に配置すれば、一意に原点を決めることが可能となる。すなわち、原点出し歯車１５０１の磁石１５０３によって、被駆動歯車の所定の位置が所定の回転位置まで回転したことを検出することができる。なお、直線運動を行う２軸に関してはストロークエンドがあるため、一般的に行われるように、モータの電流値から原点出しをすることが可能である。

なお、上述の実施形態では、動力伝達部材として、アクチュエータユニット側歯車３０１、駆動アダプタ側歯車３０２、駆動歯車９０２、被駆動歯車９０３、回転用被駆動歯車１００３、直線運動用被駆動歯車１００４が歯車である例を説明した。しかし、回転する動力を伝達することのできる動力伝達部材であれば、例えば摩擦力やベルトを用いるような他の構成であってもよい。

以上説明したように本実施形態では、駆動アダプタ２０２では、同心状に配置した直径の異なる複数の中空部材に対し、各中空部材が中心軸の軸方向に進退、又は当該中心軸まわりに回転するように、外部からの動力を変換するようにした。特に、駆動アダプタ２０２は、中空部材の中心軸と平行な軸まわりに回転する複数の動力を外部からの受けるように構成される。そして、各軸まわりの動力を、ねじ部品１００５を取り付けた直進運動用被駆動歯車を用いて中心軸方向の進退動力に変換、或いは、回転用被駆動歯車を用いて中心軸回りの回転動力に変換するようにした。このようにすることで、アクチュエータユニットで発生された独立した回転動力を、術具シャフトの中心軸に対する回転動力と中心軸方向の進退動力との組に変換し、エンドエフェクタ２０４の位置姿勢を高い自由度で制御することができるようになる。

また、本実施形態では、滅菌を行わない部材と滅菌を行う部材とを分離可能にするため、アクチュエータユニット２０１を、ドレープアダプタ２０６を介して駆動アダプタ２０２と接続するようにした。このようにすることで、ロボット医療器具１０１において、アクチュエータユニット２０１の動力を効率的に伝達する構成を有しつつ、ドレープアダプタ２０６及び駆動アダプタ２０２より先の部分を取り外して滅菌を行ったり、手術用途に応じて当該先の部分を交換したりすることができるようになる。また、ドレープアダプタ２０６は、動力を伝達するアクチュエータユニット２０１の歯車がドレープアダプタ２０６の内部に侵入し且つ留まるように構成され、当該アクチュエータユニット２０１の歯車と、動力を受けとる駆動アダプタ２０２の歯車とがドレープアダプタ２０６の内部で接触して結合するようにした。このようにすることでドレープアダプタ２０６が動力を伝達する機構を有しない単純且つ安価な構成となり、また、人の手などがアクチュエータユニット２０１に直接触れる可能性を低減することができる。更に、ドレープアダプタ２０６は、駆動アダプタ２０２との接続位置に、スリット状の開口部を有するカバー状の部材（カバー部５０５）を有し、駆動アダプタ２０２の歯車のみが当該開口部からドレープアダプタ２０６の内部に侵入可能にした。このようにすることで、人などの手がアクチュエータユニット２０１に触れる可能性を更に低減することができる。

さらに、駆動アダプタ２０２は、被駆動歯車９０３の回転と連動して回転する原点出し歯車１５０１を有し、原点出し歯車は、例えばラジアル方向にＮ極Ｓ極に分かれた、回転によって磁極方向が変化するような磁石１５０３を含むようにした。そして、アクチュエータユニット２０１に設けた磁気センサによって磁気を計測することにより、被駆動歯車１１０１の原点を特定できるようにした。このようにすることで、アクチュエータユニット２０１から、駆動アダプタ２０２の被駆動歯車１１０１の回転の制御、すなわちエンドエフェクタ２０４の回転や屈曲を精度良く制御することが可能になる。

２０１…アクチュエータユニット、２０２…駆動アダプタ、２０３…術具シャフト、２０４…エンドエフェクタ、２０６…ドレープアダプタ、３０１…アクチュエータユニット側歯車、５０４…開口部、５０５…カバー部、１００３…回転用被駆動歯車、１００４…直線運動用被駆動歯車、１００５…ねじ部品、１４０１〜１４０３…パイプ、１４０５…屈曲関節

Claims (15)

