JPWO2017006373A1 - ロボットアームの関節及び外科機器 - Google Patents

Abstract

ロボットアーム（２）のリンク（２２）間を連結する関節（２５）は、板厚方向（Ｚ）に並べられた複数の板状のセグメント（４）と、複数のセグメント（４）に亘って板厚方向（Ｚ）に通された操作ワイヤ（７１ａ，７１ｂ）とを備えている。隣接するセグメント（４）において板厚方向（Ｚ）に対峙している２つの主面（４１，４２）のうち、一方の主面（４１）の第１方向（Ｙ）の中央に第２方向（Ｘ）へ延伸する横断面部分円形状の溝（４３）が設けられ、他方の主面（４２）の第１方向（Ｙ）の中央に第２方向（Ｘ）に延伸する横断面部分円形状の突条（４８）が設けられている。突条（４８）の曲率は溝（４３）の曲率よりも大きく、突条（４８）は溝（４３）に嵌って溝（４３）の底部（４３ａ）と突条（４８）の頂部（４８ａ）とが接触しており、突条（４８）の板厚方向（Ｚ）の寸法が、溝（４３）の板厚方向（Ｚ）の寸法よりも大きく且つ溝（４３）の底部（４３ａ）と縁部（４３ｂ）を繋ぐ線分（Ｌ）の長さより小さい。

Description

本発明は、ロボットアームの関節、及びこのロボットアームの先端に外科ツールが取り付けられた外科機器に関する。

近年、内視鏡下外科手術（又は腹腔鏡下手術とも呼ばれる）が注目されている。内視鏡下外科手術では、シャフトの先端に外科ツールが取り付けられて成る外科機器が使用される。外科ツールには、例えば、鉗子、把持器、鋏、ステープラ、針保持器、及び電気メスなどがあり、作業の内容に応じた外科ツールが用いられる。内視鏡下外科手術では、患者の腹部等に１又は複数の孔を開け、器具の通過ポートとしてトラカールを挿入した後、腹腔鏡及び外科ツールをトラカールを通じて体腔内に挿入して患部の手術を行う。外科医は、腹腔鏡から撮影された外科部位の画像を表示するモニタを利用して処理を監視し、腹部の外側から外科機器を操作する。

特許文献１と特許文献２には、この種の外科機器が示されている。特許文献１の外科機器（医療用マニピュレータ）は、接続ブロックと、外科ツールを含む先端動作部と、接続ブロックと尖端動作部とを連結するシャフトと、ワイヤによって先端動作部を駆動するアクチュエータとを有する。シャフトは、第１中間関節及び第２中間関節を有する。中間関節は、複数の円板状のセグメントがシャフト軸方向と平行に積層されて成る。各セグメントには、ワイヤが通され、ワイヤの弛緩と緊張によって関節が屈曲駆動される。また、連続する３つのセグメントにおいて、１つ目のセグメントに対し２つ目のセグメントがシャフト軸方向と直交する第１軸を中心として回動可能に連結され、２つ目のセグメントに対し３つ目のセグメントがシャフト軸方向と直交し且つ第１軸と９０°位相の異なる第２軸を中心として回動可能に連結されている。

特許文献２の外科機器（外科手術デバイス）は、ハウジングと、ハウジングから延びるシャフトと、シャフトの先端に設けられたエンドエフェクタとを備えている。シャフトは少なくとも１つの関節運動部分を有し、この関節運動部分は入れ子状に直列に配置された複数のジョイントで形成されている。複数のジョイントの各々は遠位ナックル及び近位クレビスを有し、各ナックルは隣接するジョイントのクレビスに作動可能に係合している。

特開２００９−１６００１１号公報 特開２０１３−１０３１３７号公報

上記特許文献１のシャフトは、中間関節において、シャフトの横断面上で上下左右の所望の角度に屈曲させることができる。しかし、その反面、関節の屈曲が複雑であるためにその制御も複雑となる。また、関節の屈伸に伴って、関節の内部を通された当該関節の屈伸に関与しないワイヤや配線などまでも弛緩又は緊張される。

