JP6791160B2 - 支持アーム装置 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態
1−1.支持アーム装置の全体構成
1−2.支持アーム装置の具体的構成
1−3.アーム部の姿勢
1−4.制御装置
1−5.変形例
1−6.まとめ
2.第2の実施の形態
2−1.支持アーム装置の構成
2−2.アーム部の姿勢
2−3.まとめ
3.第3の実施の形態
3−1.支持アーム装置の構成
3−2.アーム部の姿勢
3−3.まとめ
4.第4の実施の形態
4−1.支持アーム装置の構成
4−2.アーム部の姿勢
4−3.まとめ
<1−1.支持アーム装置の全体構成>
図1を参照して、本開示の第1の実施の形態にかかる支持アーム装置1の全体構成を説明する。図1は、本実施形態にかかる支持アーム装置1の一構成例を示す斜視図である。
次に、図2及び図3を参照して、本実施形態にかかる支持アーム装置1の構成について具体的に説明する。図2は、図1に示した支持アーム装置1のカバー201を省略して示したものである。図3は、支持アーム装置1の固定部25の近傍を示す斜視図である。図2において、内視鏡210の代わりに、長尺の棒状の術具(治具)5が、支持部50に支持されている。術具5は、内視鏡210の挿入部212、あるいは、その他の術具の挿入部に相当する。
ベース部21は、固定部25と、固定部25を支持して安定させる脚部23とを備える。脚部23は、骨材を連結したU字状となっているが、脚部23の形態は特に限定されない。脚部23の代わりに、平板あるいは立体形状の台座としてもよい。固定部25は、直交する第1の板面部25a及び第2の板面部25bからなる。第1の板面部25a及び第2の板面部25bは、それぞれU字状の脚部23のうちの直交する2辺に固定される。なお、固定部25の形態についても、特に限定されない。ベース部21は、第1のモータ30a、第2のモータ30c及び第3のモータ30bの駆動時に位置や姿勢が変化することのない不動部分であり、アーム部10を動作させる間、基本的には不動のままで維持される。なお、ベース部21は、例えば床面上を移動可能にするキャスタを備えてもよい。
第1のモータ30a、第2のモータ30c及び第3のモータ30bは、それぞれ第1の駆動部、第2の駆動部及び第3の駆動部の一例である。第1のモータ30a、第2のモータ30c及び第3のモータ30bは、例えば電動式のサーボモータとすることができ、それぞれ図示しない電気配線が接続され、制御装置による通電制御によって駆動される。第1のモータ30aは、第1の駆動軸31aを軸回転させる。第2のモータ30cは、第2の駆動軸31cを軸回転させる。第3のモータ30bは、第3の駆動軸31bを軸回転させる。本実施形態にかかる支持アーム装置1では、第1のモータ30a、第2のモータ30c及び第3のモータ30bの出力軸が、それぞれ第1の駆動軸31a、第2の駆動軸31c及び第3の駆動軸31bとなっているが、モータの出力軸と駆動軸とは、互いに異なる軸部材とされ、ギア等を介して接続されてもよい。
アーム部10は、複数のリンクによって構成される少なくとも1つの平行リンクを含む。ここで、「平行リンク」とは、複数のリンクによって形成される平行四辺形構造あるいはひし形構造を指す。アーム部10は、複数の関節部60a〜60nと、関節部60a〜60nによって互いに回動可能に連結される第1のリンク11a、第2のリンク11b、第3のリンク13、第4のリンク15a、第5のリンク15b、第6のリンク15c、第7のリンク17a、第8のリンク17b、第9のリンク17c、第10のリンク19とを含む。また、アーム部10は、先端に、術具5を支持するための支持部50を有する。
ここまで、本実施形態にかかる支持アーム装置1の構成について説明した。次に、支持アーム装置1のアーム部10が取り得る種々の姿勢について説明する。以下、主に第1のモータ30a及び第3のモータ30bにより制御される、アーム部10の前後方向の回転運動及び上下方向の直進運動と、主に第2のモータ30cにより制御される、アーム部10の左右方向の回転運動とに分けて説明する。
