JP6979252B1 - 医療用ロボットのフローティング駆動機構および医療用ロボット - Google Patents

Abstract

本発明の一態様は、ロッドを第１方向に進退自在に駆動するアクチュエータと、アクチュエータの駆動力で動作する操作部材と、アクチュエータと操作部材との間に位置し、ロッドと係合してロッドの動作を操作部材に伝える伝達部材と、を備え、アクチュエータの駆動力を用いて術具を駆動する医療用ロボットのフローティング駆動機構であって、伝達部材は、第１方向と直交する第２方向への移動は規制され、第２方向についてロッドと離間し、ロッドからの第１方向の力を操作部材に伝達することを特徴としているため、医療用ロボットの施術精度を向上させることができる。

Description

本発明は、アクチュエータによって術具を操作する医療用ロボットのフローティング駆動機構およびかかるフローティング駆動機構を備える医療用ロボットに関する。

医療用ロボットを用いた手術は、術者の負担軽減のみならず、高精度かつ安定した処置による患者への負担軽減や遠隔医療の可能性を高める技術として注目されている。

特許文献１には、空気圧駆動による外力検出機能を有する外科手術用マニピュレータにおいて、動きの精度を高めやすくするとともに、外乱に起因する不具合の発生を抑制しやすくすることができるマニピュレータシステムが開示される。

特許文献２には、精度の高い外力推定を可能にすることができる医療用マニピュレータシステムが開示される。また、特許文献３には、清潔領域と不潔領域との交錯を抑制するとともに、術具着脱の容易性および安全性の向上を図ることができる動力伝達アダプタおよび医療用マニピュレータシステムが開示される。

特開２０１９−０１３４４５号公報 特開２０２０−００５７８４号公報 特開２０１８−１９１８８１号公報

医療用ロボットには、術具を駆動するための駆動源となるアクチュエータや、術具に駆動力を伝える操作部材、アクチュエータから操作部材へ駆動力を伝達する伝達部材など、アクチュエータの駆動力を術具に伝えるために複数の要素が介在している。このため、各要素間の隙間（ガタツキ）により入力側（アクチュエータ側）と出力側（術具側）との動作比率の相違が生じやすくなるとともに、応答性の遅れも生じやすくなる。したがって、各要素の動作に含まれるブレの成分（軸ずれ）を術具に伝えないようにすることが重要である。

また、アクチュエータに機械的に接続される他の要素の動作の軸ずれに起因してアクチュエータのロッドに本来の動作方向に直交する成分を有する外力が付与されるとロッドへの負荷がかかり、ロッドの本来の動作方向への移動に対して摺動抵抗の増加を招く。医療用ロボットにおいて、術具から術者に伝わる力（反力）を検知する力覚センサが設けられている場合、ロッドの摺動抵抗の増加は力覚推定に影響を与え、術具の制御性にも影響を与えることになる。特に、空気圧を利用した力覚推定では、術具から受けた力をアクチュエータのロッド（ピストン）へ可能な限り直接伝えることが重要となる。術具からアクチュエータまでの間の動作時の摺動抵抗および伝達ロスを極力排除することにより、微小な外力を検出できるシステムが実現される。これらのことから、各要素の動作に含まれるブレの成分の伝達を抑制することが医療用ロボットにおける施術精度の向上を図る上で望まれる。

本発明は、アクチュエータの駆動力を用いて術具を操作する医療用ロボットにおいて施術精度を向上させることができる医療用ロボットのフローティング駆動機構を提供することを目的とする。また、かかるフローティング駆動機構を備える医療用ロボットを提供することも目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、ロッドを第１方向に進退自在に駆動するアクチュエータと、アクチュエータの駆動力で動作する操作部材と、アクチュエータと操作部材との間に位置し、ロッドと係合してロッドの動作を操作部材に伝える伝達部材と、を備える医療用ロボットのフローティング駆動機構であって、伝達部材は、第１方向と直交する第２方向への移動は規制され、第２方向についてロッドと離間し、ロッドからの第１方向の力を操作部材に伝達することを特徴としている。