1. ロボットアームによって位置姿勢が制御されるロボット制御用医療器具であって、
   直径の異なる同心状の複数の中空部材の回転又は進退により駆動されるエンドエフェクタと、
   独立した複数の回転動力を発生させるアクチュエータユニットから前記複数の回転動力を受けて、前記複数の回転動力のそれぞれを、前記複数の中空部材を回転又は進退させることにより前記エンドエフェクタへ伝達する駆動アダプタと、を有し、
   前記駆動アダプタは、前記アクチュエータユニットを覆うためのドレープを有するドレープアダプタを介在させて前記アクチュエータユニットと着脱可能に接続した場合に、前記アクチュエータユニットと接触して、前記複数の中空部材の回転軸と平行な軸まわりに回転する前記複数の回転動力を受けるように構成される、ことを特徴とするロボット制御用医療器具。
2. 前記駆動アダプタは、前記複数の中空部材のうちの第１の中空部材を前記複数の中空部材の中心軸方向に進退させるための第１の動力伝達部材と、前記複数の中空部材のうちの第２の中空部材を前記複数の中空部材の中心軸まわりに回転させる第２の動力伝達部材とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御用医療器具。
3. 前記駆動アダプタは、前記第１の中空部材と前記第２の中空部材との前記中心軸まわりの回転を一致させる係止部材を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のロボット制御用医療器具。
4. 前記第１の動力伝達部材と前記第２の動力伝達部材とは、物理的な中心軸を有しない、ことを特徴とする、請求項２又は３に記載のロボット制御用医療器具。
5. 前記第１の動力伝達部材と前記第２の動力伝達部材とは、隣接する動力伝達部材に対して回転可能であるための所定の部材を前記隣接する動力伝達部材との間で挟み込んで、互いのラジアル方向の位置を拘束するように配置される、ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のロボット制御用医療器具。
6. 前記所定の部材は球体であり、
   前記第１の動力伝達部材と前記第２の動力伝達部材とは、隣接する動力伝達部材との間で前記球体を挟み込むための溝を有する、ことを特徴とする請求項５に記載のロボット制御用医療器具。
7. 前記第１の動力伝達部材は、前記第１の動力伝達部材の回転に応じて、前記第１の中空部材を前記中心軸方向に進退させるねじ構造を含む、ことを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載のロボット制御用医療器具。
8. 前記駆動アダプタは、前記第１の動力伝達部材又は前記第２の動力伝達部材の、前記中心軸まわりの回転位置を検出するための検出部材を更に有する、ことを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載のロボット制御用医療器具。
9. 前記アクチュエータユニットから前記複数の回転動力を受ける前記駆動アダプタの動力伝達部材と、前記複数の回転動力を伝達する前記アクチュエータユニットの動力伝達部材とは、前記ドレープアダプタの筐体の内部空間において接触する、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のロボット制御用医療器具。
10. 前記エンドエフェクタは、前記複数の中空部材のいずれかの回転により前記エンドエフェクタの全体を前記複数の中空部材の中心軸まわりに回転させる第１の関節と、前記複数の中空部材のいずれかの進退により屈曲する第２の関節と、前記複数の中空部材のいずれかの回転により前記第２の関節より先にある手先部を前記複数の中空部材の中心軸まわりに回転させる第３の関節と、を有することを特徴とする請求項２から９のいずれか１項に記載のロボット制御用医療器具。
11. 前記手先部は、把持機構を含み、前記把持機構は、前記複数の中空部材のいずれかの進退により開閉する、ことを特徴とする請求項１０に記載のロボット制御用医療器具。
12. ロボット制御用医療器具であって、直径の異なる同心状の複数の中空部材の回転又は進退により駆動されるエンドエフェクタと、独立した複数の回転動力を発生させるアクチュエータユニットから前記複数の回転動力を受けて、前記複数の回転動力のそれぞれを、前記複数の中空部材を回転又は進退させることにより前記エンドエフェクタへ伝達する駆動アダプタと、を含む、ロボットアームによって位置姿勢が制御されるロボット制御用医療器具に用いられるドレープアダプタであって、
    前記アクチュエータユニットを覆うためのドレープを有し、
    前記アクチュエータユニットと前記駆動アダプタの間に介在して、前記駆動アダプタと前記アクチュエータユニットとが着脱可能に接続した場合に、前記駆動アダプタが、筐体の内部空間において前記アクチュエータユニットと接触して、前記複数の中空部材の回転軸と平行な軸まわりに回転する前記複数の回転動力を受けるように構成される、ことを特徴とするドレープアダプタ。
13. 前記ドレープアダプタは、前記駆動アダプタと接する面にカバーを有し、
    前記カバーは、前記駆動アダプタの動力伝達部材を、前記ドレープアダプタの筐体の内部空間において前記アクチュエータユニットの動力伝達部材と接触させるための開口部を有する、ことを特徴とする請求項１２に記載のドレープアダプタ。
14. ロボット制御用医療器具と、前記ロボット制御用医療器具の位置姿勢を制御するためのロボットアームと、演算装置とを有する手術支援システムであって、
    前記ロボット制御用医療器具は、
    直径の異なる同心状の複数の中空部材の回転又は進退により駆動されるエンドエフェクタと、
    独立した複数の回転動力を発生させるアクチュエータユニットと、
    前記アクチュエータユニットから前記複数の回転動力を受けて、前記複数の回転動力のそれぞれを、前記複数の中空部材を回転又は進退させることにより前記エンドエフェクタへ伝達する駆動アダプタと、
    前記アクチュエータユニットを覆うためのドレープを有し、且つ、前記アクチュエータユニットと前記駆動アダプタの間に介在して、前記駆動アダプタと前記アクチュエータユニットとが着脱可能に接続した場合に、前記駆動アダプタが、前記アクチュエータユニットと接触して、前記複数の中空部材の回転軸と平行な軸まわりに回転する前記複数の回転動力を受けるように構成されるドレープアダプタと、を有し、
    前記演算装置は、前記ロボット制御用医療器具の前記アクチュエータユニットによって発生される前記複数の回転動力を制御するように構成される、ことを特徴とする手術支援システム。
15. 前記演算装置は、更に、前記ロボットアームを制御して、体腔内に挿入される前記ロボット制御用医療器具の挿入深さ及び挿入角度を制御するように構成される、ことを特徴とする請求項１４に記載の手術支援システム。

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