JP6427673B2 - マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータに関するものである。

従来、軟性の挿入部の先端に配置された湾曲部あるいは鉗子等の可動部をワイヤによって駆動する方式の手術器具が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１の手術器具は、軟性の挿入部が湾曲することにより内部を貫通するワイヤの張力が変動することを防止するために、ワイヤに一定の初期張力を付与する定力バネを備えている。

特許第５５４２２８８号公報

しかしながら、特許文献１の手術器具のように、定力バネによってワイヤに張力を付与する場合には、挿入部の形態が変動しても一定の張力しか付与することができないという不都合がある。すなわち、挿入部の形態が変動して、より大きな曲率で湾曲するようになると、ワイヤと該ワイヤを被覆するシースとの間の摩擦力が増大するので、より大きな張力が付与されないとエンドエフェクタを動作させることができないが、特許文献１の手術器具では、定力バネによる一定の張力しか付与されないので、エンドエフェクタの動作に遅れが発生する等の問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、長尺ガイド部材の形態に合わせて適正な張力を張力伝達部材に付与して、湾曲部あるいは鉗子等の可動部を円滑に動作させ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、可動部と、該可動部に供給する動力を発生する駆動部と、一端に前記可動部、他端に前記駆動部を取り付ける細長い軟性の長尺ガイド部材と、該長尺ガイド部材の内部のルーメンを貫通し前記駆動部の動力を張力により前記可動部に伝達する細長い張力伝達部材と、該張力伝達部材の張力を調節する張力調節機構と、前記駆動部を着脱可能に取り付ける保持部とを備え、該張力調節機構が、前記張力伝達部材の長手方向に交差する方向に移動可能に設けられ前記張力伝達部材を牽引するテンショナと、前記保持部に設けられ、前記駆動部を前記保持部に取り付けた状態で、前記テンショナを移動させる押圧部材とを備えるマニピュレータである。

本態様によれば、駆動部の作動により駆動部において発生した動力が張力として張力伝達部材を介して可動部に伝達され可動部が作動させられる。長尺ガイド部材を湾曲させると、該長尺ガイド部材内部のルーメンも湾曲するので、張力伝達部材は湾曲したルーメン内でガイドされて張力を伝達するようになる。
この場合において、長尺ガイド部材が大きく湾曲させられると、張力伝達部材とルーメンとの間の摩擦が増大し、大きな張力を付与しないと可動部に動力を伝達することが困難となる。

本態様によれば、駆動部を保持部に取り付けた状態で、保持部に設けられた押圧部材によって、テンショナが張力伝達部材の長手方向に交差する方向に移動させられることにより、張力伝達部材がテンショナによって牽引されて、張力伝達部材に付与される張力を増大させることができる。押圧部材によるテンショナの移動量を調節することにより、長尺ガイド部材の形態に合わせて適正な張力を張力伝達部材に付与して、湾曲部あるいは鉗子等の可動部を円滑に動作させることができる。

上記態様においては、前記保持部がモータを備え、前記駆動部が、前記保持部に取り付けられたときに前記モータに接続され、前記モータの回転力を前記張力伝達部材の張力に変換する動力変換部を備えていてもよい。
このようにすることで、駆動部を保持部に取り付けない状態で、長尺ガイド部材を湾曲させながら体腔内に挿入していき、可動部が患部近傍に配置された状態で、駆動部を保持部に取り付けると、保持部に備えられたモータが駆動部に備えられた動力変換部に接続される。

これにより、モータを作動させると、モータの回転力が動力変換部によって張力伝達部材に付与される張力に変換され、その張力が張力伝達部材によって可動部に伝達され、可動部が作動させられる。駆動部にモータを接続するために駆動部を保持部に取り付ける操作により、適正な張力を張力伝達部材に付与して、湾曲部あるいは鉗子等の可動部を円滑に動作させることができる。

また、上記態様においては、前記張力調節機構が、前記テンショナに接続され、該テンショナの移動方向に移動可能に支持された牽引部材を備え、前記押圧部材が、前記牽引部材の移動方向に交差する方向に移動させられるとともに、前記押圧部材および前記牽引部材の少なくとも一方が、前記押圧部材の移動を前記牽引部材の移動に変換する傾斜面を備えていてもよい。

このようにすることで、保持部に備えられたモータの動力変換部への接続方向と、押圧部材の移動方向とを一致させておくだけで、駆動部と保持部とを一方向に近接させて、駆動部を保持部に取り付ける操作により、押圧部材の移動を傾斜面によって牽引部材の移動に変換し、牽引部材に接続するテンショナにより張力伝達部材に付与される張力を増大させることができる。すなわち、簡単な操作で、適正な張力を張力伝達部材に付与して、湾曲部あるいは鉗子等の可動部を円滑に動作させることができる。