このような構成によれば、ロッドの第１方向への動作は伝達部材を介して操作部材に伝達される。一方、操作部材が第１方向以外の成分を含む方向に移動した場合には、その操作部材の移動により第２方向（第１方向と直交する平面の面内方向の全て）の成分を有する力が伝達部材に付与されるが、伝達部材は、第２方向への移動は規制されているため、その力は伝達部材で吸収され、ロッドに伝わることが抑制される。すなわち、第２方向への移動が規制された伝達部材により、操作部材による第１方向以外の移動に起因する力のロッドへの伝達が抑制されるため、ロッドには第１方向の力のみが伝達されて、ロッドの摺動抵抗の増加を抑制することができる。操作部材による第１方向以外の移動の具体例として、操作部材が第２方向（第１方向と直交する平面の面内方向）に移動することだけでなく、操作部材が第１方向に対して傾いた状態で進退移動することも挙げられる。そのような傾いた進退運動によっても、操作部材から伝達部材に第２方向の成分を有する力が付与される。また、操作部材が第１方向を中心として回転する場合も、回転中心から離れた位置で操作部材に対して固定されている部材（例えば後述する凸部）によって、伝達部材に第２方向の成分を有する力が付与される。

上記医療用ロボットのフローティング駆動機構において、ロッドは伝達部材の一部を受容するロッド受容部を有し、ロッド受容部内に位置する伝達部材にロッドが接触することにより、ロッドの第１方向の動作が伝達部材に伝達されるようになっていてもよい。ロッド受容部内に伝達部材の一部が受容されることで、ロッドと伝達部材とを締結せずに第１方向への力の伝達を行うことができる。

上記医療用ロボットのフローティング駆動機構において、伝達部材は第２方向に開口を有するスリットを備え、ロッド受容部がスリットの内部に位置するようになっていてもよい。これにより、ロッド受容部とスリットとの間に第２方向の隙間が設けられ、この隙間によって第２方向の力を吸収できる。例えば、術具側から力が加わったときは、その力における第２方向の成分を伝達部材のスリットによって受容し、ロッド側に第２方向の力が伝達しないようにすることができる。

上記医療用ロボットのフローティング駆動機構において、伝達部材は、操作部材の一部を受容する伝達受容部を有し、伝達受容部内に位置する操作部材に伝達部材が接触することにより、伝達部材の第１方向の動作が操作部材に伝達されるようになっていてもよい。伝達受容部内に操作部材の一部が受容されることで、伝達部材と操作部材とを締結せずに第１方向への力の伝達を行うことができる。

上記医療用ロボットのフローティング駆動機構において、伝達受容部は、操作部材の一部の第２方向の変位を吸収するように、操作部材の一部を受容してもよい。これにより、伝達受容部内に操作部材の一部が受容されることで、伝達部材と操作部材とを締結せずに第１方向への力の伝達と、第２方向の力の吸収とを行うことができる。

上記医療用ロボットのフローティング駆動機構において、リニアエンコーダのスケール部を第１方向に移動可能に支持する直動ガイドをさらに備え、伝達部材はスケール部に固定され、スケール部とともに第１方向に移動可能に設けられていてもよい。スケール部に固定された伝達部材はスケール部とともに直動ガイドの支持によって第１方向に移動する。仮に、ロッドの進退方向と直動ガイドによる直動方向とが非平行であっても、第２方向のずれを伝達部材で吸収して、ロッドの摺動抵抗の増加を抑制することができる。

上記医療用ロボットのフローティング駆動機構において、スケール部はアクチュエータの筐体に対向配置され、リニアエンコーダの検出部が筐体に付設されていてもよい。これにより、リニアエンコーダのスケール部が可動であるため、このスケール部の位置を測定する検出部の配線は動かなくてもよい。また、大きな部材であるスケール部の剛性により伝達部材の第２方向の移動が抑えられる。また、伝達部材の直動の精度は、スケール部を支持する直動ガイドで担保されるため、アクチュエータは駆動ができればよく、駆動の方向が第１方向に対して多少ずれていてもかまわない。

上記医療用ロボットのフローティング駆動機構において、アクチュエータは、空気圧によりロッドを駆動してもよい。この場合には、かかるフローティング駆動機構を備える医療用ロボットでは、空気圧を用いた力覚推定を行うことができる。すなわち、本発明は、別の一態様として、上記の空気圧によりロッドを駆動するフローティング駆動機構およびロッドに付与される第１方向の外力を空気圧の測定に基づき推定する空気圧力覚推定機構を備える医療用ロボットを提供する。

本発明によれば、アクチュエータの駆動力を用いて術具を操作する医療用ロボットにおいて施術精度を向上させることができる医療用ロボットのフローティング駆動機構を提供することが可能となる。また、空気圧力覚推定機構を備える医療用ロボットの測定精度を高めることも提供される。

