JP7330543B2 - 着用可能な手術用ロボットアーム - Google Patents

Description

本発明は、着用可能な手術用ロボットアームに関する。より詳細には、施術者の腕にロボットアームが固定された状態で、施術者の操作によって制御される手術器具を介して手術を行うことができる着用可能な手術用ロボットアームに関する。

医学的に手術とは、皮膚や粘膜、その他の組織に、手術器具を使用して切ったり裂いたりするような操作を加えて、病気を治すことをいう。特に、手術部位の皮膚を切開して開き、その内部にある器官などを治療、成形したり除去する開腹手術及び腹腔鏡手術などは、出血、副作用、患者の苦痛、傷跡及び手術の精密度などの問題によって、最近ではロボットを使用する手術が代案として脚光を浴びている。

従来の手術用ロボットは、米国のインテュイティブ・サージカル（Ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｉｃａｌ）社が開発したダビンチロボット（Ｄａ Ｖｉｎｃｉ Ｓｕｒｇｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）のように、医師の操作によって必要な信号を生成して転送するマスター（ｍａｓｔｅｒ）ロボットと、マスターロボットから信号を受けて、直接手術に必要な操作を加えるスレーブ（ｓｌａｖｅ）ロボットからなり、通常、スレーブロボットは手術室に、マスターロボットは手術室と分離した操作室にそれぞれ設置し、マスターロボットとスレーブロボットを有線・無線方式で連結して遠隔で手術を行うことになる。

しかし、従来の手術用ロボットは、その大きさが非常に大きいため、設置に相当な空間が必要であり、装置の構成が複雑で製造、設置及び熟練過程で多くの時間と費用がかかるという問題がある。特に、簡単な手術の場合にも、従来の手術用ロボットを使用する場合、かかる時間及び費用によって、ロボット手術がむしろ非効率的な方式となり得るという問題がある。

また、手術中に他の手術器具を利用する必要性がある場合に、現在使用中の手術用ロボットのロボットアームを位置移動し、手術補助者によって手術器具を交換して、元の位置に再び移動する方法などが使用されている。しかし、このような場合に、手術補助者が手術器具を交換することができる空間にロボットアームを移動させなければならないので、ロボットアームの不必要な動線を引き起こし得る。これはできるだけ早い時間内に施術を完了しなければならない手術の特性上、不必要な時間を無駄にするという問題がある。また、手術器具を交換する単純な作業のための別途の人員（手術室の補助看護師１～２名、器具伝達看護師１名）が追加で要求される問題がある。

また、ロボットを利用した手術過程において、患者に予測できなかった緊急事態が発生した場合、手術室と分離した遠隔地でマスターロボットを利用して手術を行っていた医師が手術に直接参加するためには、準備時間が必要であるため、手術時間が遅延するしかなく、これによって緊急事態に対する即時対応が不可能であるという問題がある。

したがって、本発明の目的は、このような従来の問題点を解決するためのものであって、施術者の腕にロボットアームが固定された状態で、施術者の操作によって制御される手術器具を介して手術が行われるので、予測できなかった緊急事態が発生しても施術者の即時対応が可能な着用可能な手術用ロボットアームを提供することにある。

また、施術者の腕に装着されるベースに多数の手術器具が装着された移動部を備え、施術者によって入力される信号に応じて手術器具の交換が行われることによって、手術時間を短縮することができるだけでなく、手術器具の交換のための別途の人員が要求されない着用可能な手術用ロボットアームを提供することにある。

また、施術者の腕に装着されるベースが多関節支持アームによって構造体に支持されるので、ロボットアームの自重によって施術者の腕の疲労度が増加することを防止することができる着用可能な手術用ロボットアームを提供することにある。

前記目的は、本発明によって、施術者の腕と共に動くことができるベースと、手術器具が装着される収容孔が多数形成され、多数の収容孔のうちのいずれか一つの収容孔が第１位置に位置することができるように前記ベースに移動可能に設置される移動部と、前記移動部の後方で前記第１位置に位置した収容孔を選択的に貫通するように前後進可能に配置されるシャフトと、多数の収容孔に装着された手術器具のうちから選択されたいずれか一つの手術器具が第１位置に移動するように前記移動部を移動させる第１駆動部と、前記第１位置に位置した手術器具を第１位置の前方に位置した第２位置に移動させるように前記シャフトを移動させる第２駆動部、及び前記第２位置に移動した手術器具に動力を提供する第３駆動部を含む着用可能な手術用ロボットアームによって達成される。

ここで、前記移動部は、前記ベースに回転可能な形態に配置されることが好ましい。

また、前記第３駆動部は、シャフトに備えられることが好ましい。

また、前記シャフトの先端には、前記第３駆動部から提供される動力を伝達することができる駆動ホイールが備えられ、前記手術器具の後端には、前記駆動ホイールに対応する位置に備えられて、駆動ホイールとかみ合う従動ホイールが備えられることが好ましい。

