JP6445604B2 - ロボットアーム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアームに関し、特には、遠隔運動中心（ＲＣＭ／Remote Center of Motion）を提供するロボットアームに関する。

手術支援システムとして、複数のロボットアームを遠隔操作して内視鏡手術を行う医療用ロボットが知られている。例えば特許文献１には、医師が操作して内視鏡カメラに遠隔運動中心をおいて内視鏡カメラの患部に対する位置が動かないように体内の患部の映像をモニターに映すよう伸縮及び回転運動をするロボットアームが開示されている。内視鏡映像技術及びロボットアームを用いて患者に対して予め大きな創口を必要とせずに手術を行うことができるため、患者の失血量を大幅に低減させるだけでなく、傷口も小さいので患者が早期に回復できる低侵襲手術が実現されている。

米国特許第８１６７８７２号公報

医療用ロボットアームにおいては、複数のロボットアームのうち患部以外の人体組織を手術の支障とならないように所定の箇所に退避させるリトラクタとして用いる固定用アームがあるが、該リトラクタ自体が体腔内を横断するように配置されるため、十分に広い手術視野が確保されない問題点がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、医師等のユーザーによる作業の妨げにならず、十分に広い手術視野が確保可能で操作効率の向上を図ることができるロボットアームを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、伸縮及び回転運動するアームユニットであって、互いに相対的に回動可能に枢結された第１のリンク部と第２のリンク部と、前記第１のリンク部が回動自在に支持されるように枢結された基部と、前記第２のリンク部に回動自在に支持されるように枢結された保持部とを有し、前記第１のリンク部は、前記基部と枢結される枢支点を通過する第１の軸線を中心として前記基部に対して回動し、前記第２のリンク部は、前記保持部と枢結される枢支点を通過する第２の軸線を中心として前記保持部に対して回動し、前記第１のリンク部と前記第２のリンク部との相対的な回動により前記基部と前記保持部との間が伸縮したり屈曲したりする前記アームユニットと、前記基部に対して前記第１のリンク部を回動駆動するように前記第１のリンク部と連結された第１のアクチュエータと、前記保持部に対して前記第２のリンク部を回動駆動するように前記第２のリンク部と連結された第２のアクチュエータとを有する駆動ユニットと、前記駆動ユニットと電気的に連結され、制御信号を受信し、受信された前記制御信号に基づいて、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとを作動させ、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータの作動により前記第１のリンク部と前記第２のリンク部とが移動駆動され、前記第１のリンク部と前記第２のリンク部とが第１の位置から前記第１の位置と異なる第２の位置に変位移動されると共に、前記第１のリンク部と前記第２のリンク部とが変位しても前記保持部は変位しないように前記アームユニットを駆動するように前記駆動ユニットを制御する制御ユニットとを備えていることを特徴とする。

第１のリンク部と第２のリンク部はユーザーの妨げとなり得る第１の位置からユーザーの妨げにならない第２の位置に移動されることができると共に、第１のリンク部及び第２のリンク部が移動しても保持部は変位することがない。従って、本発明に係るロボットアームは、医師等のユーザーの妨げにならず十分に広い手術視野が確保可能で操作効率の向上を図ることができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照する以下の実施形態の詳細な説明において明白になるであろう。

本発明に係る遠隔運動中心を有するロボットアームの一実施例を示す組立斜視図である。 図１の構成を示すブロック図である。 ロボットアームが基準面に対して第１の位置に移動された様子を示す図である。 ロボットアームが第１の位置にある状態を示す図である。 ロボットアームが第２の位置に移動された状態を示す図である。

以下、本発明に係る遠隔運動中心を有するロボットアームの一実施例について図面を参照して説明する。

図１〜図３に示すように、本実施例に係るロボットアームは、アームユニット２と駆動ユニット５と検知ユニット６とヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）操作ユニット７と制御ユニット８とを備えている。

アームユニット２は、図示の如く、基部２１と第１のリンク部２２と保持部２３と第２のリンク部２４とを有し、伸縮及び回転運動をするものであり、運動をしても例えば被保持物が一定に定位されるように不動になる遠隔運動中心特性を有する。

基部２１は、第１のリンク部２２等が回動可能に枢結支持されるもので、例えば第１のリンク部２２等を安定して支持したり所定の高さに調節したり所定の向きに転向可能に構成されたものである。

