JP6498281B2 - 医療用マニピュレータ - Google Patents

Description

本発明は、医療用マニピュレータに関するものである。

屈曲関節の先端に回転関節を有し、該回転関節に支持された把持部をその軸線回りに回転させる外科用処置具が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
これらの外科用処置具によれば、屈曲関節を作動させて把持部の姿勢を変更し、把持対象物（縫い針等）を把持部で挟んだ後に、回転関節を作動させて把持部を回転させることで、把持した把持対象物が回転させられる。

米国特許第６７４６４４３号公報 米国特許第６６７６６８４号公報

特許文献１の外科用処置具では、基端側から屈曲関節を貫通して回転関節の回転軸に巻き付けられたワイヤに加える張力を、そのまま回転関節のトルクを発生させる力として使用する構造であり、屈曲関節が曲げられることによりワイヤとその周囲の部材との摩擦力が増大すると、ワイヤを介した張力の伝達効率が低下して、基端側における操作量が同じでも回転関節の回転量が減少してしまう。

また、特許文献２の外科用処置具では、基端側から屈曲関節を貫通して回転関節の回転軸に固定されたトルクチューブに加えるトルクによって、直接、回転軸を回転させる構造である。この場合においても、屈曲関節が曲げられることにより、トルクチューブとその周辺の部材との摩擦力が増大すると、トルクチューブを介したトルクの伝達効率が低下して、基端側における操作量が同じでも回転関節の回転量が減少してしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、屈曲関節を曲げても、屈曲関節よりも前方の回転関節を容易に回転させることができる医療用マニピュレータを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、先端に配置されるエンドエフェクタを第１軸線回りに回転させる回転関節と、該回転関節の基端側に配置され、前記エンドエフェクタを前記第１軸線に交差する第２軸線回りに揺動させる屈曲関節と、回転駆動力を発生する駆動部と、該駆動部により発生した回転駆動力を、前記屈曲関節を貫通して前記回転関節側に伝達する動力伝達部材と、該動力伝達部材により伝達されてきた回転駆動力を、減速して前記エンドエフェクタに伝達する減速部とを備え、前記減速部が、前記動力伝達部材に設けられた入力側歯車と、前記エンドエフェクタに前記第１軸線回りに回転可能に固定され前記入力側歯車に噛み合う出力側歯車とを備え、前記入力側歯車は、外面に形成された外歯を有し、前記出力側歯車は、内面に形成された内歯を有し、前記入力側歯車は、前記出力側歯車の内部に噛み合わせた状態で配置される医療用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回転駆動力を発生させると、発生した回転駆動力が動力伝達部材によって、屈曲関節を貫通して、より前方の回転関節側に伝達される。そして、回転関節側に伝達された回転駆動力が、減速部によって減速された状態でエンドエフェクタに伝達される。すなわち、屈曲関節を曲げると、該屈曲関節を貫通している動力伝達部材が周囲の部材に接触して摩擦が発生するが、屈曲関節を貫通した後の減速部によって回転駆動力が増幅されるので、摩擦によって失われた回転駆動力が減速部によって回復され、高いトルクで回転関節を駆動することができる。

上記態様においては、前記出力側歯車の歯数が前記入力側歯車の歯数よりも多くてもよい。
このようにすることで、入力側歯車の歯数と出力側歯車の歯数との比により減速比が決定され、入力側歯車により伝達される回転駆動力を出力側歯車との噛み合いによって増幅し、出力側歯車に固定されたエンドエフェクタを第１軸線回りに容易に回転させることができる。

また、上記態様においては、前記入力側歯車が、前記第１軸線に平行な軸線回りに回転可能に設けられていてもよい。
このようにすることで、動力伝達部材によって伝達されてきた回転駆動力を互いに平行な軸線回りに回転する入力側歯車から出力側歯車に伝達することができる。回転方向の変換を伴わないので、比較的細径に回転数を減速し、回転駆動力を増幅することができる。

