JP7257102B2 - 手術用ロボット - Google Patents

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本発明は、手術用ロボットに関する。
従来から患者の体内に挿入される処置具を備える医療システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
この医療システムは、患者の体内に挿入される挿入部を有する。挿入部は、湾曲部と、湾曲部の先端に取り付けられた右アーム及び左アームを有し、各アームは、各アームの軸線と直交する方向に湾曲させることができる。そして、各アームには、可撓性を有する長尺のシース部と、シース部の先端部に有する処置具とが挿通され、処置具は各アームの先端開口から突出される。
国際公開２０１４／１５６２８６号明細書
しかし、特許文献１に記載の医療システムは、湾曲部の先端から突出するシース部の根元をアームによって湾曲させて処置具の向きを変えるものであるため、処置具のアームの先端からの突出量が大きくなるに従い、処置具を目標の向きに精確に向けることが困難になるという問題があった。
上記課題を解決するため、本発明のある態様に係る手術用ロボットは、可撓性を有しており関節を備えていない中空の筒状体からなる可撓シャフトと、近位端が前記可撓シャフトの遠位端に連なり、その軸線と直交する方向に曲げ可能である中空の曲げ関節と、前記曲げ関節の遠位端に連なり、その軸線周りに回動可能である手首関節と、前記手首関節に取り付けられたエンドエフェクタと、可撓性を有し、前記可撓シャフト及び前記曲げ関節に挿通されて遠位端が前記手首関節に取り付けられている中空のトルク伝達チューブと、遠位端が前記曲げ関節に取り付けられており、前記可撓シャフトと前記トルク伝達チューブとの間の空間に挿通されている曲げ関節操作ケーブルと、を含むロボット本体であって、前記曲げ関節は、前記曲げ関節操作ケーブルが該曲げ関節操作ケーブルの延在方向に動作することによって曲げ動作を行うように構成されているロボット本体と、前記可撓シャフトが挿通され、可撓性を有する筒状体からなり、前記曲げ関節、前記手首関節および前記エンドエフェクタが遠位端から突出するように前記可撓シャフトを延在方向に案内する案内管と、第１モータを含み、前記第１モータの駆動力により前記曲げ関節操作ケーブルを該曲げ関節操作ケーブルの延在方向に動作させる曲げ関節駆動部と、第２モータを含み、前記第２モータの駆動力により前記トルク伝達チューブの近位端を回動させる手首関節駆動部とを含むロボット本体駆動機構と、を備え、前記ロボット本体は、前記可撓シャフトの近位端が取り付けられたベースを含み、前記ベースを介して前記ロボット本体駆動機構に取り付け可能に構成され、前記ロボット本体駆動機構は、前記ロボット本体の前記ベースを取り付けるように構成され、前記曲げ関節駆動部は、前記第１モータの駆動力により前記曲げ関節操作ケーブルを動作させるように構成され、前記手首関節駆動部は、前記第２モータの駆動力により前記トルク伝達チューブの近位端を回動させるように構成されている。
この構成によれば、可撓シャフトの遠位端に連なる曲げ関節によってエンドエフェクタの向きを変えることができるので、処置部位の近傍でエンドエフェクタを目標の向きに向けることができる。よって、エンドエフェクタを目標の向きに精確に向けることができる。
また、術者が曲げ関節を曲げることによるエンドエフェクタの動きを容易に予想することができる。
更に、手首関節を回動させることにより、目標の向きに向けたエンドエフェクタの軸線周りの角度位置を調節することができる。
また、手首関節の回動は、トルク伝達チューブを回動させることによって行われるので、可撓シャフト及び曲げ関節を曲げたときに手首関節が動くことを防止することができる。
このようにして、手術用ロボットの操作性を向上させることができる。
前記案内管は、その遠位端を湾曲させる遠位端湾曲機構を有していてもよい。
この構成によれば、手術用ロボットの動作時に、他の手術用ロボットと干渉することを防止することができる。
前記案内管の曲げ方向の剛性が前記可撓シャフトの曲げ方向の剛性よりも大きく構成されていてもよい。
この構成によれば、可撓シャフトをその軸線周りに回動させたときに案内管が変形することを防止することができ、可撓シャフトの延在方向を維持した状態で、可撓シャフトの角度位置を変更することができる。
前記ロボット本体は、前記トルク伝達チューブに挿通され、遠位端が前記エンドエフェクタに取り付けられているエンドエフェクタ操作ケーブルを有し、前記エンドエフェクタは、前記エンドエフェクタ操作ケーブルが該エンドエフェクタ操作ケーブルの延在方向に動作することによって動作するように構成され、前記ロボット本体駆動機構は、その駆動力により前記エンドエフェクタ操作ケーブルを該エンドエフェクタ操作ケーブルの延在方向に動作させるエンドエフェクタ駆動部を含んでいてもよい。
この構成によれば、曲げ関節を曲げることによって、エンドエフェクタ操作ケーブルがその延在方向に動かされ、エンドエフェクタが動作することを防止することができる。
本発明は、手術用ロボットの操作性を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態に係る手術用ロボットを備える手術用ロボットシステムの構成例を概略的に示す図である。 