図10〜図16は、前後方向及び上下方向に移動するアーム部10の姿勢の例をそれぞれ示しており、図11〜図16には、図10のアーム部10の姿勢(基本姿勢)との比較を容易にするために、図10のアーム部10の姿勢を表す仮想線が示されている。
図17〜図19は、左右方向に移動するアーム部10の姿勢の例をそれぞれ示している。図17〜図19においては、第1のモータ30a及び第3のモータ30bの駆動状態は一定のままで、第2のモータ30cの駆動による第2の駆動軸31cの軸回転によって、アーム部10の姿勢が変化している。
(1−4−1.基本例)
次に、支持アーム装置1の第1のモータ30a、第2のモータ30c及び第3のモータ30bを駆動することにより、支持アーム装置1の姿勢を制御し、支持アーム装置1に支持された術具5の位置及び姿勢を制御する制御装置の構成について説明する。
まず、第1のモータ30a、第2のモータ30c及び第3のモータ30bの回転角から、術具5の先端の位置及び角度を求める方法について説明する。
次に、術具5の先端を所望の位置及び角度に配置するために、第1のモータ30a、第2のモータ30c及び第3のモータ30bに対して回転角の指示を出力する方法について説明する。
次に、制御装置303による各モータの制御の応用例の幾つかを説明する。
制御装置303による各モータの制御の第1の応用例は、アーム部10の姿勢を所定の状態で保持するためのロック機能を実現し得る制御の例である。例えば、術者等が手動でアーム部10を動作させて術具5の先端の位置決めをした後、第1のモータ30a、第2のモータ30c又は第3のモータ30bに対して外力により回転トルクが付与された場合に、制御装置303は、その誤差を修正するために各モータに対して電流を流し、外力に対抗するトルクを発生させてもよい。これにより、各モータは、元の停止位置を保持する。かかるロック機能は、例えば、モータとしてサーボモータを用いた場合のサーボロック機能として実現することができる。この場合、外力により付与される回転トルクは、例えば、サーボモータに流れるパルス信号に基づいて検出することができる。
制御装置303による各モータの制御の第2の応用例は、術者等によるアーム部10の動作に補助力を与えるためのアシスト機能を実現し得る制御の例である。例えば、術者等が手動でアーム部10を動作させる際に、制御装置303は、第1のモータ30a、第2のモータ30c及び第3のモータ30bに対してそれぞれ回転トルクが付与されたことを検出したときに、各モータに対して電流を流し、外力と同方向のトルクを発生させてもよい。このとき、各モータに与えるトルクの比が、検出された外力によって各モータに付与された回転トルクの比に一致してもよい。これにより、術者等が動作させたい方向へと、アーム部10あるいは術具5を移動させることができる。
ここまで、本実施形態にかかる支持アーム装置1について説明したが、支持アーム装置は種々の変形が可能である。以下、本実施形態にかかる支持アーム装置1の変形例の幾つかを説明する。
図24は、第1の変形例にかかる支持アーム装置100を示す説明図である。かかる支持アーム装置100は、第1のモータ30aの出力軸である第1の駆動軸と、第3のモータ30bの出力軸である第3の駆動軸とが、同一の軸線上に配置されている。すなわち、上記の実施形態にかかる支持アーム装置1では、第1のモータ30a及び第3のモータ30bがリンク構成平面の一方の側(右側)に配置されていたが、第1の変形例にかかる支持アーム装置100では、第1のモータ30a及び第3のモータ30bがリンク構成平面を挟んで両側に配置されている。
図25は、第2の変形例にかかる支持アーム装置1Aを示している。第2の変形例にかかる支持アーム装置1Aは、RCMの位置を視覚的に認識しやすくするための一対のレーザ照射部230R,230Lを備える点で、上記の実施形態にかかる支持アーム装置1
と異なっている。
図26は、第3の変形例にかかる支持アーム装置1Bを示す模式図である。第3の変形例にかかる支持アーム装置1Bは、支持アーム装置1Bの高さを調整するための高さ調節部205F,205Rを備える点で、上記の実施形態にかかる支持アーム装置1と異なっている。
