JP6850517B1 - 鉗子装置及び鉗子装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

鉗子装置１０は、把持部１２ａ，１２ｂと、把持部１２ａ，１２ｂを保持する支持体１４と、支持体１４を回転可能に支持する第１の回転軸１６と、第１の回転軸１６を保持するベース部品１８と、第１の回転軸１６と同軸に配置されている複数のガイドプーリ２０と、を備える。支持体１４は、第１の回転軸１６が貫通する筒状部を有する。複数のガイドプーリ２０は、筒状部の外周に回転可能に支持されている。

Description

本発明は、手術用ロボットのマニピュレータに用いられる鉗子装置に関する。

近年、術者の負担軽減や、医療施設の省人化を図るためにロボット（マニピュレータ）を利用した医療処置の提案がされている。外科分野では、術者が遠隔操作可能な手術用マニピュレータを操作して患者の処置を行う、手術用マニピュレータシステムに関する提案が行われている。

例えば、特許文献１には、捕捉具のヨー運動やピッチ運動を実現しつつ、捕捉部を構成する一対の顎部の開閉を実現できるように、複数のプーリに所定の順番で巻き付けられた各ケーブルの駆動を制御するロボット手首部が開示されている。

特表２０１６−５１８１６０号公報

しかしながら、前述のロボット手首は、複数のプーリを支持した延長軸棒を有する第２ヨークを第１ヨークに保持させるためには、分割された第１ヨークで複数のプーリを支持した延長軸棒を両側から挟み込んだ後、分割された第１ヨークを接合しなければならない。そのため、組立性に改善の余地がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、組立性の良好な鉗子装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の鉗子装置は、把持部と、把持部を保持する支持体と、支持体を回転可能に支持する回転軸と、回転軸を保持するベース部品と、回転軸と同軸に配置されている複数の第１のプーリと、を備える。支持体は、回転軸が貫通する筒状部を有する。複数の第１のプーリは、筒状部の外周に回転可能に支持されている。

この態様によると、筒状部の外周に複数の第１のプーリが支持された状態の支持体は、ベース部品に対して回転軸を介して保持される。そのため、支持体が直接ベース部品に保持される場合と比較して、組立性の改善を図りやすい。

ベース部品は、対向する一対のアームを有してもよい。回転軸は、軸方向の両端が一対のアームに固定されていてもよい。これにより、自由端となり得る一対のアーム同士が回転軸で固定されるため、ベース部品全体の剛性が増す。

第１のプーリは、把持部を動作させる駆動力を伝達する第１のワイヤが掛かっており、第１のワイヤは、把持部を動作させる際に、回転軸から支持体が受ける垂直抗力が減少するように第１のプーリに掛かっていてもよい。支持体は、該支持体を回転軸を中心に回転させる駆動力を伝達する第２のワイヤが掛かる第２のプーリが形成されていてもよい。これにより、第２のワイヤの張力によって回転軸から支持体が受ける垂直抗力を、把持部を動作させる際の第１のワイヤの張力によって減少することで、回転軸に対して支持体が回転する際の摩擦力が低減する。その結果、把持部の動作がスムーズとなり制御性が良化する。

本発明の別の態様は、鉗子装置の製造方法である。この方法は、把持部を保持している支持体を準備する工程と、支持体を回転可能に支持する回転軸が挿入される貫通孔が形成されている筒状部の外周に、複数のプーリを装着する工程と、回転軸が挿入される穴が形成されているベース部品に対して、穴と貫通孔とが直線的に並ぶように支持体を位置決めする工程と、穴から回転軸を挿入し、該回転軸をベース部品に固定する工程と、を含む。

この態様によると、分割したベース部品で支持体を挟んでからベース部品同士を接合するといった工程が不要となる。あるいは、支持体と第１のプーリとベース部品のそれぞれの穴を同軸に配置しながら、回転軸を支持体に対して圧入するといった工程が不要となる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、組立性の良好な鉗子装置を実現できる。

本実施の形態に係る鉗子装置の斜視図である。 図１の鉗子装置をＡ方向から見た正面図である。 図１の鉗子装置をＢ方向から見た側面図である。 図１の鉗子装置をＣ方向から見た側面図である。 図３に示す鉗子装置のＤ−Ｄ断面図である。 図５の領域Ｒの拡大図である。 本実施の形態に係るガイドプーリの正面図である。 図７に示すガイドプーリのＥ−Ｅ断面図である。 本実施の形態に係る支持体の斜視図である。 本実施の形態に係る鉗子装置の製造方法を説明するためのフローチャートを示す図である。

以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（鉗子装置）
図１は、本実施の形態に係る鉗子装置の斜視図である。図２は、図１の鉗子装置をＡ方向から見た正面図である。図３は、図１の鉗子装置をＢ方向から見た側面図である。図４は、図１の鉗子装置をＣ方向から見た側面図である。