また、上記態様においては、前記テンショナと前記牽引部材との間に、テンショナを前記牽引部材に近接させる方向に常時付勢する弾性部材を備えていてもよい。
このようにすることで、モータと動力変換部とが接続されていない状態においても、牽引部材とテンショナとの間に設けられた弾性部材の付勢力によってテンショナが牽引部材の方向に牽引されるので、テンショナによって張力伝達部材に一定の張力が付与されており、張力伝達部材の弛みが防止される。駆動部を保持部に取り付ける際には、牽引部材が移動させられることにより、弾性部材による付勢力が増大させられて、張力伝達部材に付与する張力を増大させ、適正な張力を張力伝達部材に付与して、湾曲部あるいは鉗子等の可動部を円滑に動作させることができる。

また、上記態様においては、前記張力調節機構が、前記牽引部材から前記押圧部材に加えられる押圧力を検出するセンサを備えていてもよい。
このようにすることで、検出された押圧力に基づいて、張力伝達部材に付与された張力が適正な位置で張力調節機構によるテンショナの移動を拘束することができる。
また、上記態様においては、前記張力調節機構が、前記押圧部材を押圧するシャフトを備え、前記センサが、前記シャフトに発生する前記押圧力を検出する圧力センサであってもよい。

本発明によれば、長尺ガイド部材の形態に合わせて適正な張力を張力伝達部材に付与して、湾曲部あるいは鉗子等の可動部を円滑に動作させ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一部を破断した模式図である。 図１のマニピュレータの駆動部を構成するマニピュレータ側駆動部とモータユニットとが分離した状態を示す縦断面図である。 図２のマニピュレータ側駆動部とモータユニットとが連結された状態を示す縦断面図である。 図３の状態におけるテンショナプーリの移動を説明するマニピュレータ側駆動部の模式図である。 図２よりも大きな張力を付与する場合のマニピュレータ側駆動部とモータユニットとが分離した状態を示す縦断面図である。 図５のマニピュレータ側駆動部とモータユニットとが連結された状態を示す縦断面図である。 図６の状態におけるテンショナプーリの移動を説明するマニピュレータ側駆動部の模式図である。 図１のマニピュレータの変形例におけるマニピュレータ側駆動部を示す模式図である。 図８のマニピュレータの駆動部を構成するマニピュレータ側駆動部とモータユニットとが分離した状態を示す縦断面図である。 図９のマニピュレータ側駆動部とモータユニットとが連結された状態を示す縦断面図である。

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および図２に示されるように、例えば、患者の体腔内に挿入される内視鏡（図示略）のチャネルを介して患者の体腔内に挿入される細長い軟性の長尺ガイド部材２と、該長尺ガイド部材２の先端に配置された可動部３と、長尺ガイド部材２の基端に配置され可動部３を作動させる駆動力を発生する駆動部４と、該駆動部４により発生した駆動力を張力として可動部３に伝達するワイヤ（張力伝達部材）５と、該ワイヤ５の張力を調節する張力調節機構６とを備えている。

可動部３は、体内の患部に作用する鉗子等の処置部７と、該処置部７を支持する少なくとも１つの関節部８とを備えている。図に示す例では、説明を簡単にするために、関節部８は、長尺ガイド部材２の長手軸に直交する軸線回りに処置部７を揺動させる単一の揺動関節を有する場合を示している。

長尺ガイド部材２は、長手方向に貫通する複数のルーメンを備えた細長い軟性のマルチルーメンチューブである。
駆動部４は、図２に示されるように、モータ９を備えるモータユニット（保持部）１０と、マルチルーメンチューブ２の基端に取り付けられたマニピュレータ側駆動部１１とを備えている。モータユニット１０とマニピュレータ側駆動部１１とは、相互に着脱可能に設けられている。

マニピュレータ側駆動部１１は、マルチルーメンチューブ２の基端に固定されたハウジング１２と、該ハウジング１２に回転可能に取り付けられワイヤ５を回し掛けた駆動プーリ（動力変換部）１３と、ワイヤ５の途中位置をワイヤ５の長手方向に直交する方向に牽引するテンショナプーリ（テンショナ）１４と、該テンショナプーリ１４を回転可能に支持するとともに、該テンショナプーリ１４によるワイヤ５の牽引方向に移動可能にハウジング１２に支持された牽引部材１５とを備えている。