また、上記特許文献２の外科手術デバイスでは、ジョイントのナックルの先端が隣接するジョイントのクレビスに嵌ることによって、隣接するジョイント同士の動作範囲を確保すべく離間されている。しかしながら、一つのジョイントの厚みは比較的大きく、複数のジョイントによって謂わば「曲がる管」が形成されているにとどまる。この曲がる管の屈曲半径は、ピンジョイントなどと比較して大きい。関節の屈伸時に、関節の内部を通された当該関節の屈伸に関与しないワイヤや配線などの弛緩又は緊張を抑えるためには、関節の屈曲半径がより小さく、且つ、関節の中心軸線の長さが屈曲にかかわらず一定であることが望ましい。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、先行技術の問題点の少なくとも一つを軽減することである。

本発明の一態様に係るロボットアームの関節は、ロボットアームのリンク間を連結する関節であって、
板厚方向に並べられた複数の板状のセグメントと、
前記複数のセグメントの前記板厚方向と直交する第１方向の中央を介して当該第１方向の両側において、前記複数のセグメントに亘って前記板厚方向に通された操作ワイヤとを備え、
隣接するセグメントにおいて前記板厚方向に対峙している２つの主面のうち、一方の主面の前記第１方向の中央に前記第１方向と直交する第２方向へ延伸する横断面部分円形状の溝が設けられ、他方の主面の前記第１方向の中央に前記第２方向に延伸する横断面部分円形状の突条が設けられており、
前記突条の横断面形状の曲率は前記溝の横断面形状の曲率よりも大きく、
前記突条は前記溝に嵌って前記溝の底部と前記突条の頂部とが接触しており、
前記突条の前記板厚方向の寸法が、前記溝の前記板厚方向の寸法よりも大きく、且つ、前記溝の底部と縁部を繋ぐ線分の長さより小さいものである。

また、本発明の一実施形態に係る外科機器は、
前記ロボットアームの関節を具備するロボットアームと、
前記ロボットアームの先端に設けられたエンドエフェクタとを備えるものである。

上記関節及び外科機器によれば、突条の曲率が溝の曲率よりも大きいことから、突条の頂部の第１方向の両側では、溝と突条との間に間隙が存在する。この間隙を利用して、隣接するセグメントのうち一方のセグメントは他方のセグメントに対して、突条の頂部を中心として回動することができる。このような隣接するセグメントの相対的な回動によって関節が屈伸するが、関節の曲げの大小にかかわらず、溝の底部と突条の頂部との接触が維持される。よって、複数のセグメントに亘って隣接するセグメントの接点を板厚方向に繋いだ線の長さの変化が小さい。そして、この線と重複するように関節の屈伸に関与しない配線類を配線することによって、これらの配線類の関節の屈伸に伴う弛緩又は緊張を抑えることができる。

上記に加えて、突条の板厚方向の寸法が溝の板厚方向の寸法よりも大きいことから、関節が伸びているときに溝の縁部が突条を除く他方の主面と接触しない。また、突条の板厚方向の寸法が溝の底部と縁部を繋ぐ線分の長さより小さいことから、関節が曲がると溝の縁部が突条を除く他方の主面と当接して、隣接するセグメントの相対的な回動が規制される。このような、突条と溝の寸法関係により、隣接するセグメントの相対的な回動を許容しつつ、隣接するセグメントの対峙する主面を板厚方向に近づけることができる。よって、関節の板厚方向の所定の寸法内により多くのセグメントを配置することが可能となり、関節の屈曲半径をより小さくすることが可能となる。

