JPWO2016111134A1 - 操作入力装置および医療用マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

反応速度の異なる関節への操作指令を違和感なく入力することができ、医療用マニピュレータの操作を容易にする。先端に１以上の関節（１２，１３，１４）を有する先端側動作部（７）を有し、該先端側動作部（７）の基端側に接続され該先端側動作部（７）を移動させる基端側動作部（１５）とを備える医療用マニピュレータ（３）への操作指令を入力する操作入力装置（２）であって、掌または手指により入力された操作指令に応じて、先端側動作部（７）を駆動する動作指令を発生する第１の操作部（１９）と、該第１の操作部（１９）に連結され、手首または腕により入力された操作指令に応じて、基端側動作部（１５）を駆動する動作指令を発生する第２の操作部（２０）とを備える操作入力装置（２）を提供する。

Description

本発明は、操作入力装置および医療用マニピュレータシステムに関する。

従来、６自由度を有する操作対象を操作するための操作指令を操作者が入力するための操作入力装置において、手指で把持する把持部の位置および姿勢によって操作対象の姿勢を操作するための操作指令を入力し、手首近くの腕で操作するアームレスト部の位置および姿勢によって操作対象の位置を操作するための操作指令を入力する操作入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、肘置きに２自由度の操作可能なスイッチを設けることにより、より高い自由度の遠隔マニピュレータを操作することができる操作入力装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００５−１０３７４１号公報 特開２００６−３３４６９５号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２の操作入力装置では、把持部およびアームレスト部のそれぞれにおいて反応速度の異なる医療用マニピュレータの関節への操作指令を入力することが必要となる。このため、これらの操作入力装置では、操作に違和感があり、操作しにくいという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、反応速度の異なる関節への操作指令を違和感なく入力することができ、医療用マニピュレータの操作を容易にすることができる操作入力装置および医療用マニピュレータシステムを提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、先端に１以上の関節を有する先端側動作部を有し、該先端側動作部の基端側に接続され該先端側動作部を移動させる基端側動作部とを備える医療用マニピュレータへの操作指令を入力する操作入力装置であって、掌または手指により入力された操作指令に応じて、前記先端側動作部を駆動する動作指令を発生する第１の操作部と、該第１の操作部に連結され、手首または腕により入力された操作指令に応じて、前記基端側動作部を駆動する動作指令を発生する第２の操作部とを備える操作入力装置である。

本態様に係る操作入力装置によれば、操作者の掌または手指により入力された操作指令に応じて発生した動作指令により先端側動作部が駆動され、同じ操作者の手首または腕により入力された操作し例に応じて発生した動作指令により基端側動作部が駆動される。先端側動作部は、医療用マニピュレータの先端位置を最終的に決定する部分であるため、操作者の掌または手指による精密な操作指令が入力されることにより精度よく駆動される。特に、医療用マニピュレータの先端に設けられた処置部によって、患部に対して微細な処置を行う場合には、操作者の掌または手指による精密な操作指令が入力されることにより精度よく行うことができる。

一方、基端側動作部は、医療用マニピュレータの先端側動作部全体を移動する部分であるため、大まかな動作で足りる。したがって、操作者の手首または腕による大まかな操作指令により基端側動作部を駆動して、先端側動作部全体を大まかに位置決めすることができる。すなわち、粗動と微動に対応して反応速度の異なる関節への操作指令を、操作者の手の別々の部位によって別々の入力系に、違和感なく入力することができ、医療用マニピュレータの操作を容易にすることができる。

上記態様に係る操作入力装置において、前記先端側動作部が電気的に駆動され、前記基端側動作部が機械的に駆動され、前記第１の操作部が電気信号からなる動作指令を発生し、前記第２の操作部が機械的駆動力からなる動作指令を発生する構成であってもよい。
この構成によれば、先端側動作部全体を移動させるように大きく動かす基端側動作部については第２の操作部により発生する機械的駆動力を用いた手動操作により、先端位置を最終的に決定するような先端側動作部の細かい動作については電気信号を用いた電動操作により実施することができる。特に、大きく動かす部分を手動操作することにより、体組織との干渉により発生する反力を操作者が容易に認識することができ、早期に干渉を回避することができる。

上記態様に係る操作入力装置において、前記第２の操作部が、前記基端側動作部を駆動して前記先端側動作部を少なくとも進退動作させる機械的駆動力を発生する構成であってもよい。
この構成によれば、最も大きく駆動される進退動作を手動操作によって行うことができ、体組織との干渉により発生する反力を操作者が容易に認識することができる。