また、前記ベースには、施術者が制御信号を入力することができる入力部が備えられることが好ましい。

また、前記入力部は、手術器具の動作制御のための制御信号を入力することができる第１入力部を含むことが好ましい。

また、前記入力部は、第１駆動部及び第２駆動部の駆動のための制御信号を入力することができる第２入力部を含むことが好ましい。

また、前記第２入力部は、施術者の音声を認識する音声入力部と、前記音声入力部を介して入力された音声に応じて、第１駆動部及び第２駆動部の駆動のための制御信号を生成する音声認識部を含むことが好ましい。

また、前記ベースを移動可能な状態で支持する多関節支持アームをさらに含むことが好ましい。

本発明によると、施術者の腕にロボットアームが固定された状態で施術者の操作によって制御される手術器具を介して手術が行われるので、予測できなかった緊急事態が発生しても、施術者の即時対応が可能な着用可能な手術用ロボットアームが提供される。

また、施術者の腕に装着されるベースに多数の手術器具が装着された移動部を備え、施術者によって入力される信号に応じて手術器具の交換が行われることによって、手術時間を短縮することができるだけでなく、手術器具の交換のための別途の人員が要求されない着用可能な手術用ロボットアームが提供される。

また、施術者の腕に装着されるベースが多関節支持アームによって構造体に支持されるので、ロボットアームの自重によって施術者の腕の疲労度が増加することを防止することができる着用可能な手術用ロボットアームが提供される。

図１は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームの概略構成図である。 図２は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームの斜視図である。 図３は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームに係る移動部の動作を示す作用図である。 図４は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームに係るシャフトの動作を示す作用図である。 図５は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームに係るシャフトと手術器具の結合部位を示す斜視図である。 図６は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームに係る移動部の変形例を示す図である。

説明に先立ち、様々な実施形態において、同一の構成を有する構成要素については、同一の符号を使用して代表的に第１実施形態で説明し、その他の実施形態においては、第１実施形態と異なる構成について説明することにする。

以下、添付した図面を参照して本発明の第１実施形態に係る着用可能な手術用ロボットアームについて詳細に説明する。

添付図面のうち、図１は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームの概略図であり、図２は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームの斜視図であり、図３は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームに係る移動部の動作を示す作用図であり、図４は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームに係るシャフトの動作を示す作用図であり、図５は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームに係るシャフトと手術器具の結合部位を示す斜視図であり、図６は、本発明の着用可能な手術用ロボットアームに係る移動部の変形例を示す図である。

前記図面で示すように、本発明の着用可能な手術用ロボットアームは、ベース１１０、移動部１２０、シャフト１３０、第１駆動部１４０、第２駆動部１５０、第３駆動部１６０、入力部１７０、手術器具１８０及び多関節支持アーム１９０を含む。

一方、複雑な機械構成が手術室内で外部に露出することを防止するために、前記ベース１１０、移動部１２０、第１駆動部１４０、第２駆動部１５０などを収容するハウジング（Ｈ）を備えることが好ましい。

前記ベース１１０は、外科医師のような施術者の腕に装着されて腕と共に動くものであって、腕を固定するためのバンドやベルトなどが備えられることができ、腕を入れる形態で構成されることも可能である。

前記移動部１２０は、前記ベース１１０に回転可能に設置されるものであって、弧形の断面からなり、回転の中心を基準として同一半径内に手術器具１８０が装着されることができる収容孔１２１が多数形成され、回転位置に応じて多数の収容孔１２１のうちのいずれか一つの収容孔１２１が第１位置（Ｐ１）に位置するようにすることができる。一方、図面には示していないが、前記移動部１２０には、移動部１２０の移動方向に沿って弧形のレールが備えられ、前記ベース１１０には、前記レールに結合されるブロックが備えられて、前記移動部１２０の回転が案内されるようにすることができる。一方、本実施形態では、前記移動部１２０が回転しながら多数の収容孔１２１のうちのいずれか一つの収容孔１２１が第１位置（Ｐ１）に移動するものとして例を挙げて説明したが、図６に示すように移動部１２０が左右（または上下）に移動しながら、多数の収容孔１２１のうちのいずれか一つが第１位置（Ｐ１）に移動することができるように構成することも可能である。

前記シャフト１３０は、前記移動部１２０の後方で前記第１位置（Ｐ１）の収容孔１２１と同一軸線上に配置され、前記ベース１１０に軸方向に前後進可能な状態に支持される。一方、図面には示していないが、前記シャフト１３０の先端には、グリッパー（ｇｒｉｐｐｅｒ）のように手術器具１８０の後端を選択的に固定または固定解除できる結合器具が備えられることができる。