本発明によれば、先行技術の問題点の少なくとも一つが軽減された、外科機器及び、この外科機器が備えるロボットアームの関節を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る外科機器の概略構成を示す図である。 図２は、ロボットアームの関節部分の概略構成を示す断面図である。 図３Ａは、セグメントを板厚方向Ｚから見た図である。 図３Ｂは、セグメント（中間セグメント）の中心線を含む断面図である。 図４は、第１エンドセグメントの中心線を含む断面図である。 図５は、第２エンドセグメントの中心線を含む断面図である。 図６は、突条と溝との寸法関係を説明する図である。 図７は、変形例１に係る関節の概略構成を示す断面図である。 図８Ａは、変形例１に係る関節の第１エンドセグメントの中心線を含む断面図である。 図８Ｂは、変形例１に係る関節のセグメント（中間セグメント）の中心線を含む断面図である。 図８Ｃは、変形例１に係る関節の第２エンドセグメントの中心線を含む断面図である。 図９は、変形例２に係る関節の概略構成を示す断面図である。 図１０Ａは、変形例２に係る関節の第１エンドセグメントの中心線を含む断面図である。 図１０Ｂは、変形例２に係る関節のセグメント（中間セグメント）の中心線を含む断面図である。 図１０Ｃは、変形例２に係る関節の第２エンドセグメントの中心線を含む断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る外科機器１の概略構成を示す図である。図１に示すように、外科機器１は、所謂医療用マニピュレータであって、細長いシャフト状のロボットアーム２と、ロボットアーム２の先端に連結されたエンドエフェクタ２４とを備えている。ロボットアーム２は、基端に設けられたベース２１と、先端に設けられた手首２３と、ベース２１と連結された軟性シャフト２６と、軟性シャフト２６と手首２３との間に設けられた複数のリンク２２と、複数のリンク２２の間を連結する関節２５（本発明に係るロボットアーム２の関節の一態様）とを備えている。

ベース２１は図示されない移動機構や駆動機構と接続される。軟性シャフト２６は、ベース２１に対し回動可能に連結されている。軟性シャフト２６は、柔軟性と、入力されたトルクを複数のリンク２２のうち基端のリンク２２へ伝達するトルク伝達性とを有している。複数のリンク２２は、硬性の筒状部材であり、内部にワイヤや配線類が挿通されている。手首２３は、エンドエフェクタ２４を複数のリンク２２のうち先端のリンク２２に対して回動可能に連結している。

上記エンドエフェクタ２４とは、患者の腹腔における外科部位に挿入され、外科部位における目標組織の所望の処理又は医療機能を実行するために腹腔の外側から駆動可能な実際の被操作部を意味する。エンドエフェクタ２４は、例えば、鉗子、把持器、鋏、ステープラ、針保持器、及び電気メスなどの外科ツールであって良い。また、エンドエフェクタ２４は、例えば、電子外科電極、トランスデューサ、センサなどの電気的に駆動される機器であってもよい。また、エンドエフェクタ２４は、例えば、吸入、ガス注入、洗浄、処理流体、アクセサリ導入、生検摘出などのための流体を供給するノズルであってもよい。或いは、エンドエフェクタ２４は、カメラなどの撮像装置が搭載されたものであってもよい。

そして、上記外科機器１とは、上記のエンドエフェクタ２４を有する機器を意味する。外科機器１は、外科医によって直接的に操作されてもよいし、ロボットなどを用いた遠隔外科システムによって遠隔操作されてもよい。

ここで、リンク２２間を連結する関節２５について詳細に説明する。本実施形態に係るロボットアーム２は２つの関節２５を備えているが、これらは類似の構成を有している。

図２は、ロボットアーム２の関節２５部分の概略構成を示す断面図であり、伸びた状態の関節２５が示されている。図２に示すように、関節２５は、板厚方向Ｚに直列的に並べられた複数の板状のセグメント４と、複数のセグメント４に亘って板厚方向Ｚに挿通された少なくとも１本の操作ワイヤ７１ａ，７１ｂとで構成されている。

板厚方向Ｚに積層された複数のセグメント４のうち、一方の端に位置するセグメント４を第１エンドセグメント４Ａと表して他のセグメント４と区別することがある。また、板厚方向Ｚに積層された複数のセグメント４のうち、他方の端に位置するセグメント４を第２エンドセグメント４Ｂと表して他のセグメント４と区別することがある。更に、第１エンドセグメント４Ａと第２エンドセグメント４Ｂの間に配置された複数のセグメント４を、中間セグメント４Ｃと表して第１エンドセグメント４Ａ及び第２エンドセグメント４Ｂと区別することがある。第１エンドセグメント４Ａと第２エンドセグメント４Ｂは、それぞれリンク２２と結合されている。