医療用ロボットを例示する斜視図である。 術具の装着状態を例示する斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る医療用ロボットのフローティング駆動機構を例示する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、伝達部材を例示する斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、フローティング駆動機構の動作を例示する模式断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、伝達部材によるＹ方向の力の吸収について例示する模式断面図である。 複数の操作部材が設けられた医療用ロボットを例示する斜視図である。 医療用ロボットの力覚推定機構を説明するためのブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

（医療用ロボットのフローティング駆動機構の構成）
図１は、医療用ロボットを例示する斜視図である。
図２は、術具の装着状態を例示する斜視図である。
図３（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る医療用ロボットのフローティング駆動機構を例示する模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図である。
図４（ａ）および（ｂ）は、伝達部材を例示する斜視図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は分解斜視図である。

図１および図２に示すように、医療用ロボット５００は、遠隔操作可能なマニピュレータである多自由度アーム５１０を有する。多自由度アーム５１０の先端部分には術具１００を取り付ける装着部５２０が設けられる。術具１００は、ドレープユニット２００を介して多自由度アーム５１０に取り付けられる。

ドレープユニット２００は、術具１００を保持する医療用ロボット５００と術具１００との間に配置されて術具１００と医療用ロボット５００とを分離する役目を果たす。また、ドレープユニット２００は、術具１００に設けられた可動部１５０（図３（ａ）参照）に、医療用ロボット５００が備える動力伝達部５５０からの進退方向の動力を伝達する役目も果たす。

多自由度アーム５１０の先端部分（装着部５２０）は延在方向の軸回りに回転可能となっている。さらに、多自由度アーム５１０のアーム部も軸回転可能となっている。したがって、医療用ロボット５００に取り付けられた術具１００は、多自由度アーム５１０によって様々な角度から患者にアプローチすることができる。

図２に示すように、術具１００は、本体１１０と、本体１１０から延在するシャフト１２０と、シャフト１２０の先端（本体１１０とは反対側の端部）に設けられる処置部１３０とを備える、処置部１３０は例えば鉗子である。

医療用ロボット５００には、動力伝達部５５０を駆動するためのフローティング駆動機構１が設けられる。フローティング駆動機構１は、多自由度アーム５１０（図１参照）の筐体内に組み込まれている。

図３（ａ）に示すように、フローティング駆動機構１は、ロッド１１を進退自在に駆動するアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０の駆動力で動作する操作部材２０と、アクチュエータ１０と操作部材２０との間に位置する伝達部材３０と、を備える。

ここで、本実施形態において、ロッド１１の進退方向をＺ方向、Ｚ方向と直交する方向の一つをＸ方向、Ｚ方向およびＸ方向と直交する方向をＹ方向ということにする。Ｚ方向は第１方向の例、Ｚ方向と直交するＸ方向およびＹ方向のいずれかは第２方向の例である。

アクチュエータ１０は、図示しない制御部から出力される制御信号に基づいて、ロッド１１を進退方向（Ｚ方向）に直動させる動力を発生させる。アクチュエータ１０としては、例えば空気圧によって動力を発生させる空気圧シリンダが用いられる。なお、アクチュエータ１０は、空気圧のほか、電磁力により駆動されるものであってもよいし、その他の公知の駆動方法によるものであってもよい。

操作部材２０は、アクチュエータ１０のロッド１１の進退動作によって移動可能に設けられる。操作部材２０の移動方向は例えばＺ方向である。なお、操作部材２０の移動方向は必ずしもＺ方向と一致している必要はなく、Ｚ方向の成分が含まれていればよい。操作部材２０は動力伝達部５５０と連結され、アクチュエータ１０の駆動力を動力伝達部５５０へ伝達する。なお、操作部材２０と動力伝達部５５０とは別体であっても一体であってもよい。

伝達部材３０は、ロッド１１と操作部材２０とを連結する部材である。本実施形態では、伝達部材３０はＹ方向およびＸ方向への移動は規制され、Ｙ方向についてロッド１１と離間している。伝達部材３０は、ロッド１１からのＺ方向の力を操作部材２０に伝達するように設けられる。

図３（ｂ）に示すように、伝達部材３０には第１方向としてのＺ方向に貫通し、第２方向としてのＹ方向の一方に開口するスリット３１が設けられる。このスリット３１にロッド１１が挿入されており、スリット３１内においてロッド１１と伝達部材３０との間にＹ方向の隙間が設けられる。