第１のリンク部２２は、基部２１と枢結される枢支点を通過する第１の軸線Ｌ１を中心として基部２１に対して回動するように、第１のリンク部２２の一端部が基部２１と回動可能に枢結され、該一端部と反対側の他端部が第２のリンク部２４の第１の端部と回動可能に枢結されている。

第２のリンク部２４は、第１のリンク部２２と相対的に回動するようにその第１の端部が第１のリンク部２２の他端部と枢結され、その第１の端部と反対側の第２の端部が内視鏡カメラや手術器具等を保持するための遠隔運動中心を有する保持部２３と枢結されている。この例では、第２のリンク部２４は、その第２の端部と保持部２３とが枢結される枢支点を通過する第２の軸線Ｌ２を中心として保持部２３に対して回動可能に連結されている。

保持部２３は、図１や図３に示されているように、爪部付のクランプ部材２３１が取り付けられ、チューブ状の内視鏡カメラ３が所定のＸ軸方向に沿って患部に向けられて映像を撮るようにクランプ部材２３１の爪部に挟持されクランプ部材２３１の挟持つまみによる調節でクランプ部材２３１に挟持締結されるように設けられている。第１のリンク部２２と第２のリンク部２４との相対的な回動により基部２１と保持部２３とは伸直したり屈曲したりする姿勢をとることができる。

内視鏡カメラ３で撮られた映像を表示するために更に内視鏡カメラ３に電気的に連結されたディスプレイ４を設けている。

駆動ユニット５は、基部２１に対して第１のリンク部２２が回動可能に駆動されるように第１のリンク部２２と連結された第１のアクチュエータ５１と、保持部２３に対して第２のリンク部２４が回動可能に駆動されるように第２のリンク部２４と連結された第２のアクチュエータ５２とを有する。

検知ユニット６は、第１のアクチュエータ５１の回動位置を検知するように第１のアクチュエータ５１と連結された第１の位置センサ６１と、第２のアクチュエータ５２の回動位置を検知するように第２のアクチュエータ５２と連結された第２の位置センサ６２とを有する。

ＨＭＩ操作ユニット７は、例えば医師等のユーザー９２の操作により制御信号を生成して出力する。

制御ユニット８は、ＨＭＩ操作ユニット７の制御信号が入力されるようにＨＭＩ操作ユニット７と電気的に連結されていると共に、入力された制御信号に基づいて制御するように駆動ユニット５と検知ユニット６とに電気的に連結されている。制御ユニット８は、ＨＭＩ操作ユニット７からの制御信号を受信すると、該制御信号に基づいて第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２を作動し、第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２により第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が駆動される。第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が駆動されると相対的に回動しながら、内視鏡カメラ３が患部に向かうように第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が第１の位置（図４）に移動され、また内視鏡カメラ３がそのまま患部に向かっている状態を維持しながら第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４が該第１の位置と異なる第２の位置（例えば図５参照）に移動されるようにアームユニット２を駆動するように駆動ユニット５を制御する。なお、第１の位置とは、図４に示すようにユーザー９２から見て第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が術野に入った位置、第２の位置とは、図５に示すようにユーザー９２から見て第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が術野に入らない位置である。

なお、本発明に係るロボットアームは、例えば手術時に、第１のリンク部２２と第２のリンク部２４とがどのように移動されても内視鏡カメラ３が患部に向かい続けるように保持部２３が定位される、ＲＣＭ（遠隔運動中心）特性を有するように構成されなければならない。

この例では、第１の軸線Ｌ１及び第２の軸線Ｌ２を含む平面を基準面Ｓとした時、基部２１から遠ざかり基部２１と患者９１を挟んで対向されたユーザー９２側の基準面Ｓの一側の第１の位置（図４）に移動された第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４が例えば相対的に回動されることによって、それぞれユーザー９２から遠ざかって基部２１に近づく基準面Ｓの他側の第２の位置（図５）に移動される。

なお、この例では、第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４は、第１の位置における第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４に対して互いに対称的に第２の位置に移動され、且つ第２の位置に移動された第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４は第１の位置に移動された第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４と基準面Ｓを挟んで対称となるように配置されることが好ましい。つまり、例えばユーザー９２側の基準面Ｓの一側に位置された第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４がユーザー９２から離れた基準面Ｓの他側に位置されるように構成される。

次に以上のように構成されたロボットアームの動作及び作用について添付図面を参照して説明する。

まず、図２、図３及び図４に示されているように、制御ユニット８は、ＨＭＩ操作ユニット７への操作による制御信号を受信すると、制御信号に基づいて第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２とが作動されるように制御する。第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２の作動により第１のリンク部２２と第２のリンク部２４とが移動駆動される。保持部２３が第１のリンク部２２と第２のリンク部２４の移動に従って患部に向かって移動されると共に、第１のリンク部２２と第２のリンク部２４とが例えばユーザー９２側に近い基準面Ｓの一側に位置される。