各図に示す鉗子装置１０は、一対の把持部１２ａ，１２ｂと、一対の把持部１２ａ，１２ｂを保持する支持体１４と、支持体１４を回転可能に支持する第１の回転軸１６と、第１の回転軸１６を保持するベース部品１８と、第１の回転軸１６と同軸に配置されている４つのガイドプーリ２０と、一対の把持部１２ａ、１２ｂを回転可能に支持し、支持体１４に保持される第２の回転軸２２と、第２の回転軸２２と同軸に保持される４つのジョープーリ２４と、４つのガイドプーリ２０と４つのジョープーリ２４との間に掛けられた４本のワイヤ２６，２８，３０，３２と、支持体１４を第１の回転軸１６を中心に回転させるためのワイヤ３８，４０と、を備えている。

（ガイドプーリ２０）
図５は、図３に示す鉗子装置１０のＤ−Ｄ断面図である。図６は、図５の領域Ｒの拡大図である。図５及び図６に示すように、ガイドプーリ２０は、第１の回転軸１６に対して傾斜するように、支持体１４の一部である円筒の環状部１４ａを介して第１の回転軸１６に回転可能に支持されている。これにより、ワイヤ２６，２８，３０，３２のそれぞれは、ガイドプーリ２０に対する実質的なフリートアングルが小さくなり、ガイドプーリ２０のガイド溝２０ａのエッジ２０ｂと干渉しにくくなる。なお、ガイドプーリ２０は、支持体１４を介さずに第１の回転軸１６に直接支持されていてもよい。

図７は、本実施の形態に係るガイドプーリ２０の正面図である。図８は、図７に示すガイドプーリ２０のＥ−Ｅ断面図である。本実施の形態に係るガイドプーリ２０は、第１の回転軸１６が貫通する円形の開口部２０ｃの中心線ＣＬに対して、内周面２０ｄが傾斜している。内周面２０ｄは、第１の回転軸１６が挿入された支持体１４の環状部１４ａに対して摺動する。これにより、フリートアングルがあるワイヤから受ける力でガイドプーリ２０が自律的に傾斜する。なお、ガイドプーリ２０が直接第１の回転軸１６に支持されている場合、ガイドプーリ２０の内周面２０ｄは、第１の回転軸１６の外周面に直接摺動することになる。

図８に示すように、ガイドプーリ２０は、中心線ＣＬと直交し内径ｄが最も小さい平面Ｐから中心線ＣＬに沿って離れるに従って、内径ｄが徐々に広がるように内周面２０ｄが形成されている。換言すると、内周面２０ｄは、円錐形状やすり鉢形状、あるいはテーパ面として形成されていてもよい。また、平面Ｐを挟んで内周面２０ｄと反対側の内周面２０ｅも、内周面２０ｄと同様の形状に加工されている。

なお、本実施の形態に係るガイドプーリ２０は、内周面２０ｄ及び内周面２０ｅと中心線ＣＬとが成す角αが３〜７°の範囲である。また、ガイドプーリ２０の一方の端面２０ｆは、平面Ｐに対して角度α傾斜しており、一方の端面２０ｆと内周面２０ｄとの成す角は９０°である。また、ガイドプーリ２０の他方の端面２０ｇは、平面Ｐと平行である（中心線ＣＬに対して直交している）。したがって、ガイドプーリ２０は平面Ｐを挟んで左右が非対称の環状部材である。

本実施の形態に係るガイドプーリ２０は、図５や図６に示すように、支持体１４を挟んで両側に２つずつ隣接して配置されている。そして、図６に示すように、２つのガイドプーリ２０を並べて環状部１４ａに装着する際には、他方の端面２０ｇ同士が向かい合わせになるようにしている。その結果、隣接する２つのガイドプーリ２０の一方（ガイドプーリ２０Ａ）は、傾斜した状態で支持体１４に当接し、隣接する２つのガイドプーリ２０の他方（ガイドプーリ２０Ｂ）は、傾斜した状態でベース部品１８に当接する。これにより、ガイドプーリ２０が傾斜した際に、ガイドプーリ２０の第１の回転軸方向Ｘへの位置が精度良く決まる。

それぞれのガイドプーリ２０は、図２に示すように、掛けられた複数のワイヤ２６，２８がジョープーリ２４の外周に向けて外側に広がるように、第１の回転軸１６に対して傾斜している。これにより、一対の把持部１２ａ，１２ｂでの操作トルクを増大させやすい直径の大きなジョープーリ２４を用いても、ガイドプーリ２０におけるワイヤの干渉を抑制できる。