また、本発明の参考例においては、前記動力伝達部材が、前記駆動部により牽引されて張力を伝達するワイヤと、該ワイヤの張力により前記第２軸線に平行な軸線回りに回転可能に設けられたプーリとを備え、前記入力側歯車が、前記プーリの回転により前記第２軸線に平行な軸線回りに回転させられてもよい。

このようにすることで、ワイヤにより伝達されてきた駆動部の回転駆動力が、プーリを第２軸線に平行な軸線回りに回転させ、プーリの回転により入力側歯車が第２軸線に平行な軸線回りに回転させられる。屈曲関節を回転させる第２軸線と平行な軸線回りに入力側歯車を回転させるので、屈曲関節の曲げによる回転駆動力の伝達効率の低下を抑制することができる。

また、上記態様においては、前記動力伝達部材が可撓性を有し、前記屈曲関節を貫通して配置されるトルクチューブからなり、前記入力側歯車が、前記トルクチューブの先端に固定されていてもよい。
このようにすることで、屈曲関節の曲げによって、可撓性を有するトルクチューブが湾曲させられることにより、トルクチューブと周囲の部材との摩擦が増大して回転駆動力の伝達効率が低下するが、トルクチューブの先端に固定された入力側歯車と出力側歯車とを備える減速部によって、回転駆動力が増大させられるので、摩擦によって失われた回転駆動力が減速部によって回復され、高いトルクで回転関節を駆動することができる。

また、本発明の参考例においては、前記減速部が、前記動力伝達部材に設けられた入力側回転体と、前記エンドエフェクタに固定され前記入力側回転体との間で摩擦により回転駆動力を伝達する出力側回転体とを備え、該出力側回転体の摩擦面の径寸法が、前記入力側回転体の摩擦面の径寸法より大きくてもよい。

このようにすることで、入力側回転体の摩擦面の径寸法と出力側回転体の摩擦面の径寸法との比により減速比が決定され、入力側回転体に伝達された回転駆動力を、摩擦によって出力側回転体に伝達する際に増幅し、出力側回転体に固定されたエンドエフェクタを第１軸線回りに容易に回転させることができる。

本発明によれば、屈曲関節を曲げても、屈曲関節よりも前方の回転関節を容易に回転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医療用マニピュレータを備える医療用マニピュレータシステムを示す全体構成図である。 図１の医療用マニピュレータを示す斜視図である。 図２の医療用マニピュレータの先端部を示す縦断面図である。 図２の医療用マニピュレータの減速部を示す正面図である。 図３の医療用マニピュレータの屈曲関節を曲げた状態を示す縦断面図である。 図４の減速部の変形例を示す斜視図である。 図２の医療用マニピュレータの変形例を示す先端部の縦断面図である。 図７の医療用マニピュレータの先端部を他の切断面で切断した縦断面図である。

本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータ３について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータ３は、例えば、図１に示される医療用マニピュレータシステム１において用いられる。この医療用マニピュレータシステム１は、操作者Ａにより操作される操作入力装置２と、患者Ｐの体腔内に挿入される医療用マニピュレータ３と、操作入力装置２への操作入力に基づいて医療用マニピュレータ３を制御する制御部４と、モニタ５とを備えている。

本実施形態に係る医療用マニピュレータ３は、図２および図３に示されるように、例えば、患者Ｐの体腔内に挿入される内視鏡のチャネルを介して患者Ｐの体腔内に挿入される長尺の挿入部１０と、該挿入部１０の先端に配置され、先端にエンドエフェクタ６を支持する可動部７と、挿入部１０の基端に配置され、制御部４によって制御されることにより可動部７を作動させる回転駆動部（駆動部）８と、該回転駆動部８により発生した回転駆動力を可動部７に伝達する動力伝達部材９と、該動力伝達部材９によって伝達された回転駆動力を減速して可動部７に伝達する減速部１１とを備えている。

可動部７は、挿入部１０の長手軸に直交する軸線（第２軸線）Ｙ回りに、第１関節部材１２を揺動させる屈曲関節１３と、該屈曲関節１３の第１関節部材１２の先端に配置され、第２軸線Ｙに直交する軸線（第１軸線）Ｘ回りに第２関節部材１４を回転させる回転関節１５とを備えている。第２関節部材１４はエンドエフェクタ６に固定されている。