ロッド１１には、伝達部材３０の一部を受容するロッド受容部１１１が設けられる。ロッド受容部１１１は、ロッド１１の一部に設けられた縮径部分であり、このロッド受容部１１１においてロッド１１がスリット３１に嵌め込まれている。ロッド受容部１１１のＺ方向の両側は、ロッド受容部１１１に対して相対的に径の大きい部分（説明の便宜上、拡径部１１２と言う。）が設けられる。

ロッド受容部１１１のＺ方向の長さは、伝達部材３０のＺ方向の長さとほぼ等しい。ロッド受容部１１１の径は、スリット３１のＸ方向の幅とほぼ等しいか、わずかに細くなっている。ロッド受容部１１１がスリット３１に嵌め込まれることで、伝達部材３０とロッド１１とはＹ方向には離間するものの、Ｚ方向には拡径部１１２がストッパとなって隙間なく連結される。

このような構造を有することにより、伝達部材３０がＹ方向に変位することがあっても、伝達部材３０のスリット３１におけるロッド受容部１１１のＹ方向の位置が変化するだけであって、ロッド１１のＺ方向の移動には影響せず、それゆえ、ロッド１１のＺ方向の摺動抵抗の増加が生じにくい。

また、本実施形態では、スリット３１のＸ方向の幅はロッド受容部１１１の径よりもやや大きい程度とされているため、伝達部材３０とロッド１１とのＸ方向の隙間はＹ方向よりも狭くなっている。なお、ロッド受容部１１１の径をスリット３１のＸ方向の幅よりも積極的に小さくしてもよい。これにより、スリット３１内において伝達部材３０とロッド１１との間にＸ方向の隙間が広がるため、伝達部材３０のＸ方向の変位がロッドのＺ方向の移動に与える影響を少なくすることがより安定的に実現される。

伝達部材３０のＹ方向の一端部分は、直動ガイド５０に支持されたリニアエンコーダ６１のスケール部６０に固定される。直動ガイド５０はスケール部６０をＺ方向に移動可能に支持する。したがって、伝達部材３０は、スケール部６０を介して直動ガイド５０に支持される状態になり、スケール部６０とともにＺ方向に直動可能に支持される。

このように、伝達部材３０は、質量の大きな部材であるスケール部６０と一体となって、直動ガイド５０により、Ｚ方向以外（Ｘ方向およびＹ方向）への移動が規制される。このため、伝達部材３０に例えば操作部材２０側からＺ方向以外の外力が加えられても、直動ガイド５０によってこの外力に抗することができ、結果、伝達部材３０に連結されるロッド１１にＺ方向以外の外力が伝わることが抑制される。

伝達部材３０のＹ方向の他端部分には、操作部材２０を連結する連結部３５が設けられる。連結部３５は、伝達部材３０の他端に設けられＹ方向（第２方向）に窪む伝達受容部としての凹部３２と、操作部材２０に設けられＹ方向（第２方向）に突出する凸部２２とを有する。この凹部３２と凸部２２とがＹ方向（第２方向）に嵌合することで、伝達部材３０と操作部材２０とが連結される。なお、連結部３５は、伝達部材３０側が凸、操作部材２０側が凹であってもよい。

本実施形態では、凸部２２は円柱形に設けられ、凹部３２は凸部２２の円柱形に対応した凹形となっている。凹部３２の内径は凸部２２の外径とほぼ等しいか僅かに大きく設けられる。凸部２２が凹部３２に嵌め込まれた状態では、Ｙ方向には隙間が設けられ、Ｚ方向およびＸ方向にはほぼ隙間なく連結される。

また、凸部２２が凹部３２に嵌め込まれた状態では、伝達部材３０の操作部材２０側の面３０ａと操作部材２０との間に隙間が設けられる。したがって、伝達部材３０と操作部材２０とはＹ方向には離間するものの、Ｚ方向にはほぼ隙間なく連結される。このような連結状態であることにより、操作部材２０の動作がＹ方向の成分を有していても、操作部材２０に設けられた凸部２２のＹ方向成分の変位が上記の凹部３２との隙間の範囲であれば、凸部２２のＹ方向成分の変位が伝達部材３０へのＹ方向の外力となることが回避される。

施術への影響を少なくするなどの観点から、操作部材２０や動力伝達部５５０がＺ方向に長くなる場合があり、そのような場合には、操作部材２０の動作の直線性が低下して、Ｙ方向などのＺ方向以外の成分の変位が生じやすくなることがある。そのようなときであっても、本実施形態に係るフローティング駆動機構１では、操作部材２０のＹ方向の変位を伝達部材３０の凹部３２で吸収して伝達部材３０にＹ方向の外力が発生することが抑制されている。