図１の手術用ロボットの構成例を示す図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の遠位端の構成例を示す斜視図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の構成例を概略的に示す図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の遠位端の構成例を示す図であり、ロボット本体の関節部を真っ直ぐに伸ばした状態を示す図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の遠位端の構成例を示す図であり、ロボット本体の関節部を曲げた状態を示す図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の手首関節の構成例を示す一部破断図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の遠位端の構成例を示す図であり、第１曲げ関節操作ケーブルの構成例を示す図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の遠位端の構成例を示す図であり、第２曲げ関節操作ケーブルの構成例を示す図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の遠位端の構成例を示すＢ－Ｂ矢視図である。 図１の手術用ロボットのロボット本体の遠位端の構成例を示すＣ－Ｃ矢視図である。 図１の手術用ロボットの制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
図１は、本発明の実施の形態に係る手術用ロボット１を備える手術用ロボットシステム１００の構成例を概略的に示す図である。図２は、手術用ロボット１の構成例を示す図である。
図１に示すように、手術用ロボットシステム１００は、術者Ｗが手術台１１１上の患者Ｐの体内に挿入した手術用ロボット１の遠位端に設けられた術具を外部から遠隔的に操作することによって、低侵襲手術を行うシステムである。
手術用ロボットシステム１００は、例えば、１以上の手術用ロボット１と、内視鏡１０１と、を備える。
手術用ロボット１は、手術台１１１に取り付けられた手術用ロボット支持台１１３に支持されている。そして、手術用ロボット１は、細長く形成されたアームを有し、アームの遠位端に術具を有する。そして、この術具によって、患者Ｐの体内の処置部位の処置を行う。本実施の形態において、手術用ロボット１は、アームの遠位端に鉗子を有するロボットである。しかし、アームのの遠位端の術具は鉗子に限られるものではなく、種々の術具を適用することができる。
内視鏡１０１は、術者Ｗが患者Ｐの体内を視認するためのものであり、遠位端にビデオカメラ及び照明を有する。そして、内視鏡１０１のビデオカメラによって撮影した画像は、表示装置１１４に表示される。これによって、術者Ｗは、患者Ｐの体内に位置するアームの遠位端及び術具の状態、並びに処置部位の状態を視認しながら、手術用ロボット１を操作し、手術を行うことができる。
そして、図２に示すように、手術用ロボット１は、集束管１０２に挿入され、集束される。集束管１０２は、可撓性を有し、中空の筒状に形成されている。
［ロボット本体の構成例］
図３は、手術用ロボット１のロボット本体２の遠位端の構成例を示す斜視図である。図４は、ロボット本体２の構成例を概略的に示す図である。
図２に示すように、手術用ロボット１は、ロボット本体２と、駆動部３と、制御器４（図１参照）と、操作部５（図１参照）と、案内管６と、を備える。
図２に示すように、ロボット本体２は、アーム２１と、アーム２１の遠位端２１ｂに設けられた鉗子（エンドエフェクタ）２２と、駆動力伝達機構２４と、を有する。更に、ロボット本体２は、ベース２３を有する。ベース２３は、駆動部３に取り付けることができるように構成されている。そして、ベース２３を駆動部３に取り付けることによって、ロボット本体２を駆動部３に連結することができる。
図５Ａは、ロボット本体２の遠位端の構成例を示す図であり、ロボット本体２の関節部２６を真っ直ぐに伸ばした状態を示す図である。図５Ｂは、ロボット本体２の遠位端の構成例を示す図であり、ロボット本体２の関節部２６を曲げた状態を示す図である。
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、アーム２１は、可撓性を有する中空の可撓シャフト２５と、関節部２６とを有する。
可撓シャフト２５は、例えば、筒状体である。そして、図２に示すように、可撓シャフト２５の近位端２５ａは、ベース２３に取り付けられ、固定されている。
可撓シャフト２５は、曲げ方向には可撓性を有する一方で、軸線方向には高い剛性を有する。また、可撓シャフト２５は、軸線周りの回転トルクに対しても剛性を有する。
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、関節部２６は、近位端（第１曲げ関節２７の近位端２７ａ）が可撓シャフト２５の遠位端２５ｂに連なる。関節部２６は、中空の筒状体であり、内部空間は、可撓シャフト２５の内部空間と連通している。
関節部２６は、第１曲げ関節２７と、第２曲げ関節２８と、接続部２９と、手首関節３０とを有する。第１曲げ関節２７と、第２曲げ関節２８と、接続部２９と、手首関節３０とは、同一軸線上に配設されている。関節部２６は、外周面が図示しないカバーによって覆われ、可撓シャフト２５と略同一の径を有する。
第１曲げ関節２７は、中空の筒状体であり、近位端２７ａが可撓シャフト２５の遠位端２５ｂに連なるように取り付けられている。なお、「連なる」とは、２つのものが直接接続されている場合のみならず、２つのものの間に他のものが介在し、間接的に接続されている場合も含む。
図８Ａは、ロボット本体２の遠位端の構成例を示すＢ－Ｂ矢視図である。図８Ｂは、ロボット本体２の遠位端の構成例を示すＣ－Ｃ矢視図である。
第１曲げ関節２７は、関節部２６の軸線方向に一列に連なった複数のコマ部材３１を有する。コマ部材３１は、関節部２６の軸線方向に延在する円柱状に形成されている。そして、コマ部材３１は、コマ部材３１の軸線及び後述する第１曲げ関節２７の曲げ方向と直交する方向から見て（すなわち、後述するピン３１ｆの延在方向から見て）、コマ部材３１の軸線から離れるに従ってコマ部材３１の軸線方向の厚さ寸法が小さくなるテーパー状に形成されている。すなわち、コマ部材３１は、図５Ａにおいて、上方及び下方に向かうに従って薄くなるように形成されている。これによって、第１曲げ関節２７を曲げたときにコマ部材３１の端面と当該端面に対峙する隣接するコマ部材３１の端面との干渉を回避している。