屈曲関節１３を作動させ、第１関節部材１２を揺動させることで、該第１関節部材１２の先端に配置された回転関節１５およびエンドエフェクタ６を第２軸線Ｙ回りに揺動させることができるようになっている。回転駆動部８から屈曲関節１３への回転駆動力の伝達は、例えば、プーリ１６およびワイヤ１７により行うことができるが、ここでは説明を省略する。

また、回転関節１５を作動させ、第２関節部材１４を回転させることで、エンドエフェクタ６を第１軸線Ｘ回りに回転させることができるようになっている。回転駆動部８から回転関節１５への回転駆動力を伝達する動力伝達部材９は、図３に示されるようにトルクチューブ１８によって構成されている。

挿入部１０および第１関節部材１２はいずれも中空に構成されており、図３に示されるように、中空の屈曲関節１３を貫通してトルクチューブ１８が挿入部１０から第２関節部材１４の近傍まで延びて配置されている。
トルクチューブ１８は、可撓性を有する中空のチューブであり、内部に、図示しないワイヤを貫通させることができるようになっている。ワイヤは第２関節部材１４に固定されるエンドエフェクタ６を作動させるために使用される。

減速部１１は、トルクチューブ１８の先端に固定された入力側歯車１９と、第２関節部材１４に固定された出力側歯車２０とを備えている。入力側歯車１９は、図４に示されるように、例えば、外歯の歯車である。また、出力側歯車２０は、例えば、円筒内面に形成された内歯の歯車である。入力側歯車１９と出力側歯車２０とは、その回転軸線を平行にして偏心して配置され、相互に噛み合うようになっている。入力側歯車１９の歯数（例えば、８枚）は出力側歯車２０の歯数（例えば、１０枚）より少ない。これにより、出力側歯車２０の回転速度は入力側歯車１９の回転速度に対して歯数の比によって定まる減速比だけ減速されるようになっている。

すなわち、図４に示されるように、円筒内面に形成された出力側歯車２０のピッチ円半径Ｒ１は、入力側歯車１９のピッチ円半径Ｒ２より大きく、第１関節部材１２に形成された嵌合孔１２ｂによって、入力側歯車１９は出力側歯車２０に対して径方向一方向に偏心して常時噛み合うように支持されている。

第２関節部材１４は、第１関節部材１２に固定された円筒状のカバー部材２１内に回転可能に嵌合している。第２関節部材１４には周溝２２が形成されており、カバー部材２１を径方向に貫通して固定され、周溝２２内に突出させられるピン２３によって第１軸線Ｘ方向に抜けないように保持されている。

このように構成された本実施形態に係る医療用マニピュレータ３の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１を用いて体内の患部を処置するには、患者Ｐ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、本実施形態に係る医療用マニピュレータ３を先端のエンドエフェクタ６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チャネルの開口からエンドエフェクタ６および可動部７を突出させる。

エンドエフェクタ６および可動部７を突出させた状態で、操作者Ａが操作入力装置２を操作して操作入力を行うと、制御部４が操作入力に応じて回転駆動部８を制御して可動部７が作動させられる。屈曲関節１３を作動させることによりエンドエフェクタ６が第２軸線Ｙ回りに揺動させられて、姿勢が変更される。また、回転関節１５を作動させることによりエンドエフェクタ６が第１軸線Ｘ回りに回転させられる。
エンドエフェクタ６が一対の把持片２４ａ，２４ｂを開閉可能な把持部２５を有する場合には、回転関節１５の作動により把持片２４ａ，２４ｂの開閉方向を変更することができるようになっている。

この場合において、本実施形態に係る医療用マニピュレータ３では、回転駆動部８において発生した回転駆動力は、挿入部１０および第１関節部材１２に設けられた中空部１０ａ，１２ａを貫通して配置されたトルクチューブ１８によって伝達され、エンドエフェクタ６に固定された第２関節部材１４に固定されている出力側歯車２０に噛み合う入力側歯車１９を回転させる。入力側歯車１９の歯数は出力側歯車２０の歯数より少ないので、トルクチューブ１８により伝達された回転駆動力は、出力側歯車２０に伝達される際に減速比に応じて増幅され、エンドエフェクタ６を回転させる。

