JP7289578B2 - 操作装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 令和元年１２月１２日にウェブサイトｈｔｔｐｓ：／／ｏｎｌｉｎｅｌｉｂｒａｒｙ．ｗｉｌｅｙ．ｃｏｍ／ｄｏｉ／ｆｕｌｌ／１０．１００２／ｒｃｓ．２０６５に掲載 令和２年３月３日にウェブサイトｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／２０２０／０４６３６７に掲載 令和２年５月３１日にウェブサイトｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／９１９６５４７に掲載

本発明は、マニピュレータに用いられる操作装置に関する。

近年、内視鏡を用いた手術において手術支援ロボットの使用が増加しており、様々な医療分野での活用が広がっている。手術支援ロボットでは、操作者が自分の手元のマニピュレータを操作することで、患者の体内に挿入されたマニピュレータを操作する「マスタ・スレーブ」と呼ばれる操作方式が一般的である。マスタ・スレーブシステムでは、操作者の動きを入力する機器を「マスタ機」、マスタ機の制御下で動作する機器を「スレーブ機」と呼ぶ。手術支援ロボットの場合は、操作者の手元のマニピュレータがマスタ機、患者の体内に挿入されたマニピュレータがスレーブ機にあたる。

手術支援ロボットにおけるマスタ機の操作は、親指と人差し指でつまむピンチグリップ式と、手のひら全体で握るパワーグリップ式がある。ピンチグリップ式は繊細な作業に適しているが手指への負担が大きく、逆にパワーグリップ式は繊細な作業ではピンチグリップ式に劣るが、操作者に対する負担は小さい。

例えば、特許文献１には、マスタ機の操作を行う操作ハンドルが開示されている。この操作ハンドルは、細長い形状のマスタ操作本体部に対して操作者の二本の指を用いて開閉する一対の操作部が設けられており、一対の操作部の開閉により把持鉗子などの開閉操作が可能な手術器具の開閉操作が行われる。また、マスタ操作本体部の端部には、操作者の手のひらにより把持される把持部が着脱可能に装着されている。そして、操作ハンドル全体を３次元の操作領域内で動かすことで、スレーブ機のスレーブマニピュレータの手術器具の位置及び姿勢を制御するように構成されている。

国際公開第１９／０２６６５４号

しかしながら、前述の操作ハンドルは、スレーブ機のスレーブマニピュレータの手術器具の位置及び姿勢を制御する際に、操作者の手又は指によって全体が動かされる。そのため、把持部を外して指だけでスレーブマニピュレータの手術器具の位置や姿勢を制御しようとすると、従来のピンチグリップ式と同様に操作者の手指への負担が大きくなる。一方、把持部を装着した状態で手のひら全体でスレーブマニピュレータの手術器具の位置や姿勢を制御しようとすると、従来のパワーグリップ式と同様に繊細な作業が難しくなる。

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、操作者の操作の負担を低減するとともに、繊細な作業が可能な新たな操作部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操作装置は、遠隔操作の際に用いられる操作装置であって、主に操作者の手のひらで把持されるグリップ部と、主に操作者の指でつままれるピンチ部と、を備える。ピンチ部は、グリップ部に対して回動するとともに、グリップ部に対してスライドするように構成されている。

この態様によると、操作装置全体をパワーグリップ式として動かすだけでなく、手のひらでグリップ部を把持しながらピンチ部を回動したりスライドさせたりできる。そのため、パワーグリップ式とピンチグリップ式の両方の機能を兼ね備えることができ、操作者の操作の負担を低減するとともに、繊細な作業が可能となる。

グリップ部は、手のひらで直接保持される第１の保持部と、第１の保持部に対して相対的に回転可能な回転部と、を有してもよい。ピンチ部は、指で直接保持される第２の保持部と、第２の保持部をグリップ部に対して離間又は接近するようにガイドするガイド部と、を有してもよい。これにより、グリップ部の第１の保持部を手のひらで固定した状態で回転部が回転できる。また、第２の保持部を指でつまみながらグリップ部に対して離間したり接近させたりできる。

回転部は、第１の保持部の内部に設けられた回転軸であり、ガイド部は、回転軸に結合しており、かつ、回転軸と交差する方向に延びているガイドレールを有していてもよい。これにより、第２の保持部をグリップ部に対して所定の方向に動かすことができる。

第２の保持部は、回転軸に対して±５ｍｍ以上動くようにガイドレールにガイドされていてもよい。

互いに交差する３つの軸を中心として回動可能に構成され、第２の保持部を移動可能に支持するジンバル部を更に備えてもよい。これにより、操作装置の移動情報は、ジンバル部を介して、例えば、スレーブ機のマニピュレータの位置や姿勢の制御に利用できる。

第２の保持部は、ジンバル部の３つの軸が交差する点を基準にグリップ部に対してスライドしてもよい。これにより、スレーブ機のマニピュレータの特定の位置の動きとピンチ部のスライドを対応させることができる。

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、操作者の操作の負担を低減するとともに、繊細な作業が可能な新たな操作部を実現できる。