次に、ベース部品１８について説明する。本実施の形態に係るベース部品１８は、図２や図５に示すように、第１の回転軸１６の両端を保持する一対のアーム１８ａ，１８ｂと、一対のアーム１８ａ，１８ｂに保持され、ガイドプーリ２０よりも上流側にある４つのガイドプーリ３４を回転可能に支持する第３の回転軸３６とを有している。なお、本実施の形態に係る第３の回転軸３６は、一対のアーム１８ａ，１８ｂのそれぞれに設けられている。

アーム１８ａ，１８ｂは、第３の回転軸３６を保持する根本部分１８ｃよりも第１の回転軸１６を保持する先端部分１８ｄの方が薄肉である。換言すると、先端部分１８ｄ同士の間隔は、根本部分１８ｃ同士の間隔よりも広い。これにより、図３に示すように、フリートアングルのあるワイヤ２６，２８が支持体１４とともに第１の回転軸１６を中心に屈曲（図３の矢印Ｆ方向）した場合であっても、アーム１８ａ，１８ｂと干渉しにくくなる。

また、アーム１８ａ（アーム１８ｂ）の先端部分１８ｄの周方向の幅Ｗ１は、根本部分１８ｃの周方向の幅Ｗ２よりも狭い。これにより、ワイヤとの干渉を考慮する必要のある先端部分１８ｄにＵ字状の逃がし部を形成しつつ、先端部分１８ｄの周方向の幅よりも根本部分１８ｃの周方向の幅を大きくすることでアームの剛性の低下を抑えられる。

また、図５に示すように、本実施の形態に係るジョープーリ２４の外径Ｇ１は、一対のアーム１８ａ，１８ｂの根本部分１８ｃ同士の間隔Ｇ２より大きい。つまり、本実施の形態に係る鉗子装置１０は、筒状のベース部品１８の内径の大きさの割に外径の大きなジョープーリ２４を採用することが可能となる。

（支持体の組立性）
図９は、本実施の形態に係る支持体の斜視図である。図５や図６に示すように、本実施の形態に係る鉗子装置１０は、一対の把持部１２ａ，１２ｂと、一対の把持部１２ａ，１２ｂを保持する支持体１４と、支持体１４を回転可能に支持する第１の回転軸１６と、第１の回転軸１６を保持するベース部品１８と、第１の回転軸１６と同軸に配置されている複数のガイドプーリ２０と、を備える。支持体１４は、図９に示すように、第１の回転軸１６が貫通する筒状部としての環状部１４ａを有する。複数のガイドプーリ２０は、環状部１４ａの外周に回転可能に支持されている。なお、回転軸とは、自身が回転するものだけではなく、支持する部材が回転する際の軸となるものであればよく、他の部材に対して固定されている軸であってもよい。

このように構成された鉗子装置１０において、環状部１４ａの外周に複数のガイドプーリ２０が支持された状態の支持体１４は、ベース部品１８に対して第１の回転軸１６を介して保持される。そのため、支持体１４が直接ベース部品１８に保持される場合と比較して、組立性の改善を図りやすい。

また、本実施の形態に係るベース部品１８は、対向する一対のアーム１８ａ，１８ｂを有している。また、第１の回転軸１６は、軸方向の両端が一対のアーム１８ａ，１８ｂに対して圧入嵌合されることで強固に固定されている。これにより、自由端となり得る一対のアーム１８ａ，１８ｂの先端部同士が回転軸で固定されるため、ベース部品１８全体の剛性が増す。

また、ワイヤ２６，２８，３０，３２のそれぞれは、把持部１２ａや把持部１２ｂを動作させる駆動力を伝達するためのものである。具体的には、ワイヤ２６及びワイヤ３２は、把持部１２ｂのジョープーリ２４に掛かっており、把持部１２ｂは、ワイヤ２６が引かれると開く方向に動き、ワイヤ３２が引かれると閉じる方向に動く。また、ワイヤ２８及びワイヤ３０は、把持部１２ａのジョープーリ２４に掛かっており、把持部１２ａは、ワイヤ２８が引かれると閉じる方向に動き、ワイヤ３０が引かれると開く方向に動く。

また、４つのガイドプーリ２０のそれぞれは、対応するワイヤ２６，２８，３０，３２が掛かっている。ワイヤ２６，２８，３０，３２は、把持部１２ａ，１２ｂを動作させる際に、第１の回転軸１６から支持体１４が受ける垂直抗力が減少するように、対応するガイドプーリ２０に掛かっている。詳述すると、ワイヤ２６，２８，３０，３２は、図２に示すように、対応するガイドプーリ２０とガイドプーリ３４との間を通り、ガイドプーリ２０の下側（第１の回転軸１６を挟んで把持部１２ａ，１２ｂと反対側）から掛かっている。

したがって、把持部１２ａ，１２ｂを動作させる際に、ワイヤ２６，２８，３０，３２の少なくともいずれかに張力が発生すると、その張力によってガイドプーリ２０を介して支持体１４に力が働く。本実施の形態に掛かる鉗子装置１０の場合、ワイヤ２６，２８，３０，３２で発生する張力によって、支持体１４に把持部１２ａ，１２ｂの方向へ向かう力が加わる。