すなわち、図５に示されるように、医療用マニピュレータ３の屈曲関節１３を湾曲させてエンドエフェクタ６の姿勢を変更すると、屈曲関節１３を貫通しているトルクチューブ１８も湾曲して、挿入部１０および第１関節部材１２の中空部１０ａ，１２ａの内面に密着させられる。その結果、トルクチューブ１８を回転させる際に、トルクチューブ１８と周囲の部材との摩擦が増大して、回転駆動力の伝達効率が低下する。

本実施形態に係る医療用マニピュレータ３によれば、トルクチューブ１８の先端に固定された入力側歯車１９とエンドエフェクタ６に固定された出力側歯車２０との歯数の相違により減速部１１が構成されているので、トルクチューブ１８において伝達効率が低下しても、減速部１１において回転駆動力を回復することができ、エンドエフェクタ６をより確実に回転させることができるという利点がある。

また、本実施形態に係る医療用マニピュレータ３によれば、出力側歯車２０が、円筒状の内面に形成された内歯を有するので、出力側歯車２０内部に入力側歯車１９を噛み合わせた状態に配置することができる。その結果、減速部１１を小径化する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、出力側歯車２０として、内歯を有する円筒状の歯車により構成したが、外径寸法に余裕がある場合には、円筒の外面に外歯を有する歯車を出力側歯車２０として採用してもよい。
また、入力側歯車１９と出力側歯車２０との噛み合いによって回転駆動力を伝達しているが、これに代えて、図６に示されるように、円柱状の入力側回転体２６の外周に配置された摩擦面２６ａを、円筒状の出力側回転体２７の内周に配置された摩擦面２７ａに接触させることにより、摩擦によって回転駆動力を伝達する構造のものを採用してもよい。

この場合にも、入力側回転体２６の摩擦面２６ａの径寸法よりも出力側回転体２７の摩擦面２７ａの径寸法を大きく設定しておくことにより、歯車の場合と同様にして、回転駆動力を伝達する際に減速され、回転駆動力を増幅することができる。

また、本実施形態においては、回転駆動部８において発生した回転駆動力をトルクチューブ１８によって伝達することとしたが、これに代えて、図７および図８に示されるように、ワイヤ１７によって伝達することにしてもよい。図７および図８においては、屈曲関節１３として、挿入部１０および第１関節部材１２の端部に固定された平歯車２８，２９を相互に噛み合わせ、各平歯車２８，２９の平行な２つの軸線間をリンク部材３０によって連結してなる、いわゆるダブルジョイント方式のものを採用している。

この医療用マニピュレータ３では、図８に示されるように、屈曲関節１３よりも前方に配置される回転関節１５の第１関節部材１２に、屈曲関節１３の軸線Ｙと平行な３本のシャフト３１，３２，３３が設けられている。最も基端側の第１シャフト３１は、屈曲関節１３の先端側の軸線に沿って配置され、Ｄカットされている。この第１シャフト３１には、２つのプーリ１６および第１平歯車３４がＤカットによって一体回転可能に固定されている。また、第１シャフト３１は、平歯車２９およびリンク部材３０の貫通孔３９，４０がＤカットされておらず、平歯車２９およびリンク部材３０に対して相対的に回転可能になっている。

２つのプーリ１６には、それぞれ逆方向にワイヤ１７が回し掛けられており、各ワイヤ１７の端部がプーリ１６に固定されている。これにより、いずれかのワイヤ１７を基端側に牽引することにより、対応するプーリ１６を逆方向に回転させ、第１シャフト３１を介して第１平歯車３４をいずれかの方向に回転させることができるようになっている。