また、本発明の他の態様は、上記いずれかの操作入力装置と、該操作入力装置により操作される前記医療用マニピュレータとを備える医療用マニピュレータシステムである。

本発明によれば、反応速度の異なる関節への操作指令を違和感なく入力することができ、医療用マニピュレータの操作を容易にすることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータシステムを示す全体構成図である。 図１の医療用マニピュレータシステムに用いられる医療用マニピュレータ、操作入力装置および制御部を示す図である。 図１の医療用マニピュレータシステムの操作入力装置の第２の操作部、指令伝達部および基端側動作部を説明する平面図である。 図１の医療用マニピュレータシステムに備えられる医療用マニピュレータの可動部の一例を示す図である。 図２の操作入力装置の変形例を示す正面図である。 図２の医療用マニピュレータシステムの変形例を示す図である。 図２の医療用マニピュレータシステムの他の変形例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る操作入力装置２および医療用マニピュレータシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１は、図１に示されるように、操作者Ｏにより操作される操作入力装置２と、患者Ｐの体腔内に挿入される医療用マニピュレータ３と、操作入力装置２の操作に基づいて医療用マニピュレータ３を制御する制御部４と、モニタ５とを備えている。

医療用マニピュレータ３は、例えば、図２に示されるように、患者Ｐの体腔内に挿入される挿入部６と、該挿入部６の長手方向に貫通形成されたチャネルＲを介して患者Ｐの体内に挿入される２つの先端側動作部７とを備えている。各先端側動作部７は、チャネルＲ内に長手方向に移動可能に配置される長尺部８と、該長尺部８の先端に備えられた可動部９と、長尺部８の基端側に配置され、図示しないワイヤ等の動力伝達部材によって可動部９を駆動する先端駆動部１０とを備えている。先端駆動部１０は、制御部４からの動作指令に応じてワイヤに張力を付与するモータ等の電気的な駆動源（図示略）を備えている。

各可動部９は、図４に白抜きの矢印で示すように、先端に配置される把持鉗子等の処置部１１を２つの平行な軸線回りに揺動させる２つの関節１２，１３と、長尺部８の長手軸回りに回転させる１つの関節１４とを有している。各可動部９は、これら３つの関節１２，１３，１４の動作によって各把持鉗子１１の先端位置を３次元的に位置決めすることができるようになっている。
なお、関節１４は、回転力の伝達性に優れたトルクチューブとして、長尺部８の全体を回転させることができる構成としてもよい。これにより、長尺部８を長手軸回りに容易に回転させることができる。この場合、長尺部８自体が電動で精密に駆動される。

また、医療用マニピュレータ３は、各先端側動作部７の基端側に接続され、各先端側動作部７を挿入部６の長手方向に進退させるとともに、挿入部６の先端近傍において、長尺部８を長手方向に直交する方向に湾曲させる２つの基端側動作部１５を備えている。
各基端側動作部１５は、図３に示されるように、各先端側動作部７の基端側を固定するスライダ１６を備えている。スライダ１６は、挿入部６の長手方向に移動可能に設けられている。また、各基端側動作部１５は、長尺部８の先端近傍に一端が固定される２本のワイヤ１７と、該ワイヤ１７の基端を固定するプーリ１８とを備え、プーリ１８の回転によって２本のワイヤ１７を交互に牽引することで、挿入部６の先端近傍において長尺部８を長手方向に直交する方向に湾曲させるようになっている。

本実施形態に係る操作入力装置２は、図２および図３に示されるように、操作者Ｏの手によって把持されて操作される第１の操作部１９と、操作者Ｏの手首または腕によって操作される第２の操作部２０と、これらの操作部１９，２０により入力された操作指令を医療用マニピュレータ３に伝達する指令伝達部２１とを備えている。

第１の操作部１９は、医療用マニピュレータ３の可動部９と相似形に構成されており、可動部９と同じ数の関節２２，２３，２４によって指示された先端部２５が操作者Ｏの手によって把持されて、掌または手指によって移動させられるようになっている。第１の操作部１９には、該第１の操作部１９を構成している各関節２２，２３，２４の角度を検出する図示しないセンサが備えられている。

センサは、各関節２２，２３，２４の角度に応じた電気信号を発生するようになっている。これにより、各第１の操作部１９は、操作者Ｏの掌または手指により操作指令を入力し、電気信号からなる動作指令を発生することができるようになっている。