ここで、セグメント４の構成（形状）について詳細に説明する。図３Ａはセグメント４を板厚方向Ｚから見た図、図３Ｂはセグメント４（中間セグメント４Ｃ）の中心線Ｃを含む断面図である。以下では、説明の便宜を図って、図３Ａの紙面左右方向を「第１方向Ｙ」といい、図３Ａの紙面上下方向を「第２方向Ｘ」ということとする。

図３Ａ，３Ｂに示すように、セグメント４は、概ね円形厚板状を成し、表裏を成す２つの主面を有している。２つの主面のうち板厚方向Ｚの一方を向いた主面を第１面４１といい、２つの主面のうち板厚方向Ｚの他方を向いた主面を第２面４２ということとする。また、各主面４１，４２の中心を通る板厚方向Ｚと平行な線を「中心線Ｃ」と規定し、中心線Ｃと直交し且つ第１方向Ｙ及び第２方向Ｘに平行な仮想平面を「基準面Ｐ」と規定する。

セグメント４の第１面４１の第１方向Ｙ中央には、横断面部分円形状の溝４３が形成されている。溝４３は、第１面４１の第２方向Ｘ全域に亘って第２方向Ｘへ延伸している。つまり、溝４３の第２方向Ｘの寸法とセグメント４の第２方向Ｘの寸法は実質的に等しい。

また、セグメント４の第２面４２の第１方向Ｙ中央には、横断面部分円形状の突条４８が形成されている。突条４８は、第２面４２の第２方向Ｘ全域に亘って第２方向Ｘへ延伸している。つまり、突条４８の第２方向Ｘの寸法とセグメント４の第２方向Ｘの寸法は実質的に等しい。

更に、セグメント４の第１面４１と第２面４２には、セグメント４の溝４３又は突条４８の縁部よりも第１方向Ｙの両方の周縁部が薄肉となるように、基準面Ｐに対する傾きが設けられている。特に図３Ｂに示すように、セグメント４を第２方向Ｘから見たときに、第１面４１を中心線Ｃによって第１方向Ｙの一方側の半面４１ａと他方側の半面４１ｂとに仮想的に分けると、一方側の半面４１ａと他方側の半面４１ｂは共に基準面Ｐに対して傾き、一方側の半面４１ａと他方側の半面４１ｂとで傾きの方向が逆になっている。同様に、セグメント４を第２方向Ｘから見たときに、第２面４２を中心線Ｃによって第１方向Ｙの一方側の半面４２ａと他方側の半面４２ｂとに仮想的に分けると、一方側の半面４２ａと他方側の半面４２ｂは共に基準面Ｐに対して傾き、一方側の半面４２ａと他方側の半面４２ｂとで傾きの方向が逆になっている。

そして、セグメント４を第２方向Ｘから見たときに、第１面４１の一方側の半面４１ａの傾きと他方側の半面４１ｂの傾きは中心線Ｃを中心として対称であり、第２面４２の一方側の半面４２ａの傾きと他方側の半面４２ｂの傾きは中心線Ｃを中心として対称である。このようにして、セグメント４は、溝４３又は突条４８の縁部から周縁部に向けてテーパ状に先細りとなっている。

また、セグメント４には、溝４３又は突条４８を間に挟んで第１方向Ｙの両側に、セグメント４を第１面４１から第２面４２まで貫通する操作孔４４，４４が設けられている。これらの操作孔４４，４４は、セグメント４の第２方向Ｘ中央に位置している。

更に、セグメント４には、セグメント４を貫通する少なくとも１つの貫通孔４５が設けられている。本実施形態では、第２方向Ｘに並ぶ３つの貫通孔４５が設けられている。貫通孔４５は、溝４３及び突条４８と重複する位置に設けられており、貫通孔４５は溝４３の底部と突条４８の頂部に開口している。