伝達部材３０にＹ方向の外力が発生した場合であっても、伝達部材３０はスケール部６０と一体となって直動ガイド５０により支持されているため、伝達部材３０に加えられたＹ方向の外力が伝達部材３０の変位をもたらしにくい。

さらに、伝達部材３０がＹ方向に変位した場合であっても、スリット３１にロッド受容部１１１が収まる構造を有しているため、伝達部材３０のＹ方向に変位はスリット３１の内部で吸収されて、ロッド１１へのＹ方向の外力は生じにくい。

（ロッド、操作部材および伝達部材の連結状態）
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ロッド１１と操作部材２０とは伝達部材３０を介して連結される。伝達部材３０がスケール部６０（図３参照）に接続された状態で、伝達部材３０のスリット３１にロッド１１のロッド受容部１１１が嵌め込まれる。

伝達部材３０には調整部３７が取り付けられていてもよい。調整部３７は、伝達部材３０のＺ方向の端部に取り付けられ、図示しないネジによってＺ方向の取り付け位置の調整を行うことができる。調整部３７は、伝達部材３０のスリット３１にロッド１１のロッド受容部１１１が嵌め込まれた状態で、伝達部材３０とロッド１１の拡径部１１２との間に設けられる。

調整部３７のＺ方向の位置によって伝達部材３０とロッド１１との連結状態（接触状態）が調整される。つまり、調整部３７を伝達部材３０に対して近位に調整すれば、調整部３７と拡径部１１２との隙間が拡がり、伝達部材３０とロッド１１とのＹ方向の相対的な位置変化を許容しやすくなるが、Ｚ方向の公差が大きくなる。

一方、調整部３７を伝達部材３０に対して遠位に調整すれば、調整部３７と拡径部１１２との隙間が狭くなり、Ｚ方向の公差が小さくなり、さらに遠位にすることで接触強度を高めることができる。しかし、接触強度が高すぎると、伝達部材３０とロッド１１とのＹ方向の相対的な位置変化を許容し難くなる。

ロッド受容部１１１や伝達部材３０のＺ方向の長さには製造上のばらつきがある。したがって、調整部３７を設けることで、ロッド受容部１１１と伝達部材３０との係合関係を、ロッド１１と伝達部材３０との間でＺ方向の力を極力無駄なく伝達でき、Ｙ方向の力については十分に吸収できるように調整することが可能となる。

また、伝達部材３０の凹部３２には、操作部材２０の凸部２２が嵌め込まれる。凹部３２と凸部２２との間、および伝達部材３０の操作部材２０側の面３０ａと操作部材２０との間には隙間が設けられる。これにより、操作部材２０から伝達部材３０へのＹ方向の力をこれらの隙間の範囲内で吸収することができる。

なお、凸部２２を円柱形とし、凹部３２をこれに対応した凹み形状にすることで、凸部２２と凹部３２との嵌合における軸回り（円柱形の中心軸の軸回り）の位置変化を許容しやすくなる。

本実施形態では、このような伝達部材３０を介したロッド１１と操作部材２０との連結によって、伝達部材３０とロッド１１とのＹ方向の相対的な位置変化、および伝達部材３０と操作部材２０とのＹ方向の相対的な位置変化を許容する。その一方、伝達部材３０とロッド１１とのＺ方向の相対的な位置変化、および伝達部材３０と操作部材２０とのＺ方向の相対的な位置変化もほとんど許容しない連結状態を構成することができる。

（フローティング駆動機構の動作）
図５（ａ）および（ｂ）は、フローティング駆動機構の動作を例示する模式断面図である。
図５（ａ）には、ロッド１１が中間的な位置にある状態が示され、図５（ｂ）には、ロッド１１が延出した位置にある状態が示される。
アクチュエータ１０によってロッド１１をＺ方向に駆動すると、ロッド１１からＺ方向の駆動力が伝達部材３０に伝わり、伝達部材３０から操作部材２０へと伝わる。これにより、操作部材２０が動作して動力伝達部５５０を進退動作させる。動力伝達部５５０が進退動作することで術具１００の処置部１３０（図２参照）を動作させることができる。