そして、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、コマ部材３１は、第１挿通孔３１ａと、一対の第２挿通孔３１ｂと、一対の第３挿通孔３１ｃとを有する。
第１挿通孔３１ａは、コマ部材３１の軸線上に形成され、後述するトルク伝達チューブ４４が挿通されている。そして、一列に連なった複数のコマ部材３１の第１挿通孔３１ａがアーム２１の延在方向に延在する第１経路Ｒ１を構成している。
一対の第２挿通孔３１ｂは、コマ部材３１の両端面を接続し、コマ部材３１の軸線と平行に延在している。一対の第２挿通孔３１ｂのうち一方は、コマ部材３１の軸線及び後述する第１曲げ関節２７の曲げ方向と直交する方向から見て（すなわち、後述するピン３１ｆの延在方向から見て）、コマ部材３１の軸線に対して一対の第２挿通孔３１ｂのうち他方が位置する側と反対側に位置している。すなわち、図５Ａにおいて、一対の第２挿通孔３１ｂのうち一方は、後述するピン３１ｆよりも上方に形成され、他方は後述するピン３１ｆよりも下方に形成されている。そして、後述する第１曲げ関節操作ケーブル４１の両端部が一対の第２挿通孔３１ｂにそれぞれ挿通されている。そして、一列に連なった複数のコマ部材３１の一対の第２挿通孔３１ｂがアーム２１の延在方向に延在する一対の第２経路Ｒ２を構成している。したがって、一対の第２経路Ｒ２のうち一方は、後述するピン３１ｆの延在方向から見て、コマ部材３１の軸線に対して一対の第２経路Ｒ２のうち他方が位置する側と反対側に位置している。
一対の第３挿通孔３１ｃは、コマ部材３１の両端面を接続し、コマ部材３１の軸線と平行に延在している。一対の第３挿通孔３１ｃのうち一方は、コマ部材３１の軸線及び後述する第１曲げ関節２７の曲げ方向と直交する方向から見て、コマ部材３１の軸線に対して一対の第３挿通孔３１ｃのうち他方が位置する側と反対側に位置している。すなわち、図５Ａにおいて、一対の第３挿通孔３１ｃのうち一方は、後述するピン３１ｆよりも上方に形成され、他方は後述するピン３１ｆよりも下方に形成されている。そして、後述する第２曲げ関節操作ケーブル４２の両端部が一対の第３挿通孔３１ｃにそれぞれ挿通されている。そして、一列に連なった複数のコマ部材３１の一対の第３挿通孔３１ｃがアーム２１の延在方向に延在する一対の第３経路Ｒ３を構成している。したがって、一対の第３経路Ｒ３のうち一方は、後述するピン３１ｆの延在方向から見て、コマ部材３１の軸線に対して一対の第３経路Ｒ３のうち他方が位置する側と反対側に位置している。
また、コマ部材３１の一方の端面からコマ部材３１の延在方向外側に向かって突出する一対の第１突出部３１ｄが形成され、更に、コマ部材３１の他方の端面からコマ部材３１の延在方向外側に向かって突出する一対の第２突出部３１ｅが形成されている。一対の第１突出部３１ｄと隣り合うコマ部材３１の一対の第２突出部３１ｅとは、一直線上に並ぶ一対のピン３１ｆによって連結されている。これによって、各コマ部材３１は、隣接するコマ部材３１に対して一対のピン３１ｆの軸線（揺動軸線）周りに揺動可能に連結されている。そして、コマ部材３１の各揺動軸線は互いに平行となるように構成され、第１曲げ関節２７は、コマ部材３１の軸線及び揺動軸線と直交する方向（以下、曲げ方向ともいう。）に第１曲げ関節２７の遠位端２７ｂが向かうように曲げ可能に構成されている。なお、図５Ａにおいて、コマ部材３１の軸線とは紙面の左右方向に延在する軸線であり、揺動軸線とは紙面の奥行方向に延在する軸線である。
上述の通り、一対の第２経路Ｒ２のうち一方は、後述するピン３１ｆの延在方向から見て、コマ部材３１の軸線に対して一対の第２経路Ｒ２のうち他方が位置する側と反対側に位置しているので、第１曲げ関節２７が曲げ動作を行うと一対の第２経路Ｒ２のうち曲げ方向内側に位置する第２経路Ｒ２の経路長は短くなり、曲げ方向外側に位置する第２経路Ｒ２は長くなる。同様に、一対の第３経路Ｒ３のうち一方は、後述するピン３１ｆの延在方向から見て、コマ部材３１の軸線に対して一対の第３経路Ｒ３のうち他方が位置する側と反対側に位置しているので、第１曲げ関節２７が曲げ動作を行うと一対の第３経路Ｒ３のうち曲げ方向内側に位置する第３経路Ｒ３の経路長は短くなり、曲げ方向外側に位置する第３経路Ｒ３は長くなる。
第２曲げ関節２８は、第１曲げ関節２７と同様の構成であるので、その説明を省略する。
接続部２９は、中空の筒状体であり、第１曲げ関節２７と第２曲げ関節２８とを接続している。
手首関節３０は、鉗子２２をアーム２１の遠位端２１ｂの軸線Ｌ周りに回動させる。手首関節３０は、アーム２１の軸線（関節部２６の軸線）と直交する平面上に延在する板状体であり、中央部に手首関節３０の近位端側の面と遠位端側の面を接続する貫通孔３０ａが設けられている。貫通孔３０ａは、後述する鉗子操作ケーブル４３が挿通される孔であり、アーム２１の遠位端２１ｂの軸線上に形成されている。そして、手首関節３０は、図示しない軸受けを介して、第２曲げ関節２８の遠位端２８ｂに連なるように取り付けられている。したがって、手首関節３０は、可撓シャフト２５、第１曲げ関節２７、及び第２曲げ関節２８に対して、手首関節３０の軸線周り（アーム２１の遠位端２１ｂの軸線Ｌ周り）に回動可能に構成されている。
また、手首関節３０の近位端側の面であって、貫通孔３０ａの周縁部には、後述するトルク伝達チューブ４４の遠位端４４ｂが固定されている（図６参照）。
エンドエフェクタは、術具であり、本実施の形態において、鉗子２２である。鉗子２２は、手首関節３０の遠位端側の面に取り付けられている。すなわち、鉗子２２は、関節部２６の遠位端（第２曲げ関節２８の遠位端２８ｂ）に連なる。