本実施の形態に係る操作装置の概略構成を示す側面図である。 本実施の形態に係る操作装置の概略構成を示す上面図である。 本実施の形態に係る操作装置が備えるジンバル部の概略構成を説明するための側面図である。 本実施の形態に係る操作装置が備えるジンバル部の概略構成を説明するための上面図である。 図５（ａ）～図５（ｄ）は、操作装置の可動範囲を説明するための模式図である。

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。

本実施の形態に係る操作装置は、マスタスレーブ方式の手術支援ロボットにおけるマスタ側マニピュレータの操作に用いられる。手術支援ロボットとしては、例えば、内視鏡外科手術に用いられる鉗子の操作を行うものが挙げられる。なお、操作装置の用途は手術支援ロボットに限らない。例えば、物流工場や製造工場において用いられるロボットを遠隔操作する際の入力装置として用いてもよい。特に、繊細な作業を長時間行う必要のある工程をロボットを介して遠隔で実行する際の操作装置として好適である。

なお、遠隔とは、操作者と操作対象との距離が物理的に遠隔である場合だけでなく、操作者が操作するマスタ機と操作対象であるスレーブ機とが機構的に分離されている場合も含まれる。この場合、マスタ機とスレーブ機とが近くに配置されていても遠隔操作であることに違いはない。

図１は、本実施の形態に係る操作装置の概略構成を示す側面図である。図２は、本実施の形態に係る操作装置の概略構成を示す上面図である。操作装置１０は、遠隔操作の際に用いられるものであり、主に操作者の手のひらで把持されるグリップ部１２と、主に操作者の指でつままれるピンチ部１４と、を備える。ピンチ部１４は、グリップ部１２に対して回動（矢印Ｒ１方向）するとともに、グリップ部１２に対してスライド（矢印Ｓ１方向）するように構成されている。

これにより、操作装置１０全体をパワーグリップ式として動かすだけでなく、手のひらでグリップ部１２を把持しながらピンチ部１４を回動したりスライドさせたりできる。そのため、パワーグリップ式とピンチグリップ式の両方の機能を兼ね備えることができ、操作者の操作の負担を低減するとともに、繊細な作業が可能となる。

グリップ部１２は、手のひらで直接保持される円筒状の第１の保持部１２ａと、第１の保持部１２ａに対して相対的に回転可能な回転部１２ｂと、を有している。回転部１２ｂは、第１の保持部１２ａは、中心に円柱状の穴が設けられており、その穴に円柱状の回転部１２ｂが回転可能に収納されている。ピンチ部１４は、指で直接保持される第２の保持部１４ａと、第２の保持部１４ａをグリップ部１２に対して離間又は接近するようにガイドするガイド部１４ｂと、を有している。

これにより、グリップ部１２の第１の保持部１２ａを手のひらで固定した状態で回転部１２ｂが回転できる。また、第２の保持部１４ａを指でつまみながらグリップ部１２に対して離間したり接近させたりできる。

回転部１２ｂは、第１の保持部１２ａの内部に設けられた回転軸である。ガイド部１４ｂは、回転部１２ｂである回転軸に結合し、固定されている。また、ガイド部１４ｂは、回転軸の軸Ａと交差する方向に延びている直線状のガイドレール１４ｃを有している。これにより、第２の保持部１４ａをグリップ部１２に対して所定の方向（矢印Ｓ１方向）に動かすことができる。なお、本実施の形態に係る操作装置１０においては、軸Ａとガイドレール１４ｃの延伸方向とが成す角は９０°として記載しているが、角度は９０°でなくてもよく、９０°±４５°の範囲で設定されていてもよく、９０°±３０°の範囲で設定されていてもよく、９０°±１５°の範囲で設定されていてもよい。

また、第２の保持部１４ａは、回転軸に対して基準点Ｐを中心に±５ｍｍ以上動くようにガイドレール１４ｃにガイドされている。換言すると、第２の保持部１４ａは、ガイドレール１４ｃに沿って少なくとも１０ｍｍの範囲で動くことができるように構成されている。

図３は、本実施の形態に係る操作装置が備えるジンバル部の概略構成を説明するための側面図、図４は、本実施の形態に係る操作装置が備えるジンバル部の概略構成を説明するための上面図である。

操作装置１０の第２の保持部１４ａは、ジンバル部２０により移動可能に支持されている。ジンバル部２０は、互いに交差（直交）する３つの回転軸を中心として回動可能に構成されている。ジンバル部２０は、Ｘ軸Ａｘ、Ｙ軸Ａｙ、Ｚ軸Ａｚを中心として回動可能である。

具体的には、第２の保持部１４ａのＺ軸方向の端部がＺ軸部２２に連結されており、Ｚ軸部２２は、Ｌ字状の第１のアーム２４に対して回転可能に保持されている。また、第１のアーム２４は、Ｙ軸部２６を回転可能に保持しており、Ｙ軸部２６と連結している第２のアーム２８に対して回転可能に設けられている。第２のアーム２８は、Ｌ字状であり、Ｙ軸部２６を保持している端部と反対側の端部にＸ軸部３０を回転可能に保持している。Ｘ軸部３０は、３次元方向の移動を行うためのＸＹＺステージやＸＹＺリンク機構等の並進機構に連結されている。