前記第１駆動部１４０は、多数の収容孔１２１に装着された手術器具１８０のうちから選択されたいずれか一つの手術器具１８０が第１位置（Ｐ１）に移動することができるように前記移動部１２０を回転させるものであって、前記ベース１１０に備えられるサーボモーター（図示せず）と前記サーボモーターの駆動軸に固定されるピニオン１４１及び前記移動部１２０に備えられて、前記ピニオン１４１とかみ合う弧形のラック１４２を含むことができる。一方、本実施形態においては、ピニオン１４１とラック１４２を利用して移動部１２０を回転させるものとして例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、移動部１２０の回転位置を制御することができる様々な形態の駆動手段と動力伝達機構が適用されることができる。

前記第２駆動部１５０は、前記シャフト１３０を軸方向に前後進移動させるものであって、油圧または空圧シリンダーの形態で構成されることができ、前記シャフト１３０の移動方向は、前記移動部１２０の回転中心軸と並んだ方向に設定される。このような第２駆動部１５０の駆動によって、シャフト１３０が前進する場合には、第１位置（Ｐ１）の収容孔１２１内に配置された手術器具１８０が収容孔１２１から離脱して、第１位置（Ｐ１）の前方に位置する第２位置（Ｐ２）に移動するようになり、第２駆動部１５０の駆動によってシャフト１３０が後進する場合には、第２位置（Ｐ２）に配置された手術器具１８０が第１位置（Ｐ１）に移動して、移動部１２０の収容孔１２１内に挿入される。一方、前記第２駆動部１５０は、シャフト１３０の前・後進過程で、前記シャフト１３０の先端と手術器具１８０の後端の円滑な結合または結合解除のために、第１位置（Ｐ１）で一時停止してから移動することが好ましい。

前記第３駆動部１６０は、シャフト１３０の先端に結合されて、第２位置（Ｐ２）に移動した手術器具１８０に動力を提供するためのものであって、サーボモーター１６１と、前記シャフト１３０の先端部に配置されて前記サーボモーター１６１から提供される動力によって回転する駆動ホイール１６２を含むことができ、手術器具１８０の様々な動作のために複数備えられることができる。なお、図面には示していないが、前記シャフト１３０と手術器具１８０との結合面には、電源や信号を伝達するために互いに電気的に接続する端子が追加で備えられることができる。

前記入力部１７０は、施術者が手術器具１８０の動作や交換のための制御信号を入力することができるように、ベース１１０上に備えられるものであって、第３駆動部１６０の駆動のための制御信号を生成することができる第１入力部１７１と、第１駆動部１４０及び第２駆動部１５０の駆動のための制御信号を生成することができる第２入力部１７２を含む。

前記第１入力部１７１は、施術者の操作に応じて、第３駆動部１６０の駆動のための制御信号を生成することができるジョイスティック（ｊｏｙｓｔｉｃｋ）、グローブ（ｇｌｏｖｅ）、トリガー－ガン（ｔｒｉｇｇｅｒ－ｇｕｎ）、手動式コントローラーなどのような様々な入力装置のうちの一つ以上を含むことができる。

前記第２入力部１７２は、施術者の音声を認識することができる音声入力部と、前記音声入力部を介して入力された音声に基づいて、前記第１駆動部１４０及び第２駆動部１５０の駆動のための制御信号を生成する音声認識部を含むことができる。一方、本実施形態においては、施術者の音声を認識して第１駆動部１４０及び第２駆動部１５０を制御するものとして例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、前記第１入力部１７１のように、施術者が直接操作することができるボタンや施術者の動作を感知することができるセンサーなどによって制御信号を生成することも可能である。

前記手術器具１８０は、胴部と、前記胴部の先端に備えられるエンドエフェクタと、前記胴部の後端に備えられる従動ホイール１８１及び前記胴部の内部に備えられ従動ホイール１８１とエンドエフェクタを連結する動力伝達機構を含むことができ、前記胴部には関節が備えられることができる。このような手術器具１８０は、エンドエフェクタの形態に応じてピンセット、電気焼灼器具、縫合器具、超音波切断器具、洗浄及び排液器具などに区分されることができ、種類別に前記移動部１２０の収容孔１２１にそれぞれ収容される。前記従動ホイール１８１は、前記手術器具１８０の後端部で前記第３駆動部１６０の駆動ホイール１６２に対応する位置に備えられ、前記駆動ホイール１６２とかみ合って第３駆動部１６０から提供される動力の伝達を受けることができるように構成される。

前記多関節支持アーム１９０は、一端部が前記ベース１１０に連結され、他端部が壁、天井、床のような構造体に連結されて前記ベース１１０を支持するものであって、ロボットアームなどの自重による重力を補償する重力補償機構を含むことができる。