また、支持体１４は、支持体を第１の回転軸１６を中心に回転させる駆動力を伝達するワイヤ３８，４０が掛かる支持体プーリ４２が一体的に形成されている。そのため、ワイヤ３８，４０の一方を引っ張ることで支持体１４を回転させようとすると、支持体プーリ４２に掛かっているワイヤ３８，４０の張力によって、支持体１４が第１の回転軸１６側に押し付けられる。その際に、第１の回転軸１６から支持体１４が受ける垂直抗力が発生し、摩擦力の増大の一因となる。

しかしながら、本実施の形態に係る鉗子装置１０においては、前述のように把持部１２ａ，１２ｂを動作させる際のワイヤ２６，２８，３０，３２の張力によってガイドプーリ２０に図２の上向きの力が発生する。このガイドプーリ２０に働く力によって、ワイヤ３８，４０に起因する垂直抗力を減少させることで、第１の回転軸１６に対して支持体１４が回転する際の摩擦力が低減する。その結果、把持部１２ａ，１２ｂの動作がスムーズとなり鉗子装置１０の制御性が良化する。

（鉗子装置の製造方法）
次に、本実施の形態に係る鉗子装置１０の製造方法について説明する。図１０は、本実施の形態に係る鉗子装置の製造方法を説明するためのフローチャートを示す図である。この方法は、はじめに、把持部１２ａ，１２ｂを保持している支持体１４を準備する（Ｓ１０）。次に、支持体１４を回転可能に支持する第１の回転軸１６が挿入される貫通孔４４（図５参照）が形成されている環状部１４ａの外周に、複数のガイドプーリ２０を装着する（Ｓ１２）。次に、第１の回転軸１６が挿入される穴１８ｅ，１８ｆが形成されているベース部品１８に対して、穴１８ｅ，１８ｆと貫通孔４４とが直線的に並ぶように支持体１４を位置決めする（Ｓ１４）。そして、穴１８ｅから第１の回転軸１６を挿入し、最終的に第１の回転軸１６の両端をベース部品１８の穴１８，１８ｆに対して圧入することで、第１の回転軸１６がベース部品１８に対して強固に固定される（Ｓ１６）。なお、各プーリにワイヤを掛ける工程は、前述の製造の妨げにならないタイミングで行えばよい。

この製造方法によれば、分割したベース部品で支持体を挟んでからベース部品同士を接合するといった工程が不要となる。あるいは、支持体とプーリとベース部品のそれぞれの穴を同軸に配置し、その位置を保持しながら、回転軸を支持体に対して圧入するといった調整の難しい工程が不要となる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

本発明は、手術用ロボットのマニピュレータに利用できる。

１０ 鉗子装置、 １２ａ，１２ｂ 把持部、 １４ 支持体、 １４ａ 環状部、 １６ 第１の回転軸、 １８ ベース部品、 １８ａ，１８ｂ アーム、 １８ｅ，１８ｆ 穴、 ２０ ガイドプーリ、 ２６，２８，３０，３２，３８，４０ ワイヤ、 ４２ 支持体プーリ、 ４４ 貫通孔。

Claims (4)

1. 把持部と、
   把持部を保持する支持体と、
   前記支持体を回転可能に支持する回転軸と、
   前記回転軸を保持するベース部品と、
   前記回転軸と同軸に配置されている複数の第１のプーリと、を備え、
   前記支持体は、前記回転軸が貫通する筒状部を有し、
   前記複数の第１のプーリは、前記筒状部の外周に回転可能に支持されていることを特徴とする鉗子装置。
2. 前記ベース部品は、対向する一対のアームを有し、
   前記回転軸は、軸方向の両端が前記一対のアームに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の鉗子装置。
3. 前記第１のプーリは、前記把持部を動作させる駆動力を伝達する第１のワイヤが掛かっており、
   前記第１のワイヤは、前記把持部を動作させる際に、前記回転軸から前記支持体が受ける垂直抗力が減少するように前記第１のプーリに掛かっており、
   前記支持体は、該支持体を前記回転軸を中心に回転させる駆動力を伝達する第２のワイヤが掛かる第２のプーリが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉗子装置。
4. 把持部を保持している支持体を準備する工程と、
   前記支持体を回転可能に支持する回転軸が挿入される貫通孔が形成されている筒状部の外周に、複数のプーリを装着する工程と、
   前記回転軸が挿入される穴が形成されているベース部品に対して、前記穴と前記貫通孔とが直線的に並ぶように前記支持体を位置決めする工程と、
   前記穴から前記回転軸を挿入し、該回転軸を前記ベース部品に固定する工程と、
   を含むことを特徴とする鉗子装置の製造方法。

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