このようなロッド１１の動作において、ロッド１１のＺ方向の移動に伴い、伝達部材３０を介してスケール部６０が直動ガイド５０に沿ってＺ方向に移動する。スケール部６０と対向するアクチュエータ１０の筐体１５にはリニアエンコーダ６１の検出部６５を搭載した基板６３が取り付けられている。これにより、スケール部６０と検出部６５とが対向配置されることになる。本実施形態では、スケール部６０は可動であり、スケール部６０の位置を測定する検出部６５は固定である。したがって、検出部６５の配線も固定となり、配線の取り回しが容易となり、配線の耐久性も向上させることができる。

また、大きな部材であるスケール部６０の剛性により伝達部材３０のＸ方向およびＹ方向への移動が抑えられる。これにより、伝達部材３０はＺ方向に正確に移動できるようになる。また、操作部材２０の直動の精度は、スケール部６０を支持する直動ガイド５０で担保される。したがって、アクチュエータ１０は駆動ができればよく、ロッド１１の駆動の方向がＹ方向に対して多少ずれていてもかまわない。

（伝達部材による力の吸収）
図６（ａ）および（ｂ）は、伝達部材によるＹ方向の力の吸収について例示する模式断面図である。
図６（ａ）には、伝達部材３０とロッド１１との嵌合部分の拡大図が示される。伝達部材３０のスリット３１とロッド１１のロッド受容部１１１との間は、Ｙ方向において離間している。ここで、伝達部材３０の移動は直動ガイド５０によって規制されており、アクチュエータ１０によるロッド１１の進退方向と、直動ガイド５０によるガイド方向とが必ずしも一致しない場合（Ｙ方向の間隔が一定でない場合（Ｚ方向に非平行な場合））がある。

このような場合、ロッド１１の移動に伴うロッド１１と伝達部材３０とのＹ方向の相対的な位置変化があっても、伝達部材３０のスリット３１とロッド１１のロッド受容部１１１との間がＹ方向において離間しているため、離間している隙間の範囲内でＹ方向の位置変化を吸収することがでる。これにより、直動ガイド５０とロッド１１とがＺ方向に非平行であっても、ロッド１１の摺動抵抗の増加を抑制することができる。

一方、Ｚ方向については、伝達部材３０とロッド１１との相対的な位置変化はほとんどなく、ロッド１１のＺ方向の駆動力を伝達部材３０へ確実に伝えることができる。

図６（ｂ）には、伝達部材３０と操作部材２０との嵌合部分の拡大図が示される。伝達部材３０の凹部３２と操作部材２０の凸部２２との間は、Ｙ方向において離間している。また、伝達部材３０の操作部材２０側の面と操作部材２０との間も、Ｙ方向において離間している。

このため、伝達部材３０の移動に伴う伝達部材３０と操作部材２０とのＹ方向の相対的な位置変化があっても、伝達部材３０と操作部材２０とのＹ方向に離間している隙間の範囲内でＹ方向の位置変化を吸収することができる。これにより、操作部材２０から伝達部材３０に向けてＹ方向の力が加わったとしても、その力が伝達部材３０に伝わることを抑制し、さらに伝達部材３０からロッド１１に伝わることを抑制することができる。

医療用ロボット５００において施術者が術具１００を操作する場合、アクチュエータ１０の駆動力を術具１００に正確に伝えることが重要である。本実施形態のようなロッド１１と伝達部材３０との連結構造、および伝達部材３０と操作部材２０との連結構造によれば、操作部材２０や伝達部材３０からロッド１１に対してＹ方向に不要な外力が伝わることを抑制でき、ロッド１１の摺動抵抗の増加を抑制することができる。したがって、アクチュエータ１０の動作による術具１００の制御性が向上する。

また、術中に術具１００からロッド１１に伝わる力（反力）を検知する力覚センサが設けられている場合、Ｙ方向の不要な外力がロッド１１に伝わることを抑制でき、力覚推定に与える影響を抑制することができる。また、本実施形態の伝達部材３０は複雑な構造を有していないため、部材の大型化を抑制することもできる。

なお、ロッド受容部１１１の径をスリット３１のＸ方向の幅よりも小さくして、伝達部材３０とロッド１１とをＸ方向に離間させた場合、伝達部材３０とロッド１１とのＸ方向の相対的な位置変化を吸収することができ、ロッド１１に対してＸ方向の不要な外力が伝わることを抑制できる。

（複数の操作部材の例）
図７は、複数の操作部材が設けられた医療用ロボットを例示する斜視図である。
図７に示す例では、Ｘ方向に複数（図示する例では３つ）の操作部材２０が並置され、各操作部材２０に対応して伝達部材３０およびアクチュエータ１０が設けられる。また、各伝達部材３０は、それぞれスケール部６０に接続され、各スケール部６０は、それぞれ直動ガイド５０で支持される。これらの構成が１つの多自由度アーム５１０の筐体内に組み込まれている。