図中、符号１６はテンショナプーリ１４の両側においてワイヤ５を湾曲させるアイドラ、符号１７は駆動プーリ１３をハウジング１２に回転可能に支持するベアリングである。各アイドラ１６はハウジング１２に固定されたシャフト１８回りに回転可能に設けられている。

牽引部材１５は、図２に示されるように、テンショナプーリ１４を一端に支持し、他端にテンショナプーリ１４の移動方向に対して傾斜する傾斜面１５ａを備えている。
モータユニット１０は、マニピュレータ側駆動部１１のハウジング１２に着脱可能に設けられたハウジング１９と、該ハウジング１９内からマニピュレータ側駆動部１１への取付方向にシャフト９ａを突出させたモータ９と、テンショナプーリ１４の移動量を入力する入力部２１とを備えている。シャフト９ａの先端には、該シャフト９ａを駆動プーリ１３に着脱可能に連結するためのスプラインギヤ等の接続部２２が設けられている。

入力部２１は、牽引部材１５の傾斜面１５ａを押圧する傾斜面２３ａを備えた押圧部材２３と、該押圧部材２３をモータ９のシャフト９ａと平行な方向に移動させる直動機構２０とを備えている。直動機構２０は、図に示す例では、ハウジング１９に設けられたネジ孔２４と、該ネジ孔２４に締結されたネジ軸（シャフト）２５と、該ネジ軸２５の一端に設けられたハンドル２６とを備えている。

押圧部材２３は、ネジ軸２５の他端に、ネジ軸２５の軸線Ｓ回りに回転可能に取り付けられており、ハンドル２６の回転によってネジ軸２５がその軸線Ｓ回りに回転させられても、その回転力は押圧部材２３に伝達されず、ネジ軸２５の推進力のみが押圧部材２３に伝達されるようになっている。また、押圧部材２３には、ネジ軸２５の長手軸回りの回転を抑制するガイド（図示略）が設けられている。

マニピュレータ側駆動部１１のハウジング１２にモータユニット１０のハウジング１９を取り付ける際には、押圧部材２３の傾斜面２３ａが、牽引部材１５の傾斜面１５ａに対向する位置に配置され、直動機構２０の作動による押圧部材２３の移動により、傾斜面１５ａを押圧して、テンショナプーリ１４を移動させ、ワイヤ５に付与する張力を増大させることができるようになっている。

すなわち、テンショナプーリ１４、牽引部材１５および入力部２１により、ワイヤ５の張力を調節する張力調節機構６が構成されている。
マニピュレータ側駆動部１１がモータユニット１０に連結されると、モータユニット１０のモータ９のシャフト９ａとマニピュレータ側駆動部１１の駆動プーリ１３とが、スプラインギヤ等の接続部２２によって連結される。これにより、モータ９の回転駆動力が、プーリ１３，１４の回転方向に依存するいずれかのワイヤ５の張力に変換されるようになっている。そして、ワイヤ５によって伝達される張力によって可動部３がいずれかの方向に駆動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を用いて、患者の体内の処置を行う場合について説明する。
図２に示されるように、マニピュレータ側駆動部１１からモータユニット１０を取り外した状態で、患者の体外から体腔内に挿入された内視鏡の挿入部のチャネルを介して、本実施形態に係るマニピュレータ１を先端の可動部３側から挿入していき、体内に配置されている内視鏡の挿入部の先端面の鉗子チャネルの開口から可動部３を突出させる。

この場合において、体腔は曲がりくねっている場合が多く、内視鏡の挿入部および該挿入部に設けられているチャネルは体腔の形状に倣って湾曲されて体腔内に挿入されている。したがって、このようなチャネルを介してマニピュレータ１が挿入される場合には、マニピュレータ１は長尺ガイド部材２をチャネルに合わせて湾曲させながら挿入されていくことになる。マニピュレータ側駆動部１１から重量の大きなモータユニット１０が切り離されているので、挿入作業を容易にすることができる。

本実施形態に係るマニピュレータ１において、長尺ガイド部材２が湾曲させられると、長尺ガイド部材２を構成しているマルチルーメンチューブに形成されているルーメンも湾曲させられ、ルーメン内に配置されているワイヤ５との摩擦が大きくなる。
このため、操作者は、図２に示されるように、モータユニット１０に設けられた入力部２１のハンドル２６を操作し、長尺ガイド部材２の湾曲の程度に合わせた押出量だけ押圧部材２３を押し出しておく。