第２の操作部２０は、第１の操作部１９の基部に固定された腕置き台２６と、該腕置き台２６および第１の操作部１９を一体的に移動可能に支持する直動機構２７とを備えている。腕置き台２６は、操作者Ｏが第１の操作部１９の先端部２５を把持したときに、丁度先端部２５を把持する手の手首近傍の腕が載せられる位置に配置されている。

直動機構２７は、腕置き台２６および第１の操作部１９を固定するスライダ２８と、図２および図３に黒塗りの矢印で示すように、該スライダ２８を相互に直交する水平２方向に移動可能に支持する直線ガイド２９とを備えている。腕置き台２６に乗せた腕によってスライダ２８を水平方向に移動させることにより第１の操作部１９を把持した姿勢を維持したままで、第１の操作部１９の位置を移動させることができるようになっている。これにより、第２の操作部２０は、操作者Ｏの手首または腕により操作指令を入力し、手首または腕により入力した力を、２つのスライダ２８の機械的な駆動力として発生することができるようになっている。

指令伝達部２１は、第１の操作部１９と先端駆動部１０とを接続する電気信号伝達部３０と、第２の操作部２０と基端側動作部１５とを接続する機械的動力伝達部３１とを備えている。
電気信号伝達部３０は、第１の操作部１９により発生された電気信号からなる動作指令を制御部４に伝達し、制御部４によって生成された指令信号を、先端駆動部１０の各モータに供給するようになっている。制御部４は、第１の操作部１９により発生した動作指令に基づいて、先端駆動部１０の各モータの回転移動量および回転速度を算出し各モータを制御するようになっている。

機械的動力伝達部３１は、図３に示されるように、操作入力装置２の各スライダ２８を前後進させる第１の方向の直線動作を基端側動作部１５の各スライダ１６の直線動作に変換する第１の伝達部３２と、操作入力装置２の各スライダ２８の第１の方向に直交する左右方向の直線移動を基端側動作部１５の各プーリ１８の回転角度に変換する第２の伝達部３３とを備えている。

第１の伝達部３２は、操作入力装置２のスライダ２８の第１の方向の直進移動量を回転角度に変換する第１のラックアンドピニオン機構３４と、回転動作を基端側動作部１５の直進移動量に変換する第２のラックアンドピニオン機構３５と、これらのラックアンドピニオン機構３４，３５のピニオンギヤにそれぞれ固定されたプーリ３６，３７と、これらのプーリ３６，３７に掛け渡されたベルト３８とを備えている。

第２の伝達部３３は、操作入力装置２のスライダ２８の第２の方向の直進移動量を回転角度に変換する第１のラックアンドピニオン機構３９と、基端側動作部１５のプーリ１８に固定されたプーリ４０と、第１のラックアンドピニオン機構３９のピニオンギヤにそれぞれ固定されたプーリ４１と、これらのプーリ４０，４１に掛け渡されたベルト４２とを備えている。

このように構成された本実施形態に係る操作入力装置２および医療用マニピュレータシステム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１を用いて患者Ｐの体内の患部を処置するには、患者Ｐの体腔内に医療用マニピュレータ３の挿入部６を挿入し、挿入部６のチャネルＲを介して患者Ｐの体内に可動部９および長尺部８を挿入する。

そして、可動部９が体腔内の患部に近接して配置された状態で、操作者Ｏは、図示しない内視鏡により取得された画像をモニタ５で確認しながら、操作入力装置２を操作する。操作入力装置２を操作するには、操作者Ｏは、図３に示されるように、２個一対の第１の操作部１９の各先端部２５を両手で把持し、両手の腕を２個一対の各第２の操作部２０の各腕置き台２６に乗せる。

そして、操作者Ｏが、いずれかの腕から腕置き台２６に力を加えると、腕置き台２６が固定されたスライダ２８がその力の方向に移動し、その移動量が、前後進方向の直進移動量と、左右方向の直進移動量とに分解されて、それぞれ、第１のラックアンドピニオン機構３４，３９によって回転角度に変換される。

第１のラックアンドピニオン機構３４の回転角度に変換された第１の方向の直進移動量は、プーリ３６，３７およびベルト３８を介して第２のラックアンドピニオン機構３５に伝達され、基端側動作部１５のスライダ１６の直進移動量に変換される。スライダ１６は先端側動作部７に固定されているので、先端側動作部７を構成している可動部９、長尺部８および先端駆動部１０が一体的に長尺部８の長手方向に沿って移動させられる。これにより、可動部９の先端に位置する把持鉗子１１の先端位置が手動によって前後進方向に大まかに移動させられる。