また、鉗子２２は、操作ケーブル連結部を有する開閉動作作動機構（図示せず）を備える。操作ケーブル連結部は、後述する鉗子操作ケーブル４３の遠位端４３ａが連結される部分である。鉗子２２の開閉動作作動機構は、操作ケーブル連結部が所定方向に動かされると、その移動量に応じて鉗子を所定量開閉する機構である。また、操作ケーブル連結部は、図示しない付勢機構によって、鉗子操作ケーブル４３の近位端から遠位端４３ａに向かう方向に付勢されている。これによって、鉗子操作ケーブル４３を遠位端４３ａから近位端に向かう方向に牽引すると、操作ケーブル連結部は、上記付勢機構の付勢力に抗して鉗子操作ケーブル４３の遠位端４３ａの移動方向に動かされ、例えば閉動作を行い、対象物の把持動作を行う。また、鉗子操作ケーブル４３を近位端から遠位端４３ａに向かう方向に送り出すと、鉗子操作ケーブル４３は撓むが、付勢機構がこの撓みを吸収するように、操作ケーブル連結部を上記鉗子操作ケーブル４３の遠位端４３ａの移動方向とは反対方向に移動させ、例えば開動作を行い、対象物の解放動作を行う。
このように、アーム２１の近位端２１ａから遠位端２１ｂまでの内部空間は連通しており、内部に後述する駆動力伝達機構２４の第１曲げ関節操作ケーブル４１、第２曲げ関節操作ケーブル４２、鉗子操作ケーブル４３、及びトルク伝達チューブ４４が挿通されている。
駆動力伝達機構２４は、駆動部３の後述するロボット本体駆動機構５１の駆動力を可撓シャフト２５の遠位端２５ｂに連なる機構に伝達する機構である。すなわち、駆動力伝達機構２４は、ロボット本体駆動機構５１と第１曲げ関節２７、ロボット本体駆動機構５１と第２曲げ関節２８、ロボット本体駆動機構５１と手首関節３０、及びロボット本体駆動機構５１と鉗子２２とをそれぞれ接続し、ロボット本体駆動機構５１の駆動力を、第１曲げ関節２７、第２曲げ関節２８、手首関節３０、及び鉗子２２に伝達する機構である。図３及び図４に示すように、駆動力伝達機構２４は、第１曲げ関節操作ケーブル４１と、第１曲げ関節操作ケーブル作動部（図示せず）と、第２曲げ関節操作ケーブル４２と、第２曲げ関節操作ケーブル作動部（図示せず）と、鉗子操作ケーブル４３と、鉗子操作ケーブル作動部（図示せず）と、トルク伝達チューブ４４と、トルク伝達チューブ回動部（図示せず）と、を有する。
図７Ａは、ロボット本体２の遠位端の構成例を示す図であり、第１曲げ関節操作ケーブル４１の構成例を示す図である。
第１曲げ関節操作ケーブル４１は、図７Ａに示すように、両端部４１ａが第１曲げ関節２７の遠位端２７ｂに位置するコマ部材３１に固定されている。
そして、第１曲げ関節操作ケーブル４１は、一方の端部４１ａから中間部に向かって延びる部分が、第１曲げ関節２７の一対の第２経路Ｒ２のうち一方、及び可撓シャフト２５の内部空間を通り、ベース２３の内部空間まで延びている。また、他方の端部４１ａから中間部に向かって延びる部分が、第１曲げ関節２７の一対の第２経路Ｒ２のうち他方、及び可撓シャフト２５の内部空間を通り、ベース２３の内部空間まで延びている。
第１曲げ関節操作ケーブル作動部は、ベース２３の内部に設けられ、駆動部３の駆動力によって、ベース２３の内部空間に位置する第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部を第１曲げ関節操作ケーブル４１の延在方向に移動させる機構である。そして、駆動部３の駆動力によって第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部が第１曲げ関節操作ケーブル４１の延在方向における一方側に移動すると、第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部から何れか一方の端部４１ａに亘る部分が牽引され、当該一方の端部４１ａがアーム２１の近位端２１ａに向かって移動する。これによって、第１曲げ関節２７の一対の第２経路Ｒ２のうち、第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部から前記一方の端部４１ａ側の部分が挿通されている一方の経路長が短くなり、第１曲げ関節２７は、当該一方の第２経路Ｒ２が位置する側に曲がるように曲げ動作を行う。また、第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部から他方の端部４１ａに亘る部分は送り出され、一対の第２経路Ｒ２のうち経路長が長くなった他方の経路に送り込まれる。
一方、駆動部３の駆動力によって第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部が第１曲げ関節操作ケーブル４１の延在方向における他方側に移動すると、第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部から他方の端部４１ａに亘る部分が牽引され、当該他方の端部４１ａがアーム２１の近位端２１ａに向かって移動する。これによって、第１曲げ関節２７の一対の第２経路Ｒ２のうち、第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部から前記他方の端部４１ａが挿通されている他方の経路長が短くなり、第１曲げ関節２７は、当該他方の第２経路Ｒ２が位置する側に曲がるように曲げ動作を行う。また、第１曲げ関節操作ケーブル４１の中間部から一方の端部４１ａに亘る部分は送り出され、経路長が長くなった一対の第２経路Ｒ２のうち一方の経路に送り込まれる。
図７Ｂは、ロボット本体２の遠位端の構成例を示す図であり、第２曲げ関節操作ケーブル４２の構成例を示す図である。
第２曲げ関節操作ケーブル４２は、図７Ｂに示すように、両端部４２ａが第２曲げ関節２８の遠位端２８ｂに位置するコマ部材３１に固定されている。そして、第２曲げ関節操作ケーブル４２は、一方の端部４２ａから中間部に向かって延びる部分が、第２曲げ関節２８の一対の第３経路Ｒ３のうち一方、接続部２９、第１曲げ関節２７の一対の第３経路Ｒ３のうち一方、及び可撓シャフト２５の内部空間を通り、ベース２３の内部空間まで延びている。また、他方の端部４２ａから中間部に向かって延びる部分が、第２曲げ関節２８の一対の第３経路Ｒ３のうち他方、接続部２９、第１曲げ関節２７の一対の第３経路Ｒ３のうち他方、及び可撓シャフト２５の内部空間を通り、ベース２３の内部空間まで延びている。