この時、第１の位置センサ６１と第２の位置センサ６２に検知された位置データに基づいて第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２の回動位置が取得され、第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２の回動位置に基づいて第１のリンク部２２と第２のリンク部２４と保持部２３との位置を算出すると共に、保持部２３に挟持された例えば内視鏡カメラ３が向かうところの方向である目標方向Ｘを算出する。なお、第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が始めに移動されるところは前記第１の位置である。

次に、第１のリンク部２２と第２のリンク部２４の所在位置と目標方向Ｘに関するベクトル方程式、及び保持部２３の目標方向Ｘ沿いの所在の目標位置と目標方向Ｘを一定にする制限条件に基づいて幾何学的な演算を経て、基準面Ｓを挟んで所在位置とする第１の位置における第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４と対称である目標位置とする第２の位置を算出し、運動学的演算によって第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４が第１の位置から第２の位置に移動される間、第１のアクチュエータ５１及び第２のアクチュエータ５２がそれぞれ実行すべく回動命令を算出する。

そして、制御ユニット８の制御により、実行すべき回動命令に従って第１のアクチュエータ５１及び第２のアクチュエータ５２が作動されると、第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４が回動駆動され、第１の位置から基準面Ｓを挟んで対称である第２の位置に移動される。

なお、上記に説明された運動学的演算は行列の複雑な演算で、膨大な時間が掛かるものであるが、当技術分野で周知であり、本明細書で詳述する必要はない。また、第１のリンク部２２と第２のリンク部２４の移動は運動学では２つの自由度を持つものであるので、運動学的演算によって２つの結果が得られる。その内の１つの結果が第１の位置に対応するものであれば、他の１つの結果は第２の位置に対応付けられる。

図４に示すように、第１の位置に移動された第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が手術視野や操作範囲に入ってユーザー９２の妨げになった時、ＨＭＩ操作ユニット７を再び操作して制御信号を生成出力する。制御信号８は該制御信号を受信すると、該制御信号に基づいて第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２を作動するように制御する。第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２の回動により第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が駆動されると、相対的に回動しながら、第１の位置にて患部に向かっている内視鏡カメラ３がそのまま動かされずに、該第１の位置と異なる第２の位置（図５）に移動される。これによって、図５に示すように、第２の位置に移動された第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が医師等のユーザー９２の妨げにならずに済むので、手術視野や操作可能範囲が広くなる。また、基準面Ｓの一側における第１の位置に動かされた第１のリンク部２２と第２のリンク部２４とが相対的に回動しながら基準面Ｓの他側における第２の位置に移動されても、内視鏡カメラ３が保持された保持部２３は手術部に対して変位することはないので、内視鏡カメラ３が向かっている目標方向Ｘは変わらない。これによって、ユーザー９２はやはりディスプレイ４に表示された内視鏡カメラ３の映像によってスムーズに手術や操作をすることができ、操作効率の向上を図ることができる。

なお、この例では、保持部２３は、ＲＣＭ（遠隔運動中心）特性を満たしていて変位しないので、いつでも目標である手術部に向かうように内視鏡カメラ３を配置しているが、これに制限することなく、手術している間に手術部における人体組織を保持固定するための手術器具を配置してもよい。

以上により、本発明に係るロボットアームは、制御ユニット８によって第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２を作動するように制御し、第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２の作動により第１のリンク部２２と第２のリンク部２４が回動駆動されることによって、第１のリンク部２２と第２のリンク部２４は医師等のユーザー９２の妨げにならないように基準面Ｓの一側から他側に移動されることができると共に、第１のリンク部２２及び第２のリンク部２４が移動しても保持部２３は変位することがない。医師等のユーザー９２の妨げにならず、十分に広い手術視野が確保可能であるので、操作効率の向上を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明に係るロボットアームは、内視鏡手術を行う医療用ロボットに有用である。

２ アームユニット
２１ 基部
２２ 第１のリンク部
２３ 保持部
２３１ クランプ部材
２４ 第２のリンク部
３ 内視鏡カメラ
４ ディスプレイ
５ 駆動ユニット
５１ 第１のアクチュエータ
５２ 第２のアクチュエータ
６ 検知ユニット
６１ 第１の位置センサ
６２ 第２の位置センサ
７ ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）操作ユニット
８ 制御ユニット
９１ 患者
９２ ユーザー（医師）
Ｌ１ 第１の軸線
Ｌ２ 第２の軸線
Ｓ 基準面