すなわち、ハンドル２６を一方向に回転させると、ネジ孔２４に対してネジ軸２５が回転し、ネジのリードに応じた押出量だけネジ軸２５が前進させられ、ネジ軸２５の先端に取り付けられている押圧部材２３が押し出される。
そして、この状態で、マニピュレータ側駆動部１１のハウジング１２と、モータユニット１０のハウジング１９とを近接させることにより、図３に示されるように、ハウジング１２，１９どうしを相互に連結する。

このとき、モータユニット１０から突出しているモータ９のシャフト９ａは、マニピュレータ側駆動部１１の駆動プーリ１３に連結し、スプラインギヤ等の接続部２２によって回転力を伝達することができるようになる。一方、入力部２１の押圧部材２３に設けられた傾斜面２３ａは、牽引部材１５の傾斜面１５ａに密着し、これを押圧する。その結果、両ハウジング１２，１９が完全に連結される状態となるまで、押圧部材２３の傾斜面２３ａが牽引部材１５の傾斜面１５ａを押圧し、牽引部材１５を移動させる。

すなわち、図３および図４に示されるように、牽引部材１５が移動させられると、牽引部材１５の一端に設けられているテンショナプーリ１４も同方向に移動する。テンショナプーリ１４は、ワイヤ５の途中位置をワイヤ５の長手方向に交差する方向に牽引するので、テンショナプーリ１４の移動量に応じてワイヤ５に付与される張力が増大させられる。これにより、長尺ガイド部材２の湾曲の程度に合わせた移動量だけテンショナプーリ１４を移動させて張力を適正に調節することができるという利点がある。

また、ワイヤ５の張力を大きく増大させたいときには、図５に示されるように、両ハウジング１２，１９を連結する前の状態で、ハンドル２６の操作によって押圧部材２３を大きく突出させておき、図６に示されるように両ハウジング１２，１９を相互に連結することにより、図６および図７に示されるように牽引部材１５を大きく移動させて、テンショナプーリ１４を大きく移動させることができる。

ここで、押圧部材２３の押出量を決定するための長尺ガイド部材２の湾曲の程度については、以下の方法によって決定することができる。
すなわち、長尺ガイド部材２の湾曲の程度は、長尺ガイド部材２に設けた形状センサによって直接検出してもよいし、内視鏡挿入形状測定装置によって外部から磁界等によって間接的に検出してもよい。また、処置を行おうとする患部の位置、あるいは可動部３に備えられた処置部７の種類によって長尺ガイド部材２の湾曲形状を推定できるので、これらの情報に基づいて押出量を決定することにしてもよい。

このように本実施形態に係るマニピュレータ１によれば、押圧部材２３を押し出してテンショナプーリ１４を移動させ、モータ９を駆動プーリ１３に連結してワイヤ５に適正な張力を付与することができ、操作が簡単である。
長尺ガイド部材２を大きく湾曲させたときには、ワイヤ５に付与される張力を増大させておくことにより、モータ９の駆動による可動部３の動作に発生する時間遅れを低減することができ、円滑な処置を行うことができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、入力部２１として、ハンドル２６の手動操作によって押圧部材２３を押し出す構造のものを例示したが、これに限定されるものではなく、モータ９およびボールネジ等の直動機構２０によって、押圧部材２３を移動させる方式のものを採用してもよい。
また、本実施形態においては、両ハウジング１２，１９の連結前に、ハンドル２６の操作によって押圧部材２３を予め押し出しておくこととしたが、これに代えて、両ハウジング１２，１９の連結後に、押圧部材２３を押し出して、ワイヤ５の張力を調節することにしてもよい。

また、本実施形態においては、押圧部材２３にも傾斜面２３ａを設け、牽引部材１５の傾斜面１５ａと押圧部材２３の傾斜面２３ａとを相互に密着させることとしたが、いずれか一方に設けられていることにしてもよい。この場合、他方には、傾斜面を転がるローラが設けられていることが好ましい。

また、本実施形態においては、モータ９を有しないマニピュレータ側駆動部１１を、モータ９を備えるモータユニット１０に取り付ける際にワイヤ５の張力が調節されることとしたが、これに代えて、マニピュレータ側駆動部１１が、駆動プーリ１３に連結されたモータ９を備えていてもよい。この場合には、マニピュレータ１全体を移動させるためにマニピュレータ側駆動部１１を固定するスライダ、あるいは、術中にマニピュレータ側駆動部１１を固定しておく固定台等の保持部を採用してもよい。