以上説明したように、本実施形態にかかる支持アーム装置は、アーム部の姿勢を変化させることにより、アーム部に支持される術具の軸方向の1自由度直進運動と、当該軸を前後左右に傾ける回転運動とが可能な、3自由度のパラレルメカニズムを実現することができる。かかる支持アーム装置は、アーム部の姿勢を変化させる際に、第1のモータ、第2のモータ及び第3のモータが移動しない構成となっている。したがって、各モータによって動作される部分の重量が比較的軽くなって、各モータの出力を低減することができる。これにより、モータを小型化したり、電力消費量を低減したりすることができる。また、各モータがベース部に固定され、移動することがないために、電気配線の引き回しも容易になる。
次に、本開示の第2の実施の形態にかかる支持アーム装置について説明する。本実施形態にかかる支持アーム装置は、第1の実施の形態にかかる支持アーム装置1よりも少ない数のリンクを用いて構成され、より小型の装置として構成可能になっている。以下、主として、第1の実施の形態にかかる支持アーム装置と異なる部分について説明する。
図27は、本実施形態にかかる支持アーム装置305の一構成例を示す斜視図である。支持アーム装置305は、少なくとも1つの平行リンクを含むアーム部310を備える。当該アーム部310を、第1のモータ330a、第2のモータ330b及び第3のモータ330cにより動作させることで、RCMを中心とするピボット運動及びRCMを通る直線に沿った直進運動が実現される。なお、支持アーム装置305に、カバー又はベース部が備えられてもよい。
ここまで、本実施形態にかかる支持アーム装置305の構成について説明した。次に、支持アーム装置305のアーム部310が取り得る種々の姿勢について説明する。図28〜図32は、ピボット運動及び直進運動を行うアーム部310の姿勢の例を示している。図28〜図32には、図27のアーム部310の姿勢(基本姿勢)との比較を容易にするために、図27のアーム部310の姿勢を表す仮想線が示されている。図27においては、術具5が後方に倒れた状態で支持され、かつ、術具5の先端部分がRCM内に進入した状態となっている。
以上説明したように、本実施形態にかかる支持アーム装置305によっても、第1の実施の形態にかかる支持アーム装置と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態にかかる支持アーム装置305では、第3のモータ330cを、RCMから最も離れた位置に配置し、比較的簡易なリンク構造によって、術具5のピボット運動及び直進運動を可能にしている。これにより、直進運動の可動域を大きく維持しつつ、支持アーム装置305を小型化することができる。
次に、本開示の第3の実施の形態にかかる支持アーム装置について説明する。第1の実施の形態及び第2の実施の形態にかかる支持アーム装置では、術具等の治具、あるいは、治具の軸線がRCMを通過するようにピボット運動及び直進運動が行われるが、本実施形態にかかる支持アーム装置では、治具、あるいは、治具の軸線が所定の軸線に交差するように回転運動及び直進運動が行われる。以下、主として、第1の実施の形態にかかる支持アーム装置1と異なる部分について説明する。
図33は、本実施形態にかかる支持アーム装置401の一構成例を示す斜視図である。支持アーム装置401は、図2に示す第1の実施の形態にかかる支持アーム装置1のうち、第2のリンク11b、第3のリンク13、及び、ガイド構造35を省略した装置である。かかる支持アーム装置401のアーム部410は、第1のリンク11a、第10のリンク19、第4のリンク15a、及び、第5のリンク15bにより形成される平行四辺形構造と、第7のリンク17a、第8のリンク17b、及び、第10のリンク19により形成される平行四辺形構造と、第4のリンク15a、第6のリンク15c、第7のリンク17a、及び、第9のリンク17cにより形成されるひし形構造とを含む。