Claims (6)

1. ユーザーによる患者に対する手術を支援するための手術支援システムとしてのロボットアームであって、
   伸縮及び回転運動するアームユニットであって、互いに相対的に回動可能に枢結された第１のリンク部と第２のリンク部と、前記第１のリンク部が回動自在に支持されるように枢結された基部と、前記第２のリンク部に回動自在に支持されるように枢結された保持部とを有し、前記第１のリンク部は、前記基部と枢結される枢支点を通過する第１の軸線を中心として前記基部に対して回動し、前記第２のリンク部は、前記保持部と枢結される枢支点を通過する第２の軸線を中心として前記保持部に対して回動し、前記第１のリンク部と前記第２のリンク部との相対的な回動により前記基部と前記保持部との間が伸縮したり屈曲したりする前記アームユニットと、
   前記基部に対して前記第１のリンク部を回動駆動するように前記第１のリンク部と連結された第１のアクチュエータと、前記保持部に対して前記第２のリンク部を回動駆動するように前記第２のリンク部と連結された第２のアクチュエータとを有する駆動ユニットと、
   前記駆動ユニットと電気的に連結され、制御信号を受信し、受信された前記制御信号に基づいて、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータとを作動させ、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータの作動により前記第１のリンク部と前記第２のリンク部とが移動駆動され、前記ユーザーから見て前記第１のリンク部と前記第２のリンク部が前記患者への術野に入って前記ユーザーの妨げとなり得る第１の位置から前記第１の位置と異なる且つ前記ユーザーから見て前記第１のリンク部と前記第２のリンク部が前記術野に入らず前記ユーザーの妨げにならない第２の位置に変位移動されると共に、前記第１のリンク部と前記第２のリンク部とが変位しても前記保持部は変位しないように前記アームユニットを駆動するように前記駆動ユニットを制御する制御ユニットと、
   を備え、
   前記第１の軸線と前記第２の軸線とを含む平面を基準面として定義し、
   前記第１のリンク部と前記第２のリンク部とは、前記ユーザーの妨げにならないように前記基準面の一側にある前記第１の位置から前記基準面の他側にある前記第２の位置に変位回動されるように配置されていることを特徴とする遠隔運動中心を有するロボットアーム。
2. 更に目標方向に向かって映像を撮るように前記保持部に設けられた内視鏡カメラを有することを特徴とする請求項１に記載の遠隔運動中心を有するロボットアーム。
3. 前記第２の位置に移動された前記第１のリンク部及び前記第２のリンク部は、前記第１の位置における前記第１のリンク部及び前記第２のリンク部に対して互いに対称であり、且つ、前記基準面を挟んで対称であるように配置される、ことを特徴とする請求項２に記載の遠隔運動中心を有するロボットアーム。
4. 更に前記制御ユニットに電気的に連結された検知ユニットを有し、前記検知ユニットは、前記第１のアクチュエータの回動位置を検知するように前記第１のアクチュエータと連結された第１の位置センサと、前記第２のアクチュエータの回動位置を検知するように前記第２のアクチュエータと連結された第２の位置センサとを有し、
   前記制御ユニットは、前記制御信号を受信し、前記第１の位置センサと前記第２の位置センサによって検知されたデータに基づいて前記第１のリンク部と前記第２のリンク部との位置及び前記目標方向を算出し、前記算出した結果に基づいて前記第２の位置に移動された前記第１のリンク部及び前記第２のリンク部の位置を算出し、また、前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータを作動すると、前記第１のリンク部及び前記第２のリンク部が駆動されて、前記第１のリンク部及び前記第２のリンク部が前記第１の位置から前記目標方向に沿う前記第２の位置に移動されることを特徴とする請求項３に記載の遠隔運動中心を有するロボットアーム。
5. 更に前記内視鏡カメラの映像を表示するように前記内視鏡カメラと電気的に連結されたディスプレイを有することを特徴とする請求項２〜４のいずれかの一項に記載の遠隔運動中心を有するロボットアーム。
6. 更に前記制御ユニットと電気的に連結され、前記制御信号を生成送信するように操作可能に設けられたヒューマンマシンインターフェース操作ユニットを有することを特徴とする請求項１〜５の何れかの一項に記載の遠隔運動中心を有するロボットアーム。

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