第２曲げ関節操作ケーブル作動部は、ベース２３の内部に設けられ、駆動部３の駆動力によって、ベース２３の内部空間に位置する第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部を第２曲げ関節操作ケーブル４２の延在方向に移動させる機構である。そして、駆動部３の駆動力によって第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部が第２曲げ関節操作ケーブル４２の延在方向における一方側に移動すると、第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部から何れか一方の端部４２ａに亘る部分が牽引され、当該一方の端部４２ａがアーム２１の近位端２１ａに向かって移動する。これによって、第２曲げ関節２８の一対の第３経路Ｒ３のうち、第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部から前記一方の端部４２ａ側の部分が挿通されている一方の経路長が短くなり、第２曲げ関節２８は、当該一方の第３経路Ｒ３が位置する側に曲がるように曲げ動作を行う。また、第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部から他方の端部４２ａに亘る部分は送り出され、一対の第３経路Ｒ３のうち経路長が長くなった他方の経路に送り込まれる。
一方、駆動部３の駆動力によって第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部が第２曲げ関節操作ケーブル４２の延在方向における他方側に移動すると、第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部から他方の端部４２ａに亘る部分が牽引され、当該他方の端部４２ａがアーム２１の近位端２１ａに向かって移動する。これによって、第２曲げ関節２８の一対の第３経路Ｒ３のうち、第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部から前記他方の端部４２ａが挿通されている他方の経路長が短くなり、第２曲げ関節２８は、当該他方の第３経路Ｒ３が位置する側に曲がるように曲げ動作を行う。また、第２曲げ関節操作ケーブル４２の中間部から一方の端部４２ａに亘る部分は送り出され、経路長が長くなった一対の第３経路Ｒ３のうち一方の経路に送り込まれる。
鉗子操作ケーブル（エンドエフェクタ操作ケーブル）４３は、上述の通り、遠位端４３ａが鉗子２２に取り付けられている。そして、鉗子操作ケーブル４３は、遠位端４３ａから近位端に向かって延びる部分が、手首関節３０の貫通孔３０ａ（図６参照）、及びトルク伝達チューブ４４の内部空間（関節部２６及び可撓シャフト２５の内部空間）を通り、近位端が、ベース２３の内部空間に位置している。すなわち、鉗子操作ケーブル４３は、トルク伝達チューブ４４に挿通されている。
鉗子操作ケーブル作動部は、ベース２３の内部に設けられ、駆動部３の駆動力によって、ベース２３の内部空間に位置する鉗子操作ケーブル４３の近位端をアーム２１の軸線方向に牽引する機構である。そして、駆動部３の駆動力によって鉗子操作ケーブル４３の近位端が牽引されると、アーム２１に対して鉗子操作ケーブル４３が鉗子操作ケーブル４３の延在方向に移動し、その結果鉗子２２が動作するように構成されている。
図６は、手首関節３０の構成例を示す一部破断図である。
トルク伝達チューブ４４は、可撓性を有し、筒状に形成されている。そして、トルク伝達チューブ４４は、近位端にかかるトルクを任意の方向に向けた遠位端４４ｂに伝達することができるものである。すなわち、トルク伝達チューブ４４は、近位端を回動させることによって、任意の形状に曲げた中間部分を介して、遠位端４４ｂを近位端の回動量に応じて回動させるように構成されている。そして、トルク伝達チューブ４４は、図７に示すように、遠位端４４ｂが手首関節３０の貫通孔３０ａの周縁部に固定されている。そして、トルク伝達チューブ４４は、遠位端４４ｂから近位端に向かって延びる部分が、第２曲げ関節２８の第１経路Ｒ１、接続部２９、第１曲げ関節２７の第１経路Ｒ１、及び可撓シャフト２５の内部空間を通り、近位端が、ベース２３の内部空間に位置している。
トルク伝達チューブ回動部は、ベース２３の内部に設けられ、駆動部３の駆動力によって、トルク伝達チューブ４４の近位端を回動させる機構である。そして、トルク伝達チューブ４４の近位端が回動すると、トルク伝達チューブ４４の遠位端４４ｂが従動して回動し、手首関節３０が回動するように構成されている。
なお、上記鉗子操作ケーブル４３は、鉗子２２から手首関節３０の貫通孔３０ａを通ってトルク伝達チューブ４４の遠位端４４ｂからトルク伝達チューブ４４の内部空間に引き込まれ、このトルク伝達チューブ４４の内部空間を通ってベース２３まで延び、ベース２３の内部空間において、トルク伝達チューブ４４の近位端からトルク伝達チューブ４４の外側に引き出されている。したがって、鉗子操作ケーブル４３は、トルク伝達チューブ４４の中心軸又はその近傍に沿って延在している。トルク伝達チューブ４４の近位端から遠位端４４ａまでの中心軸沿いの経路長は、アーム２１を伸ばした状態と曲げた状態において殆ど変化しないので、アーム２１を曲げることによって、鉗子操作ケーブル４３がその延在方向に動かされ、鉗子２２が動作することを防止することができる。また、鉗子操作ケーブル４３が第１曲げ関節操作ケーブル４１及び第２曲げ関節操作ケーブル４２と接触することを防止することができ、第１曲げ関節操作ケーブル４１又は第２曲げ関節操作ケーブル４２が動作したときに、予期せず鉗子操作ケーブル４３が動作することを防止することができる。
また、第１曲げ関節操作ケーブル４１及び第２曲げ関節操作ケーブル４２は、可撓シャフト２５とトルク伝達チューブ４４との間に位置する空間を通ってベース２３まで延びている。したがって、第１曲げ関節操作ケーブル４１及び第２曲げ関節操作ケーブル４２の動作と鉗子操作ケーブル４３及びトルク伝達チューブ４４の動作とを分離することができる。したがって、鉗子２２の動作及び手首関節３０の動作から独立して第１曲げ関節２７及び第２曲げ関節２８を動作させることができる。