次に、支持アーム装置401のアーム部410が取り得る種々の姿勢について説明する。図34〜図40は、所定の軸線Aを中心とする支持部450の回転運動、及び、軸線Aを通る直線に沿った支持部450の直進運動を行うアーム部410の姿勢の例を示している。図34〜図40には、図33のアーム部410の姿勢(基本姿勢)との比較を容易にするために、図33のアーム部410の姿勢を表す仮想線が示されている。図33においては、支持部450の軸線が、比較的後方側で軸線Aに直交する状態となっている。
以上説明したように、本実施形態にかかる支持アーム装置401は、アーム部410の姿勢を変化させることにより、アーム部410に支持される治具を、所定の軸線Aを中心に回転運動させつつ、治具の軸線が軸線Aを通るように直進運動させることができる。かかる支持アーム装置401によっても、第1の実施の形態にかかる支持アーム装置1と同様の効果を得ることができる。
次に、本開示の第4の実施の形態にかかる支持アーム装置について説明する。第1の実施の形態及び第2の実施の形態にかかる支持アーム装置では、術具等の治具、あるいは、治具の軸線がRCMを通過するようにピボット運動及び直進運動が行われるが、本実施形態にかかる支持アーム装置では、治具の軸線がRCMを通過するピボット運動のみが行われ得る。以下、主として、第2の実施の形態にかかる支持アーム装置305と異なる部分について説明する。
図41は、本実施形態にかかる支持アーム装置501の一構成例を示す斜視図である。支持アーム装置501は、図27に示す第2の実施の形態にかかる支持アーム装置305のうち、第1のリンク311、第2のリンク313、ガイド構造370、及び、第3のモータ330cを省略した装置である。かかる支持アーム装置501において、例えば、第5のリンク317aが、術具等の治具を支持する支持部とされてもよい。
次に、支持アーム装置501のアーム部510が取り得る種々の姿勢について説明する。図42〜図45は、RCMを中心とする第5のリンク317aのピボット運動を行うアーム部510の姿勢の例を示している。図42〜図45には、図41のアーム部510の姿勢(基本姿勢)との比較を容易にするために、図41のアーム部510の姿勢を表す仮想線が示されている。
以上説明したように、本実施形態にかかる支持アーム装置501は、アーム部510の姿勢を変化させることにより、アーム部510に支持される治具を、RCMを中心にピボット運動させることができる。かかる支持アーム装置501によっても、第1の実施の形態にかかる支持アーム装置1と同様の効果を得ることができる。
(1)ベース部に固定され、第1の駆動軸を軸回転させる第1の駆動部と、
前記ベース部に固定され、第2の駆動軸を軸回転させる第2の駆動部と、
少なくとも1つの平行リンクを含み、所定の治具を支持するアーム部と、を備え、
前記第1の駆動部及び前記第2の駆動部の駆動により、前記アーム部の姿勢を変化させ、前記所定の治具を回転運動させる、支持アーム装置。
(2)前記ベース部に固定され、第3の駆動軸を軸回転させる第3の駆動部をさらに備え、
前記第1の駆動部、前記第2の駆動部及び前記第3の駆動部の駆動により、前記アーム部の姿勢を変化させ、前記所定の治具に対して、前記回転運動として遠隔運動中心を中心とするピボット運動を行い、かつ、前記遠隔運動中心を通る直線に沿った直進運動を行う、前記(1)に記載の支持アーム装置。
(3)前記アーム部は、複数の平行リンクを含み、前記複数の平行リンクが、リンク構成平面内に存在する、前記(1)又は(2)に記載の支持アーム装置。
(4)前記アーム部が、前記第1の駆動部、前記第2の駆動部及び前記第3の駆動部の駆動による可動部分となる一方、前記ベース部は、前記第1の駆動部、前記第2の駆動部及び前記第3の駆動部の駆動による不動部分となる、前記(2)又は(3)に記載の支持アーム装置。
(5)前記アーム部を構成する第1の駆動リンクと前記第1の駆動軸との間に介在し直交3自由度を構成する第1の直交関節部と、
前記アーム部を構成する第2の駆動リンクと前記第2の駆動軸との間に介在し直交2自由度を構成する第2の直交関節部と、
前記アーム部を構成する第3の駆動リンクと前記第3の駆動軸との間に介在し直交3自由度を構成する第3の直交関節部と、