ここからは、前述した着用可能な手術用ロボットアームの第１実施形態の作動について説明する。

ベース１１０は、施術者の腕に固定されて、腕と共に移動することができ、多関節支持アーム１９０によって、手術室の内部の天井、壁、床のような構造体に支持される。したがって、施術者は、手術室内で手術用ロボットアームを着用した状態で、ベース１１０に備えられた第１入力部１７１を手で操作して、ロボットアームに装着された手術器具１８０を制御することで手術を行うことができ、第２入力部１７２に音声を入力して、ロボットアームに装着された手術器具１８０を容易に交換することができる。特に、必要に応じて施術者がロボットアームの着用を解除した後、手術部位を手で直接処置することができるので、危険な状況が発生した場合、即時対応が可能となる。

移動部１２０は、第１駆動部１４０によって回転することができるように前記ベース１１０に回転可能に設置され、移動部１２０に形成された多数の収容孔１２１には、互いに異なる種類の手術器具１８０がそれぞれ挿入される。施術者が手術途中に所望の手術器具１８０を使用するために音声で指示すると、第２駆動部１５０が後進駆動して、シャフト１３０を後進させることで使用中の第２位置（Ｐ２）の手術器具１８０を第１位置（Ｐ１）の収容孔１２１に位置させ、第１駆動部１４０が駆動して、該当の音声に対応する手術器具１８０が挿入された収容孔１２１を第１位置（Ｐ１）に移動させた後、第２駆動部１５０が前進駆動して、シャフト１３０を前進させることで第１位置（Ｐ１）に配置された手術器具１８０を第２位置（Ｐ２）に移動させる。

このように、本実施形態によれば、施術者の音声のみで手術器具１８０の交換が行われるので、手術時間を短縮することができるだけでなく、手術器具１８０の交換のための別途の人員が要求されない。また、手術執刀医が予定された手術に必要な器具の組み合わせをあらかじめ構成し、使用順序により移動部１２０の収容孔１２１に順番どおり配置することができるので、手術器具１８０の交換にかかる時間を最小化することができる。

前記のように第２位置（Ｐ２）に配置された手術器具１８０は、施術者が第１入力部１７１を操作することにより、第３駆動部１６０の駆動が制御されて、エンドエフェクタの動作制御が行われるので、手術器具１８０のエンドエフェクタを利用して手術を行うことができる。

特に、前記第１入力部１７１を腹腔鏡手術器具の操作部と類似した形態で提供する場合、本実施形態のロボットアームを施術者の腕に装着した状態で、腹腔鏡手術と類似した形態で手術を行うことができるようになるので、腹腔鏡手術の経験がある施術者であれば、直観的に本実施形態のロボットアームを使用することができる。

本発明の権利範囲は、前述した実施形態に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲内で様々な形態の実施形態で具現することができる。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも変形可能な多様な範囲まで本発明の請求範囲の記載の範囲内にあるものとみなす。

Claims (3)

1. 施術者の腕に固定されて前記施術者の前記腕と共に動くことができるベースと、
   手術器具が装着される収容孔が多数形成され、多数の収容孔のうちのいずれか一つの収容孔が第１位置に位置することができるように前記ベースに移動可能に設置される移動部と、
   前記移動部の後方で前記第１位置に位置した収容孔を選択的に貫通するように前後進可能に配置されるシャフトと、
   多数の収容孔に装着された手術器具のうちから選択されたいずれか一つの手術器具が第１位置に移動するように前記移動部を移動させる第１駆動部と、
   前記第１位置に位置した手術器具を第１位置の前方に位置した第２位置に移動させるように前記シャフトを移動させる第２駆動部と、
   前記第２位置に移動した手術器具に動力を提供する第３駆動部と、を含み、
   前記第３駆動部は、シャフトに備えられ、
   前記シャフトの先端には、前記第３駆動部から提供される動力を伝達することができる駆動ホイールが備えられ、前記手術器具の後端には、前記駆動ホイールに対応する位置に備えられて、駆動ホイールとかみ合う従動ホイールが備えられ、
   前記ベースには、前記施術者が制御信号を入力することができる入力部が備えられ、前記入力部は、前記手術器具の動作制御のために前記第３駆動部を駆動するための制御信号を入力することができる第１入力部と、前記手術器具を交換するために前記第１駆動部及び前記第２駆動部を駆動するための制御信号を入力することができる第２入力部とを含み、
   前記第２入力部は、前記施術者の音声を認識する音声入力部と、前記手術器具の交換が前記施術者の前記音声のみによって行われるように、前記音声入力部を介して入力された音声に応じて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の駆動のための前記制御信号を生成する音声認識部を含むことを特徴とする着用可能な手術用ロボットアーム。
2. 前記移動部は、前記ベースに回転可能な形態に配置されることを特徴とする請求項１に記載の着用可能な手術用ロボットアーム。
3. 前記ベースを移動可能な状態で支持する多関節支持アームをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の着用可能な手術用ロボットアーム。