第１のラックアンドピニオン機構３９の回転角度に変換された第２の方向の直線移動量は、プーリ４０，４１およびベルト４２を介して基端側動作部１５のプーリ１８の回転角度に変換される。プーリ１８には２本一対のワイヤ１７が固定されているので、プーリ１８が一方向に回転すると一方のワイヤ１７の張力が増大して長尺部８の先端が牽引され、長尺部８がその長手方向に直交する方向に揺動させられる。これにより、可動部９の先端に位置する把持鉗子１１の先端位置が手動によって左右方向に大まかに移動させられる。

一方、操作者Ｏが両手で把持している第１の操作部１９の先端部２５を掌または手指の力で移動させると、その移動量が各関節２２，２３，２４に設けられたセンサによって検出され、電気信号として制御部４に伝達される。制御部４においてはセンサによって検出された各関節２２，２３，２４の角度に一致するように可動部９の各関節１２，１３，１４を動作させる電気的な動作指令が算出されて、各関節１２，１３，１４に接続されたモータに供給される。これにより、可動部９の先端に設けられている把持鉗子１１の先端位置が掌または手指によって指示された通りに電動で精密に移動させられる。

本実施形態に係る操作入力装置２および医療用マニピュレータシステム１によれば、把持鉗子１１の先端位置を最終的に位置決めするための第１の操作部１９と、先端側動作部７全体を大まかに位置決めするための第２の操作部２０とが分離され、掌または手指、手首または腕のように手の異なる部位によって操作されるので、以下の効果がある。

すなわち、先端側動作部７全体の進退動作は、細長い長尺部８をチャネルＲ内で移動させる必要から、摩擦によって動きの分解能が低いのに対し、可動部９の動作は、摩擦による影響が少なく、より分解能が高い。したがって、第１の操作部１９により可動部９を動作させることにより、把持鉗子１１の先端をより精密に位置決めすることができる。

つまり、先端側動作部７全体を大まかに移動させるための手首または腕による第２の操作部２０の操作と、精細な操作が必要とされる掌または手指による第１の操作部１９の操作とを分離することで、２つの操作入力が混ざることがなく、違和感なく操作することができる。また、手首より先端側と基端側の２つの部位による分離方法によって、人間の手の操作分解能に合わせてより直感的に操作することができるという利点がある。

また、本実施形態に係る操作入力装置２および医療用マニピュレータシステム１によれば、第１の操作部１９として可動部９を電動で駆動するための電気信号を発生させるものを採用し、第２の操作部２０として先端側動作部７全体を手動で駆動するための機械的駆動力を発生させるものを採用したので、以下の効果を奏する。

すなわち、掌または手指による第１の操作部１９の精細な操作により、可動部９が電動で駆動されるので、把持鉗子１１の先端部を精密に位置決めすることができる。一方、手首または腕による第２の操作部２０の大まかな操作により、先端側動作部７が大きく移動する部分を手動とすることにより、可動部９と周囲の組織との接触等による反力を手首または腕で容易に認識することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、可動部９として、先端側の略平行な軸線を有する２つの揺動関節１２，１３とその基端側に長尺部８の長手軸回りに回転する１つの回転関節１４とを備えるものを例示したが、これに限定されるものではなく、把持鉗子１１の先端位置を３次元的に移動させることができる３自由度を達成する任意の軸構成を採用してもよい。また、回転関節１４は長尺部８の基端側に設けてもよい。さらに、可動部９は、冗長性をもって動作範囲を拡大するために他の関節を備えていてもよい。

また、本実施形態においては、第１の操作部１９と可動部９とが相似形である場合を例示したが、これに代えて、非相似形の他の任意の入力装置（例えば、異構造式あるいはリモコン式）を採用してもよい。
また、第２の操作部２０の腕置き台２６は、第１の操作部１９の先端部２５をペンのように持ったときに、腕が自然に載せられるように第１の操作部１９に対して一段低い位置に配置されていることが好ましい。なお、腕置き台２６の位置を調節するための位置調節機構を備えていてもよい。また、２つの腕置き台２６が相互に内向きに配置されていてもよい。これにより、腕を自然な向きでおけるようになり、操作をより容易にすることができる。

また、第２の操作部２０として、スライダ２８を直交する２方向に移動可能としたものを例示したが、これに代えて、図５に示されるように、進退方向と腕置き台２６の水平回転とによって２方向の操作入力を可能にしてもよい。図４のように長尺部８の先端が揺動する軸構成では、図５のように腕置き台２６を水平回転させた方が、より直感的に操作しやすいという利点がある。