第１シャフト３１に隣接する第２シャフト３２には、第１平歯車３４に噛み合う第２平歯車３５が固定されている。第２シャフト３２に隣接する第３シャフト３３には、第２平歯車３５に噛み合う第３平歯車３６および、減速部１１を構成する平歯車からなる入力側歯車１９が固定されている。
回転関節１５の第２関節部材１４には、入力側歯車１９に噛み合うフェースギヤ３７を備えた円筒状の出力側歯車２０が固定されている。

リンク部材３０には、図７に示されるように、リンク部材３０の揺動方向の両側にワイヤ１７とは別個のワイヤ４２を固定する固定部４１が設けられている。いずれかのワイヤ４２を基端側に牽引することにより、挿入部１０に対してシャフト４３回りにリンク部材３０を揺動させ、これによって、リンク部材３０に対して第１シャフト３１回りに第１関節部材１２を揺動させて、屈曲関節１３を湾曲させることができるようになっている。

すなわち、この例では、ワイヤ１７、プーリ１６、第１平歯車３４から第３平歯車３６によって、回転駆動部８によって発生した回転駆動力を伝達する動力伝達部材３８が構成され、動力伝達部材３８によって伝達された回転駆動力によって入力側歯車１９が回転駆動されるようになっている。

上記実施形態では、減速部１１が、平行な軸線回りに回転する歯車１９，２０間で減速しながら回転駆動力を伝達することとしたが、図７および図８の例では、相互に直交する軸線回りに回転する平歯車１９とフェースギヤ３７との間で減速しながら回転駆動力を伝達することとしている。

このようにすることで、屈曲関節１３の湾曲によっても回転関節１５を駆動するための回転駆動力が摩擦により低下することは阻止できるが、複数の歯車３４，３５，３６によって伝達することで、伝達効率は低下していく。したがって、減速部１１によって回転駆動力を回復することで、より確実にエンドエフェクタ６を回転させることができる。中間の第２平歯車３５はなくてもよい。

なお、相互に直交する軸線間で動力を伝達する方法としては、平歯車１９とフェースギヤ３７との組み合わせに限定されるものではなく、はす歯歯車とフェースギヤ３７、はす歯歯車どうし等を採用することができる。

３ 医療用マニピュレータ
６ エンドエフェクタ
８ 回転駆動部（駆動部）
９，３８ 動力伝達部材
１１ 減速部
１３ 屈曲関節
１５ 回転関節
１６ プーリ
１７ ワイヤ
１８ トルクチューブ
１９ 入力側歯車
２０ 出力側歯車
２６ 入力側回転体
２６ａ，２７ａ 摩擦面
２７ 出力側回転体
Ｘ 第１軸線
Ｙ 第２軸線

Claims (4)

1. 先端に配置されるエンドエフェクタを第１軸線回りに回転させる回転関節と、
   該回転関節の基端側に配置され、前記エンドエフェクタを前記第１軸線に交差する第２軸線回りに揺動させる屈曲関節と、
   回転駆動力を発生する駆動部と、
   該駆動部により発生した回転駆動力を、前記屈曲関節を貫通して前記回転関節側に伝達する動力伝達部材と、
   該動力伝達部材により伝達されてきた回転駆動力を、減速して前記エンドエフェクタに伝達する減速部とを備え、
   前記減速部が、前記動力伝達部材に設けられた入力側歯車と、前記エンドエフェクタに前記第１軸線回りに回転可能に固定され前記入力側歯車に噛み合う出力側歯車とを備え、
   前記入力側歯車は、外面に形成された外歯を有し、
   前記出力側歯車は、内面に形成された内歯を有し、
   前記入力側歯車は、前記出力側歯車の内部に噛み合わせた状態で配置される医療用マニピュレータ。
2. 前記出力側歯車の歯数が前記入力側歯車の歯数よりも多い請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
3. 前記入力側歯車が、前記第１軸線に平行な軸線回りに回転可能に設けられている請求項１または請求項２に記載の医療用マニピュレータ。
4. 前記動力伝達部材が可撓性を有し、前記屈曲関節を貫通して配置されるトルクチューブからなり、
   前記入力側歯車が、前記トルクチューブの先端に固定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の医療用マニピュレータ。

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