これにより、操作装置１０の移動情報は、ジンバル部２０や並進機構を介して、スレーブ機のマニピュレータの位置や姿勢の制御に利用できる。例えば、鉗子の操作が可能な手術支援ロボットがスレーブ機の場合、操作者はグリップ部１２を把持しつつ操作装置１０全体を所望の方向へ移動させたり、所望の向きへ回転させたりする。操作装置１０の移動は、Ｚ軸部２２、Ｙ軸部２６及びＸ軸部３０の回転角度の情報（移動情報）を取得するセンサ（図示せず）によって検知される。センサにより検知された移動情報は、手術支援ロボットに伝達される。手術支援ロボットは、伝達された移動情報に基づいて鉗子の位置を移動させる制御を行う。

なお、第２の保持部１４ａは、ジンバル部２０の３つの軸（Ｘ軸Ａｘ、Ｙ軸Ａｙ、Ｚ軸Ａｚ）が交差する点（図３、図４に示すＣ）を基準にグリップ部１２に対してスライドするように構成されている。これにより、スレーブ機のマニピュレータの特定の位置の動きとグリップ部１２のスライドを対応させることができる。

（操作装置の可動範囲）
手術支援ロボットによる手術では、実際に手で執刀するよりも小さなスケールで手術を行うことから、スレーブ機の位置制御の高精度化は非常に重要である。スレーブ機は微細な手術操作を行うことから、マスタ機の動作はスレーブ機に縮小して伝えられる。そのため、マスタ機の操作においてはスレーブ機の動作の数倍に相当する大きな動きが必要であり、手術中にはマスタ機とスレーブ機の可動範囲や位置関係の調整が必要という問題がある。

本実施の形態に係る操作装置１０は、全体を大きく動かす場合はグリップ部１２及びピンチ部１４を手のひら全体で把持した状態で操作される。これにより、大きな動きでも操作者にあまり負担を掛けずにスレーブ機の移動操作が可能となる。加えて、本実施の形態に係る操作装置１０は、手のひらでグリップ部１２を把持した状態で、指でピンチ部１４を独立して操作することもできる。以下に、グリップ部１２に対するピンチ部１４の相対移動で実現できる可動範囲ついて説明する。

図５（ａ）～図５（ｄ）は、操作装置の可動範囲を説明するための模式図である。図５（ａ）に示す操作装置１０の状態は、ピンチ部１４をグリップ部１２に最も近づけた状態である。この状態から、図５（ｂ）に示すように、指でつまんだ第２の保持部１４ａを図の左方に移動することで、ピンチ部１４をグリップ部１２に対してスライドさせることができる。一方、図５（（ａ）の状態から、図５（ｃ）に示すように、指でつまんだ第２の保持部１４ａを図の下方に回転することで、ピンチ部１４をグリップ部１２に対して回動することができる。その結果、本実施の形態に係る操作装置１０は、図５（ｄ）に示す扇形の領域Ｄの範囲においてピンチ部１４の動きだけで繊細な動きが可能となる。

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、マスタ機のマニピュレータに利用できる。

１０ 操作装置、 １２ グリップ部、 １４ ピンチ部、 １２ａ 第１の保持部、 １２ｂ 回転部、 １４ａ 第２の保持部、 １４ｂ ガイド部、 ２０ ジンバル部、 ２２ Ｚ軸部、 ２４ 第１のアーム、 ２６ Ｙ軸部、 ２８ 第２のアーム、 ３０ Ｘ軸部。

Claims (4)

1. 遠隔操作の際に用いられる操作装置であって、
   主に操作者の手のひらで把持されるグリップ部と、
   主に操作者の複数の指でつままれる一つのピンチ部と、を備え、
   前記グリップ部は、
   手のひらで直接保持される第１の保持部と、
   前記第１の保持部の内部に設けられ、該第１の保持部に対して長手方向に沿った軸回りに該第１の保持部に対して相対的に回転可能な回転部と、を有し、
   前記一つのピンチ部は、
   複数の指で直接保持される第２の保持部と、
   前記第２の保持部を前記グリップ部に対して離間又は接近するようにガイドするガイド部と、を有し、
   前記ガイド部は、前記第２の保持部を親指及び人差し指でつまめるように前記回転部に結合しており、かつ、前記軸と交差する方向に延びているガイドレールを有し、
   前記一つのピンチ部は、前記軸を中心に前記グリップ部に対して一体的に回動するとともに、前記第２の保持部が前記グリップ部に対して一体的にスライドするように構成されており、
   前記軸と前記ガイドレールの延伸方向とが成す角は９０°±４５°の範囲であることを特徴とする操作装置。
2. 前記第２の保持部は、前記回転部に対して±５ｍｍ以上動くように前記ガイドレールにガイドされていることを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
3. 互いに交差する３つの軸を中心として回動可能に構成され、前記第２の保持部を移動可能に支持するジンバル部を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の操作装置。
4. 前記第２の保持部は、前記ジンバル部の３つの軸が交差する点を基準に前記グリップ部に対してスライドすることを特徴とする請求項３に記載の操作装置。

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