さらに、本実施形態においては、図８に示されるように、テンショナプーリ１４と牽引部材１５との間に、牽引部材１５にテンショナプーリ１４を引きつける方向に常時付勢する引張りバネ（弾性部材）３０を配置してもよい。このようにすることで、引張りバネ３０の付勢力によってワイヤ５に常時張力が付与されるので、マニピュレータ側駆動部１１にモータユニット１０を連結する前の状態におけるワイヤ５の弛みを防止することができる。

そして、この場合には、図９に示されるように、テンショナプーリ１４を回転自在に取り付けているブラケット２７を挟む位置に、マニピュレータ側駆動部１１のハウジング１２内面およびモータユニット１０のハウジング１９外面に設けられ、図１０に示されるように、両ハウジング１２，１９が連結された状態で、ブラケット２７を挟んでテンショナプーリ１４を固定するプーリ固定機構２８を備えていることが好ましい。図中符号２９は、ブラケット２７に密着させられて大きな摩擦力によってブラケット２７を移動しないように保持するゴム板等の摩擦増大部材である。
ワイヤ５に適正な張力が付与された後には、テンショナプーリ１４を固定することによって、可動部３の作動中におけるワイヤ５の張力変動を抑制することができる。

また、本実施形態においては、入力部２１がネジ軸２５に加わる押圧力を検出する圧力センサ（センサ：図示略）を備えていてもよい。圧力センサは、ネジ孔２４よりも押圧部材２３側に設けられることが好ましい。

これにより、駆動プーリ１３にシャフト９ａを連結した状態で、モータユニット１０のモータ９を作動させ、押圧部材２３を押し込んでいくと、ネジ軸２５に設けられた圧力センサにより検出される押圧力が増加していくので、所定の圧力に到達した時点で、張力調節機構６の作動を停止することによって、ワイヤ５の張力を適正に調整することができる。

１ マニピュレータ
２ 長尺ガイド部材
３ 可動部
４ 駆動部
５ ワイヤ（張力伝達部材）
６ 張力調節機構
９ モータ
１０ モータユニット（保持部）
１３ 駆動プーリ（動力変換部）
１４ テンショナプーリ（テンショナ）
１５ 牽引部材
１５ａ 傾斜面
２３ 押圧部材
２３ａ 傾斜面
２５ ネジ軸（シャフト）
３０ 引張りバネ（弾性部材）

Claims (6)

1. 可動部と、
   該可動部に供給する駆動力を発生する駆動部と、
   一端に前記可動部を取り付け、他端に前記駆動部を取り付ける細長い軟性の長尺ガイド部材と、
   該長尺ガイド部材の内部のルーメンを貫通し前記駆動部の駆動力を張力により前記可動部に伝達する細長い張力伝達部材と、
   前記駆動部に設けられ、前記張力伝達部材の張力を調節する張力調節機構と、
   前記駆動部を着脱可能な保持部とを備え、
   前記張力調節機構は、前記張力伝達部材の長手方向に交差する方向に移動することにより、前記張力伝達部材の張力を増大させるテンショナと、前記テンショナを支持する牽引部材とを有し、
   前記保持部は、前記駆動部が取り付けられた状態で当該保持部から押し出されるように構成された押圧部材を有し、
   前記牽引部材は、前記押圧部材が前記保持部から押し出されることによって前記張力伝達部材の長手方向に交差する方向に移動し、
   前記テンショナは、前記牽引部材が移動することにより、前記牽引部材と同じ方向に移動するマニピュレータ。
2. 前記保持部がモータを備え、
   前記駆動部が、前記保持部に取り付けられたときに前記モータに接続され、前記モータの回転力を前記張力伝達部材の張力に変換する動力変換部を備える請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記押圧部材が、前記牽引部材の移動方向に交差する方向に移動させられるとともに、
   前記押圧部材および前記牽引部材の少なくとも一方が、前記押圧部材の移動を前記牽引部材の移動に変換する傾斜面を備える請求項１に記載のマニピュレータ。
4. 前記テンショナと前記牽引部材との間に、前記テンショナを前記牽引部材に近接させる方向に常時付勢する弾性部材を備える請求項１に記載のマニピュレータ。
5. 前記張力調節機構が、前記牽引部材から前記押圧部材に加えられる押圧力を検出するセンサを備える請求項３または請求項４に記載のマニピュレータ。
6. 前記張力調節機構が、前記押圧部材を押圧するシャフトを備え、
   前記センサが、前記シャフトに発生する前記押圧力を検出する圧力センサである請求項５に記載のマニピュレータ。
   

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