そして、トルク伝達チューブ４４は、可撓性を有しているので、可撓シャフト２５、と共に曲げることができる。
図２に示すように、案内管６は、可撓性の筒状体であり、可撓シャフト２５が挿通されている。そして、図２に示す使用状態において、可撓シャフト２５の遠位端２５ｂは、案内管６の遠位端６ｂから突出している。よって、関節部２６及び鉗子２２は、案内管６の遠位端６ｂから突出した状態にある。また、案内管６の長さ寸法は、可撓シャフト２５の長さ寸法よりも短く形成されている。更に、案内管６は、可撓シャフト２５、関節部２６、及び鉗子２２を挿通することができる大きさに形成されている。したがって、案内管６の近位端６ａから鉗子２２、関節部２６、及び可撓シャフト２５を挿入し、ロボット本体２の遠位端を送り込むことによって、ロボット本体２の遠位端を案内管６の遠位端６ｂに向かって送り込み、案内管６の遠位端６ｂから鉗子２２、関節部２６、及び可撓シャフト２５の遠位端２５ｂを突出させることができる。そして、案内管６は、挿入された各手術用ロボット１及び内視鏡１０１を案内管６の延在方向に滑らかに動かすことができるように構成され、また、挿入された各手術用ロボット１及び内視鏡１０１を案内管６の軸線周りに滑らかに回動させることができるように構成されている。
本実施の形態において、案内管６は、集束管１０２と別体であるが、集束管１０２と一体的に構成されていてもよい。
また、案内管６は、遠位端６ｂを湾曲させる遠位端湾曲機構を有する。遠位端湾曲機構は、図示しない操作部を操作することによって、遠位端６ｂを所定の向きに湾曲させることができるように構成されている。すなわち、案内管６は、案内管６の軸線を含む仮想の平面内で案内管６の軸線と直交する方向に案内管６の遠位端６ｂが向かうように曲げ可能に構成されている。したがって、遠位端湾曲機構によって案内管６の遠位端６ｂを湾曲させると、案内管６の内部空間に挿通されている可撓シャフト２５が湾曲し、更に可撓シャフト２５の内部空間に挿通されている第１曲げ関節操作ケーブル４１、第２曲げ関節操作ケーブル４２、トルク伝達チューブ４４、及び鉗子操作ケーブル４３が湾曲する。上述の通り、アーム２１は、第１曲げ関節２７及び第２曲げ関節２８によっても湾曲するように構成されているので、ロボット本体２のアーム２１は、患部の近傍で、３ヶ所湾曲するように構成されている。したがって、ロボット本体２の操作性を向上させることができる。
更に、案内管６は、曲げ方向の剛性が可撓シャフト２５の曲げ方向の剛性よりも大きく構成されている。これによって、可撓シャフト２５をその軸線周りに回動させたときに、案内管６が変形することを防止することができ、可撓シャフト２５の延在方向を維持した状態で、可撓シャフト２５の角度位置を変更することができる。
［駆動部の構成例］
図２に示すように、駆動部３は、ロボット本体２を駆動するロボット本体駆動機構５１を有する。
図６に示すように、ロボット本体駆動機構５１は、第１曲げ関節駆動部３５、第２曲げ関節駆動部３６、手首関節駆動部３８、鉗子駆動部（エンドエフェクタ駆動部）３７を有する。第１曲げ関節駆動部３５、第２曲げ関節駆動部３６、手首関節駆動部３８、及び鉗子駆動部３７は、例えばサーボモータを含む。
第１曲げ関節駆動部３５は、ベース２３をロボット本体駆動機構５１に取り付けることによって、第１曲げ関節操作ケーブル４１と接続され、その駆動力により、第１曲げ関節操作ケーブル４１を第１曲げ関節操作ケーブル４１の延在方向に移動（往復動）させる。これによって、第１曲げ関節２７が曲げ動作を行う。
第２曲げ関節駆動部３６は、ベース２３をロボット本体駆動機構５１に取り付けることによって、第２曲げ関節操作ケーブル４２と接続され、その駆動力により、第２曲げ関節操作ケーブル４２を第２曲げ関節操作ケーブル４２の延在方向に移動（往復動）させる。これによって、第２曲げ関節２８が曲げ動作を行う。
手首関節駆動部３８は、ベース２３をロボット本体駆動機構５１に取り付けることによって、トルク伝達チューブ４４と接続され、その駆動力により、トルク伝達チューブ４４の近位端を回動させる。これによって、手首関節３０が回動し、鉗子２２が軸線Ｌ周りに回動する。
鉗子駆動部３７は、ベース２３をロボット本体駆動機構５１に取り付けることによって、鉗子操作ケーブル４３と接続され、その駆動力により、鉗子操作ケーブル４３を鉗子操作ケーブル４３の延在方向に移動（往復動）させる。これによって、鉗子２２が開閉する。
［制御器及び操作部の構成例］
図９は、制御器４の構成例を示すブロック図である。
ロボット本体２が備える制御器４は、例えば、ＣＰＵ等の演算器を有する制御部８１と、ＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリを有する記憶部８２とを備えている。制御部８１は、集中制御する単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。制御部８１は、操作部５から受信したデータに基づいて各手術用ロボット１のロボット本体駆動機構５１の動作を制御し、手術用ロボット１の動作を制御する。また、制御部８１は、内視鏡１０１から受信した画像データを処理し、表示装置１１４に送信する。記憶部８２には所定の制御プログラムが記憶されていて、制御部８１がこれらの制御プログラムを読み出して実行することにより、手術用ロボット１の動作が制御される。
操作部５は、術者Ｗが操作して、手術用ロボット１によって実行されるべき動作命令を入力するためのものである。操作部５は、制御部８１と通信可能に構成されている。そして、操作部５は、術者Ｗによって入力された手術用ロボット１によって実行されるべき動作命令をデータに変換し、制御部８１に送信する。
［使用例］
次に、手術用ロボット１の使用例を説明する。