本実施形態では、伝達部材３０の小型化によって、このような複数の操作部材２０が並置される構成であってもＹ方向への外力を吸収できる伝達部材３０を組み込むことができる。

このように、本実施形態によれば、アクチュエータ１０の駆動力を用いて術具１００を操作する医療用ロボット５００において施術精度を向上させることができる医療用ロボット５００のフローティング駆動機構１を提供することが可能となる。

図８は、医療用ロボットの力覚推定機構を説明するためのブロック図である。医療用ロボット５００は、前述のフローティング駆動機構１に加えて、空気圧力覚推定機構５６１、空気圧制御部５６２、空気圧測定部５７１、および空気圧制御機構５７２を備える。空気圧制御部５６２は、空気圧制御機構５７２を制御するための制御信号を出力し、この制御信号により空気圧制御機構５７２はアクチュエータ１０に供給する空気圧を変動させて、アクチュエータ１０のロッドを変位させる。フローティング駆動機構１が備えるリニアエンコーダ６１は、アクチュエータ１０のロッド１１の位置を測定する。空気圧測定部５７１は、空気圧制御機構５７２からアクチュエータ１０に供給される空気圧を測定する。

空気圧力覚推定機構５６１は、リニアエンコーダ６１からのロッド１１の位置に関する情報および空気圧測定部５７１からの空気圧に関する情報に基づき、ロッド１１の第１方向（Ｚ方向）に加わっている力を求め、この力に基づき、術具１００の処置部１３０の各部の力を推定する。例えば、処置部１３０が鉗子である場合には、空気圧力覚推定機構５６１は、鉗子の第１方向（Ｚ方向）に対する傾き角を変化させる外力や鉗子の把持力を推定することができる。

前述のように、本実施形態に係る医療用ロボット５００のフローティング駆動機構１は、伝達部材３０等を備えるため、ロッド１１のＺ方向の摺動抵抗の増加が生じにくい。このため、空気圧力覚推定機構５６１が求めたロッド１１の第１方向（Ｚ方向）に加わっている力は、摺動抵抗の影響を受けにくく、処置部１３０（鉗子など）に加えられた力を適切に反映することができる。それゆえ、空気圧力覚推定機構５６１は、術具１００の処置部１３０の各部の力をより正確に推定することができる。

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、術具１００の処置部１３０として鉗子の例を示したが、鉗子以外の処置部１３０であってもよい。また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１…フローティング駆動機構
１０…アクチュエータ
１１…ロッド
１５…筐体
２０…操作部材
２２…凸部
３０…伝達部材
３０ａ…面
３１…スリット
３２…凹部
３５…連結部
３７…調整部
５０…直動ガイド
６０…スケール部
６１…リニアエンコーダ
６３…基板
６５…検出部
１００…術具
１１０…本体
１１１…ロッド受容部
１１２…拡径部
１２０…シャフト
１３０…処置部
１５０…可動部
２００…ドレープユニット
５００…医療用ロボット
５１０…多自由度アーム
５２０…装着部
５５０…動力伝達部
５６１…空気圧力覚推定機構
５６２…空気圧制御部
５７１…空気圧測定部
５７２…空気圧制御機構

Claims (17)