また、図６に示されるように、操作入力装置２のスライダ２８の動作範囲を制限するためのストッパ４３を設け、スライダ２８がストッパ４３に突き当たるまで最大限に後退させたときには、挿入部６のチャネルＲ内に把持鉗子１１の先端まで完全に収容される位置関係に設定されていてもよい。
このようにすることで、医療用マニピュレータ３の体腔内への挿入時に把持鉗子１１の先端が挿入部６から突出しておらず、体腔内壁に接触することを防止できる。また、挿入部６の先端（内視鏡先端）のみを動かして視野を変えたい場合に、医療用マニピュレータ３が不用意に周辺臓器に接触することを防止できる。

逆に、図７に示されるように、操作入力装置２のスライダ２８がストッパ４３に突き当たるまで最大限に後退させたときには、挿入部６の先端から可動部９全体が完全に露出する位置関係に設定されていてもよい。このようにすることで、可動部９が、湾曲した状態でチャネルＲ内に引き込まれ、チャネルＲの先端側の縁に接触して故障してしまうことを未然に防止することができる。

１ 医療用マニピュレータシステム
２ 操作入力装置
３ 医療用マニピュレータ
７ 先端側動作部
１２，１３，１４ 関節
１５ 基端側動作部
１９ 第１の操作部
２０ 第２の操作部

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、患者の体内に挿入される挿入部と、該挿入部の長手方向に貫通形成されたチャネルと、該チャネル内において該チャネルの内壁と接触しながら進退する長尺部と、該長尺部の先端に設けられた１以上の関節と、該関節よりも先端側に設けられ前記関節の動作によって移動可能な処置部と、前記長尺部の基端側に接続され前記長尺部を進退動作させる動作部と、前記長尺部の基端側に配置され前記長尺部の前記関節を駆動する駆動部と、を備える医療用マニピュレータへの操作指令を入力する操作入力装置であって、操作者の掌または手指による操作に応じて、電気信号を発生する第１の操作部と、前記電気信号を受信し、該電気信号に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、前記第１の操作部に連結され、前記操作者の手首または腕による操作に応じて、機械的駆動力を発生する第２の操作部と、該第２の操作部によって発生した前記機械的駆動力を前記動作部に伝達する機械的動力伝達部と、を備える操作入力装置である。

また、本発明の他の態様は、患者の体内に挿入され、処置を行う医療用マニピュレータと、該医療用マニピュレータへの操作指令を入力する操作入力装置と、を備え、前記医療用マニピュレータが、前記患者の体内に挿入される挿入部と、該挿入部の長手方向に貫通形成されたチャネルと、該チャネル内において該チャネルの内壁と接触しながら進退する長尺部と、該長尺部の先端に設けられた１以上の関節と、該関節よりも先端側に設けられ、前記関節の動作によって移動可能な処置部と、前記長尺部の基端側に接続され前記長尺部を進退動作させる動作部と、前記長尺部の基端側に配置され前記長尺部の前記関節を駆動する駆動部と、を備え、前記操作入力装置が、操作者の掌又は手指による操作に応じて、電気信号を発生する第１の操作部と、該第１の操作部によって発生した前記電気信号を受信し、該電気信号に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、前記第１の操作部に連結され、前記操作者の手首又は腕による操作に応じて、機械的動力を発生する第２の操作部と、該第２の操作部によって発生した前記機械的駆動力を前記動作部に伝達する機械的動力伝達部と、を備える医療用マニピュレータシステムである。

Claims (4)

1. 先端に１以上の関節を有する先端側動作部を有し、該先端側動作部の基端側に接続され該先端側動作部を移動させる基端側動作部とを備える医療用マニピュレータへの操作指令を入力する操作入力装置であって、
   掌または手指により入力された操作指令に応じて、前記先端側動作部を駆動する動作指令を発生する第１の操作部と、
   該第１の操作部に連結され、手首または腕により入力された操作指令に応じて、前記基端側動作部を駆動する動作指令を発生する第２の操作部とを備える操作入力装置。
2. 前記先端側動作部が電気的に駆動され、
   前記基端側動作部が機械的に駆動され、
   前記第１の操作部が電気信号からなる動作指令を発生し、
   前記第２の操作部が機械的駆動力からなる動作指令を発生する請求項１に記載の操作入力装置。
3. 前記第２の操作部が、前記基端側動作部を駆動して前記先端側動作部を少なくとも進退動作させる機械的駆動力を発生する請求項２に記載の操作入力装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の操作入力装置と、
   該操作入力装置により操作される前記医療用マニピュレータとを備える医療用マニピュレータシステム。

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