まず、図２に示すように、１以上の案内管６を集束管１０２の近位端１０２ａの開口から集束管１０２に挿入し、集束管１０２の遠位端１０２ｂから案内管６の遠位端６ｂが突出するまで送り込む。また、内視鏡１０１についても同様に、集束管１０２の遠位端１０２ｂから内視鏡１０１の遠位端が突出するまで送り込む。
次に、患者Ｐの体表の１以上の手術用ロボット１及び内視鏡１０１を挿入する部位にトロッカー１１０を留置する。
次に、患者Ｐの体表に留置したトロッカー１１０に集束管１０２を挿入し、内視鏡１０１によって患者Ｐの体内を視認し、集束管１０２の遠位端１０２ｂを患者Ｐの処置部位の近傍に位置させる。なお、集束管１０２、内視鏡１０１、及び案内管６は、可撓性を有するので、トロッカー１１０が留置されている部位と処置部位とを通る仮想の直線上に、例えば患者Ｐの臓器が位置する場合であっても、集束管１０２、内視鏡１０１、及び案内管６を湾曲させることによって、この臓器を迂回し集束管１０２の遠位端１０２ｂを処置部位の近傍に導入することができる。
次に、１以上の手術用ロボット１のロボット本体２のアーム２１を案内管６の近位端６ａの開口から案内管６に挿入し、案内管６の遠位端６ｂから可撓シャフト２５の遠位端２５ｂが突出するまで送り込む。これによって、１以上の手術用ロボット１及び内視鏡１０１は、集束管１０２によって集束され、これらを一体的に患者Ｐの処置部位の近傍に導入することができる。
なお、上述の通り、案内管６、第１曲げ関節２７、第２曲げ関節２８、可撓シャフト２５、第１曲げ関節操作ケーブル４１、第２曲げ関節操作ケーブル４２、トルク伝達チューブ４４、及び鉗子操作ケーブル４３は、何れも曲げ可能に構成されているので、患者Ｐの体内に導入された集束管１０２が湾曲している場合であっても、案内管６及びアーム２１を集束管１０２に送り込むことによって、集束管１０２の内部の湾曲した経路に沿って案内管６及びアーム２１が湾曲し、集束管１０２の遠位端１０２ｂから案内管６及びアーム２１の遠位端２１ｂを突出させることができる。
次に、ベース２３をロボット本体駆動機構５１に取り付け、ロボット本体２の駆動力伝達機構２４と、ロボット本体駆動機構５１とを連結する。これによって、ロボット本体駆動機構５１の駆動力が駆動力伝達機構２４の第１曲げ関節操作ケーブル作動部、第２曲げ関節操作ケーブル作動部、鉗子操作ケーブル作動部、及びトルク伝達チューブ回動部を介して、第１曲げ関節２７、第２曲げ関節２８、鉗子２２、及び手首関節３０に伝達されるようになる。
次に、各手術用ロボット１の案内管６の遠位端湾曲機構の操作部を操作し、案内管６の遠位端６ｂを湾曲させる。これによって、アーム２１の遠位端２１ｂを集束管１０２の遠位端１０２ｂの軸線と直交する方向に移動させることができ、各手術用ロボット１のアーム２１の遠位端２１ｂを互いに離間させることができる。よって、手術用ロボット１の動作時に、各手術用ロボット１のアーム２１の遠位端２１ｂ同士が干渉することを防止することができ、手術用ロボット１の操作性を向上させることができる。
次に、術者Ｗは、内視鏡１０１のビデオカメラによって撮影され、表示装置１１４に表示される画像を確認しながら、操作部５を操作する。そして、制御部８１は、操作部５から受信したデータに基づいてロボット本体駆動機構５１の動作を制御し、手術用ロボット１の動作を制御する。
このとき、制御部８１は、手術用ロボット１によって実行されるべき動作命令に、第１曲げ関節２７を曲げる動作命令が含まれていると判定すると、制御部８１は、ロボット本体駆動機構５１を駆動し、第１曲げ関節２７を曲げる。これによって、鉗子２２は、第１曲げ関節２７の曲げ方向に移動する。
また、制御部８１は、手術用ロボット１によって実行されるべき動作命令に、第２曲げ関節２８を曲げる動作命令が含まれていると判定すると、制御部８１は、ロボット本体駆動機構５１を駆動し、第２曲げ関節２８を曲げる。これによって、鉗子２２は、第２曲げ関節２８の曲げ方向に移動する。
更に、制御部８１は、手術用ロボット１によって実行されるべき動作命令に、鉗子２２に把持動作又は解放動作を行わせる動作命令が含まれていると判定すると、制御部８１は、ロボット本体駆動機構５１を駆動し、鉗子２２に把持動作又は解放動作を行わせる。
また、制御部８１は、手術用ロボット１によって実行されるべき動作命令に、手首関節３０を回動させる動作命令が含まれていると判定すると、制御部８１は、ロボット本体駆動機構５１を駆動し、手首関節３０を回動させる。このように、任意の形状に曲げた中間部分を介して、遠位端４４ｂを近位端の回動量に応じて回動させることができるトルク伝達チューブ４４の回動によって手首関節３０を回動させるので、可撓シャフト２５及びトルク伝達チューブ４４が曲げられた状態であっても、また、可撓シャフト２５及びトルク伝達チューブ４４を曲げながらでも手首関節３０を精確に回動させることができる。
そして、ロボット本体２のアーム２１の近位端２１ａを案内管６に更に挿し込み、案内管６の遠位端６ｂからの可撓シャフト２５の遠位端２５ｂの突出量を大きくすることによって、鉗子２２を処置部位に近づけることができる。また、ロボット本体２のアーム２１の近位端２１ａを案内管６から引き出し、案内管６の遠位端６ｂからの可撓シャフト２５の遠位端２５ｂの突出量を少なくすることによって、鉗子２２を処置部位から遠ざけることができる。上述の通り、可撓シャフト２５は、軸線方向には高い剛性を有するので、アーム２１の近位端２１ａを軸線方向に移動させることによって、可撓シャフト２５の遠位端２５ｂを軸線方向に追従して移動させることができる。
なお、案内管６に対するアーム２１の挿し込み及び引き出しは、例えば、ロボット本体２を可撓シャフト２５の近位端２５ａの軸線方向に移動させることによって行ってもよい。
そして、案内管６の遠位端６ｂからの可撓シャフト２５の遠位端２５ｂの突出量は、例えば、０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内で行われる。これによって、可撓シャフト２５の撓みに起因する鉗子２２の位置と目標位置との誤差を抑えることができ、且つ鉗子２２の可動範囲を拡げることができるので、手術用ロボット１の操作性を向上させることができる。