1. ロッドを第１方向に進退自在に駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータの駆動力で動作する操作部材と、
   前記アクチュエータと前記操作部材との間に位置し、前記ロッドと係合して前記ロッドの動作を前記操作部材に伝える伝達部材と、
   を備える医療用ロボットのフローティング駆動機構であって、
   前記伝達部材は、前記第１方向と直交する第２方向の成分を有する変位は規制され、前記第２方向について前記ロッドと離間し、前記ロッドからの前記第１方向の力を前記操作部材に伝達し、
   前記ロッドは前記伝達部材の一部を受容するロッド受容部を有し、
   前記ロッド受容部は前記ロッドの一部に設けられた縮径部分であり、
   前記伝達部材は、前記ロッドに対して前記第２方向に相対移動可能に、前記縮径部分に嵌め込まれ、
   前記ロッド受容部内に位置する前記伝達部材に前記ロッドが接触することにより、前記ロッドの前記第１方向の動作が前記伝達部材に伝達されることを特徴とする医療用ロボットのフローティング駆動機構。
2. 前記伝達部材の前記第１方向の端部には調整部が設けられ、前記調整部の前記第１方向の取付位置を調整することにより前記伝達部材と前記ロッドとの連結状態が調整される、請求項１に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
3. 前記伝達部材は前記第２方向に開口を有するスリットを備え、
   前記ロッド受容部が前記スリットの内部に位置する、請求項１または請求項２に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
4. 前記伝達部材は、前記操作部材の一部を受容する伝達受容部を有し、
   前記伝達受容部内に位置する前記操作部材に前記伝達部材が接触することにより、前記伝達部材の前記第１方向の動作が前記操作部材に伝達される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
5. 前記伝達受容部は、前記操作部材の一部の前記第２方向の変位を吸収するように、前記操作部材の一部を受容する、請求項４に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
6. リニアエンコーダのスケール部を前記第１方向に移動可能に支持する直動ガイドをさらに備え、
   前記伝達部材は前記スケール部に固定され、前記スケール部とともに前記第１方向に移動可能に設けられる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
7. 前記スケール部は前記アクチュエータの筐体に対向配置され、
   前記リニアエンコーダの検出部が前記筐体に付設される、請求項６に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
8. ロッドを第１方向に進退自在に駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータの駆動力で動作する操作部材と、
   前記アクチュエータと前記操作部材との間に位置し、前記ロッドと係合して前記ロッドの動作を前記操作部材に伝える伝達部材と、
   を備える医療用ロボットのフローティング駆動機構であって、
   前記伝達部材は、前記第１方向と直交する第２方向の成分を有する変位は規制され、前記第２方向について前記ロッドと離間し、前記ロッドからの前記第１方向の力を前記操作部材に伝達し、
   前記伝達部材は、前記操作部材の一部を受容する伝達受容部を有し、
   前記伝達受容部内に位置する前記操作部材に前記伝達部材が接触することにより、前記伝達部材の前記第１方向の動作が前記操作部材に伝達され、
   前記伝達受容部は、前記操作部材の一部の前記第２方向の変位を吸収するように、前記操作部材の一部を受容することを特徴とする医療用ロボットのフローティング駆動機構。
9. リニアエンコーダのスケール部を前記第１方向に移動可能に支持する直動ガイドをさらに備え、
   前記伝達部材は前記スケール部に固定され、前記スケール部とともに前記第１方向に移動可能に設けられる、請求項８に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
10. 前記スケール部は前記アクチュエータの筐体に対向配置され、
    前記リニアエンコーダの検出部が前記筐体に付設される、請求項９に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
11. ロッドを第１方向に進退自在に駆動するアクチュエータと、
    前記アクチュエータの駆動力で動作する操作部材と、
    前記アクチュエータと前記操作部材との間に位置し、前記ロッドと係合して前記ロッドの動作を前記操作部材に伝える伝達部材と、
    を備える医療用ロボットのフローティング駆動機構であって、
    前記伝達部材は、前記第１方向と直交する第２方向の成分を有する変位は規制され、前記第２方向について前記ロッドと離間し、前記ロッドからの前記第１方向の力を前記操作部材に伝達し、
    リニアエンコーダのスケール部を前記第１方向に移動可能に支持する直動ガイドをさらに備え、
    前記伝達部材は前記スケール部に固定され、前記スケール部とともに前記第１方向に移動可能に設けられることを特徴とする医療用ロボットのフローティング駆動機構。
12. 前記スケール部は前記アクチュエータの筐体に対向配置され、
    前記リニアエンコーダの検出部が前記筐体に付設される、請求項１１に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
13. 前記伝達部材は、前記操作部材の一部を受容する伝達受容部を有し、
    前記伝達受容部内に位置する前記操作部材に前記伝達部材が接触することにより、前記伝達部材の前記第１方向の動作が前記操作部材に伝達される、請求項１１または請求項１２に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
14. 前記ロッドは前記伝達部材の一部を受容するロッド受容部を有し、
    前記ロッド受容部内に位置する前記伝達部材に前記ロッドが接触することにより、前記ロッドの前記第１方向の動作が前記伝達部材に伝達される、請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
15. 前記伝達部材は前記第２方向に開口を有するスリットを備え、
    前記ロッド受容部が前記スリットの内部に位置する、請求項１４に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
16. 前記アクチュエータは、空気圧により前記ロッドを駆動する、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構。
17. 請求項１６に記載の医療用ロボットのフローティング駆動機構を備える医療用ロボットであって、前記ロッドに付与される前記第１方向の外力を前記空気圧の測定に基づき推定する空気圧力覚推定機構を備える、医療用ロボット。

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