を備える、前記(2)〜(4)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(6)前記第1の駆動軸の軸線と前記第3の駆動軸の軸線とは、互いに平行な平面上に存在する、前記(2)〜(5)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(7)前記第1の駆動軸の軸線と前記第3の駆動軸の軸線とは、等間隔平行又は同一軸線上に配置される、前記(6)に記載の支持アーム装置。
(8)前記第2の駆動軸の軸線は、前記第1の駆動軸の軸線及び前記第3の駆動軸の軸線と直交する、前記(6)又は(7)に記載の支持アーム装置。
(9)前記遠隔運動中心が、前記第2の駆動軸の軸線上に存在する、前記(2)〜(8)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(10)前記第1の駆動軸及び前記第3の駆動軸を同一方向に軸回転させることにより、前記治具が、前記遠隔運動中心を回転中心として回動する、前記(2)〜(9)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(11)前記第1の駆動軸及び前記第3の駆動軸を逆方向に軸回転させることにより、前記治具が、前記遠隔運動中心を通る直線に沿った直進運動を行う、前記(2)〜(10)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(12)前記アーム部は、前記直進運動をガイドするリニアブッシュを備える、前記(11)に記載の支持アーム装置。
(13)前記アーム部は、前記遠隔運動中心を通る直線上の1辺を含む平行リンクを含み、前記平行リンクに、前記遠隔運動中心を通る直線に平行な方向に沿って配置され、当該方向に沿って前記リニアブッシュ内を進退動可能なガイドピンが設けられる、前記(12)に記載の支持アーム装置。
(14)前記ガイドピンは、前記第1の駆動軸の軸線又は前記第3の駆動軸の軸線に直交する直線上に配置される、前記(13)に記載の支持アーム装置。
(15)前記遠隔運動中心を通る直線上の1辺を含む平行リンクにおける、前記1辺に交差する2つの辺は、前記第2の駆動軸の軸線に平行な状態を維持しながら移動する、前記(13)又は(14)に記載の支持アーム装置。
(16)前記第2の駆動軸の軸回転により、前記治具が、前記リンク構成平面に交差する方向へ回転する、前記(3)〜(15)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(17)前記第1の駆動リンクの前記第1の駆動軸の軸回転方向の回動範囲を規制するストッパを備える、前記(5)〜(16)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(18)前記第2の駆動リンクの前記第2の駆動軸の軸回転方向の回動範囲を規制するストッパを備える、前記(5)〜(17)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(19)前記治具が、医療用器具である、前記(1)〜(18)のいずれか1項に記載の支持アーム装置。
(20)前記治具が、内視鏡、若しくは、患者の生体組織又は医療デバイスを把持するエンドエフェクタである、前記(19)に記載の支持アーム装置。
5 術具(治具)
10 アーム部
15c 第6のリンク(第3の駆動リンク)
17a 第7のリンク(第2の駆動リンク)
17b 第8のリンク(第1の駆動リンク)
21 ベース部
31a 第1の駆動軸
31b 第3の駆動軸
31c 第2の駆動軸
35 ガイド構造
40a 第1の直交関節部
40b 第3の直交関節部
40c 第2の直交関節部
42 リニアブッシュ
43 ガイドピン
60a〜60n 関節部
Claims (18)
- ベース部に固定され、第1の駆動軸を軸回転させる第1の駆動部と、
前記ベース部に固定され、第2の駆動軸を軸回転させる第2の駆動部と、