以上に説明したように、本発明の手術用ロボット１は、可撓シャフト２５の遠位端２５ｂに連なる第１曲げ関節２７及び第２曲げ関節２８によってアーム２１を曲げて、鉗子２２の向きを変えることができるので、処置部位の近傍で鉗子２２を目標の向きに向けることができる。また、アーム２１の延在方向における鉗子２２に対する第１曲げ関節２７及び第２曲げ関節２８の相対的な位置は不変であるので、術者Ｗは第１曲げ関節２７又は第２曲げ関節２８を曲げることによって鉗子２２がどのように動くかを予測し易い。
更に、手首関節３０を回動させることにより、目標の向きに向けた鉗子２２の軸線周りの角度位置を調整することができる。
また、手首関節３０の回動は、トルク伝達チューブ４４を回動させることによって行われるので、可撓シャフト２５、第１曲げ関節２７、及び第２曲げ関節２８を曲げたときに手首関節３０が動くことを防止することができる。すなわち、例えば、手首関節３０を可撓シャフト２５に挿通したケーブルをケーブルの延在方向に動作させることによって動作させるように構成されている場合、可撓シャフト２５、第１曲げ関節２７、及び第２曲げ関節２８を曲げたときにこれらの内部空間の経路長が変化し、遠位端がこれによってケーブルが動作する結果、手首関節３０が予期せず動作する場合があった。本発明の手術用ロボット１は、可撓シャフト２５、第１曲げ関節２７、及び第２曲げ関節２８を曲げてもトルク伝達チューブ４４がその軸線周りに回動しないので、可撓シャフト２５、第１曲げ関節２７、及び第２曲げ関節２８を曲げたときに手首関節３０が予期せず動作することを防止することができる。
このようにして、手術用ロボット１の操作性を向上させることができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
１ 手術用ロボット
２ ロボット本体
３ 駆動部
４ 制御器
５ 操作部
６ 案内管
２１ アーム
２２ 鉗子
２３ ベース
２４ 駆動力伝達機構
２５ 可撓シャフト
２６ 関節部
２７ 第１曲げ関節
２８ 第２曲げ関節
２９ 接続部
３０ 手首関節
３１ コマ部材
３２ 操作ケーブル連結部
３５ 第１曲げ関節駆動部
３６ 第２曲げ関節駆動部
３７ 鉗子駆動部
３８ 手首関節駆動部
４１ 第１曲げ関節操作ケーブル
４２ 第２曲げ関節操作ケーブル
４３ 鉗子操作ケーブル
４４ トルク伝達チューブ
５１ ロボット本体駆動機構
８１ 制御部
８２ 記憶部
１００ 手術用ロボットシステム
１０１ 内視鏡
１０２ 集束管
１１０ トロッカー
１１１ 手術台
１１３ 手術用ロボット支持台
１１４ 表示装置

Claims (6)

  1. 可撓性を有しており関節を備えていない中空の筒状体からなる可撓シャフトと、近位端が前記可撓シャフトの遠位端に連なり、その軸線と直交する方向に曲げ可能である中空の曲げ関節と、前記曲げ関節の遠位端に連なり、その軸線周りに回動可能である手首関節と、前記手首関節に取り付けられたエンドエフェクタと、可撓性を有し、前記可撓シャフト及び前記曲げ関節に挿通されて遠位端が前記手首関節に取り付けられている中空のトルク伝達チューブと、遠位端が前記曲げ関節に取り付けられており、前記可撓シャフトと前記トルク伝達チューブとの間の空間に挿通されている曲げ関節操作ケーブルと、を含むロボット本体であって、前記曲げ関節は、前記曲げ関節操作ケーブルが該曲げ関節操作ケーブルの延在方向に動作することによって曲げ動作を行うように構成されているロボット本体と、
    前記可撓シャフトが挿通され、可撓性を有する筒状体からなり、前記曲げ関節、前記手首関節および前記エンドエフェクタが遠位端から突出するように前記可撓シャフトを延在方向に案内する案内管と、
    第１モータを含み、前記第１モータの駆動力により前記曲げ関節操作ケーブルを該曲げ関節操作ケーブルの延在方向に動作させる曲げ関節駆動部と、第２モータを含み、前記第２モータの駆動力により前記トルク伝達チューブの近位端を回動させる手首関節駆動部とを含むロボット本体駆動機構と、を備え、
    前記ロボット本体は、前記可撓シャフトの近位端が取り付けられたベースを含み、前記ベースを介して前記ロボット本体駆動機構に取り付け可能に構成され、
    前記ロボット本体駆動機構は、前記ロボット本体の前記ベースを取り付けるように構成され、前記曲げ関節駆動部は、前記第１モータの駆動力により前記曲げ関節操作ケーブルを動作させるように構成され、前記手首関節駆動部は、前記第２モータの駆動力により前記トルク伝達チューブの近位端を回動させるように構成されている、手術用ロボット。
  2. 前記案内管は、その遠位端を湾曲させる遠位端湾曲機構を有する、請求項１に記載の手術用ロボット。
  3. 前記案内管の曲げ方向の剛性が前記可撓シャフトの曲げ方向の剛性よりも大きく構成されている、請求項１又は２に記載の手術用ロボット。
  4. 前記ロボット本体は、前記トルク伝達チューブに挿通され、遠位端が前記エンドエフェクタに取り付けられているエンドエフェクタ操作ケーブルを有し、
    前記エンドエフェクタは、前記エンドエフェクタ操作ケーブルが該エンドエフェクタ操作ケーブルの延在方向に動作することによって動作するように構成され、
    前記ロボット本体駆動機構は、その駆動力により前記エンドエフェクタ操作ケーブルを該エンドエフェクタ操作ケーブルの延在方向に動作させるエンドエフェクタ駆動部を含む、請求項１乃至３の何れかに記載の手術用ロボット。
  5. 前記エンドエフェクタは鉗子である、請求項１乃至４の何れかに記載の手術用ロボット。
  6. 前記手術用ロボットは、複数の前記ロボット本体駆動機構と、複数の前記ロボット本体と、複数の前記案内管と、前記複数の前記案内管を集束する集束菅と、を備える、請求項１乃至５の何れかに記載の手術用ロボット。
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