前記ベース部に固定され、第3の駆動軸を軸回転させる第3の駆動部と、
少なくとも1つの平行リンクを含み、所定の治具を支持するアーム部と、
を備え、
前記アーム部が、前記第1の駆動部、前記第2の駆動部及び前記第3の駆動部の駆動による可動部分となる一方、前記ベース部は、前記第1の駆動部、前記第2の駆動部及び前記第3の駆動部の駆動による不動部分となり、
前記第1の駆動部及び前記第2の駆動部の駆動により、前記アーム部の姿勢を変化させ、前記所定の治具を回転運動させ、
前記第1の駆動部、前記第2の駆動部及び前記第3の駆動部の駆動により、前記アーム部の姿勢を変化させ、前記所定の治具に対して、前記回転運動として遠隔運動中心を中心とするピボット運動を行い、かつ、前記遠隔運動中心を通る直線に沿った直進運動を行う、支持アーム装置。 - 前記アーム部は、複数の平行リンクを含み、前記複数の平行リンクが、リンク構成平面内に存在する、請求項1に記載の支持アーム装置。
- 前記アーム部を構成する第1の駆動リンクと前記第1の駆動軸との間に介在し直交3自由度を構成する第1の直交関節部と、
前記アーム部を構成する第2の駆動リンクと前記第2の駆動軸との間に介在し直交2自由度を構成する第2の直交関節部と、
前記アーム部を構成する第3の駆動リンクと前記第3の駆動軸との間に介在し直交3自由度を構成する第3の直交関節部と、
を備える、請求項2に記載の支持アーム装置。 - 前記第1の駆動軸の軸線と前記第3の駆動軸の軸線とは、互いに平行な平面上に存在する、請求項3に記載の支持アーム装置。
- 前記第1の駆動軸の軸線と前記第3の駆動軸の軸線とは、等間隔平行又は同一軸線上に配置される、請求項4に記載の支持アーム装置。
- 前記第2の駆動軸の軸線は、前記第1の駆動軸の軸線及び前記第3の駆動軸の軸線と直交する、請求項4または請求項5に記載の支持アーム装置。
- 前記遠隔運動中心が、前記第2の駆動軸の軸線上に存在する、請求項3乃至請求項6の何れか1項に記載の支持アーム装置。
- 前記第1の駆動軸及び前記第3の駆動軸を同一方向に軸回転させることにより、前記治具が、前記遠隔運動中心を回転中心として回動する、請求項3乃至請求項7の何れか1項に記載の支持アーム装置。
- 前記第1の駆動軸及び前記第3の駆動軸を逆方向に軸回転させることにより、前記治具が、前記遠隔運動中心を通る直線に沿った直進運動を行う、請求項3乃至請求項8の何れか1項に記載の支持アーム装置。
- 前記アーム部は、前記直進運動をガイドするリニアブッシュを備える、請求項9に記載の支持アーム装置。
- 前記アーム部は、前記遠隔運動中心を通る直線上の1辺を含む平行リンクを含み、前記平行リンクに、前記遠隔運動中心を通る直線に平行な方向に沿って配置され、当該方向に沿って前記リニアブッシュ内を進退動可能なガイドピンが設けられる、請求項10に記載の支持アーム装置。
- 前記ガイドピンは、前記第1の駆動軸の軸線又は前記第3の駆動軸の軸線に直交する直線上に配置される、請求項11に記載の支持アーム装置。
- 前記遠隔運動中心を通る直線上の1辺を含む平行リンクにおける、前記1辺に交差する2つの辺は、前記第2の駆動軸の軸線に平行な状態を維持しながら移動する、請求項11または請求項12に記載の支持アーム装置。
- 前記第2の駆動軸の軸回転により、前記治具が、前記リンク構成平面に交差する方向へ回転する、請求項3乃至請求項13の何れか1項に記載の支持アーム装置。
- 前記第1の駆動リンクの前記第1の駆動軸の軸回転方向の回動範囲を規制するストッパを備える、請求項3乃至請求項14の何れか1項に記載の支持アーム装置。
- 前記第2の駆動リンクの前記第2の駆動軸の軸回転方向の回動範囲を規制するストッパを備える、請求項3乃至請求項15の何れか1項に記載の支持アーム装置。
- 前記治具が、医療用器具である、請求項1乃至請求項16の何れか1項に記載の支持アーム装置。
- 前記治具が、内視鏡、若しくは、患者の生体組織又は医療デバイスを把持するエンドエフェクタである、請求項17に記載の支持アーム装置。
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