図４は第１エンドセグメント４Ａの中心線Ｃを含む断面図である。第１エンドセグメント４Ａは、上記セグメント４に対し、第２面４２に突条４８が設けられていない点、第２面４２に基準面Ｐからの傾きが設けられていない（即ち、第２面４２が基準面Ｐと平行な平面状である）点で相違し、他は実質的に同様の構成（形状）を有している。

図５は第２エンドセグメント４Ｂの中心線Ｃを含む断面図である。第２エンドセグメント４Ｂは、上記セグメント４に対し、第１面４１に溝４３が設けられていない点、第１面４１に基準面Ｐからの傾きが設けられていない（即ち、第１面４１が基準面Ｐと平行な平面状である）点で相違し、他は実質的に同様の構成（形状）を有している。

図２に戻って、各セグメント４は、隣接するセグメント４のうち一方のセグメント４の溝４３に他方のセグメント４の突条４８が嵌った状態となるように、板厚方向Ｚに並べられている。

上記のように板厚方向Ｚに並べられた複数のセグメント４において、各貫通孔４５は連通しており、これらの貫通孔４５にはこの関節２５の屈伸に関与しない配線類７２が挿通されている。このような配線類７２には、例えば、関節２５よりも先端側に配置された関節（手首２３を含む）及び、エンドエフェクタ２４などの可動部を操作するための操作ワイヤや、関節２５よりも先端側に配置されたセンサ類やエンドエフェクタ２４などの機器への配線などが含まれる。

また、上記のように板厚方向Ｚに並べられた複数のセグメント４において、各操作孔４４は連通しており、これらの操作孔４４に関節２５を操作するための操作ワイヤ７１ａ，７１ｂが挿通されている。

操作ワイヤ７１ａ，７１ｂの一方の端部は、第１エンドセグメント４Ａ又はその近傍に固定されている。また、操作ワイヤ７１ａ，７１ｂの他方の端部は、ベース２１に設けられたリール７３に固定されている。なお、２本の操作ワイヤ７１ａ，７１ｂは、これらが繋がった態様の一本のワイヤであってもよい。この操作ワイヤ７１ａ，７１ｂによって、板厚方向Ｚに並べられた複数のセグメント４は結合され、隣接するセグメント同士は板厚方向Ｚに圧接されている。リール７３が図示されないモータによって回転駆動されることによって、操作ワイヤ７１ａ，７１ｂの一方が緊張され他方が弛緩される。ここでは、各操作ワイヤ７１ａ，７１ｂの緊張と弛緩は連動しているが、各操作ワイヤ７１ａ，７１ｂが独立して操作可能に構成されていてもよい。

更に、上記のように板厚方向Ｚに並べられた複数のセグメント４において、隣接するセグメント４の板厚方向Ｚに対峙している２つの主面４１，４２に設けられた突条４８と溝４３は、所定の寸法関係を有する。即ち、突条４８の横断面形状の曲率は溝４３の横断面形状の曲率よりも大きい。更に、突条４８の板厚方向Ｚの寸法は、溝４３の板厚方向Ｚの寸法よりも大きく且つ溝４３の底部４３ａと縁部４３ｂを繋ぐ線分の長さより小さい。以下、突条４８と溝４３の所定の寸法関係について具体的に説明する。

図６は突条４８と溝４３の所定の寸法関係を説明する図である。この図では、見やすくするために断面のハッチング、貫通孔４５、及び操作孔４４などが省略されている。図６に示すように、隣接するセグメント４ａ，４ｂの板厚方向Ｚに対峙している２つの主面４１，４２には、それぞれ溝４３と突条４８が設けられている。突条４８の横断面形状の部分円の曲率は、溝４３の横断面形状の部分円の曲率よりも大きい。換言すれば、突条４８の横断面形状の部分円の曲率半径は溝４３の横断面形状の部分円の曲率半径よりも小さい。そして、隣接するセグメント４ａ，４ｂは板厚方向Ｚに圧接されているので、溝４３に嵌め込まれた突条４８の頂部４８ａは溝４３の底部４３ａと接触する。突条４８の頂部４８ａの第１方向Ｙの両側では、溝４３と突条４８との間に間隙が形成されている。この間隙を利用して、一方のセグメント４ａに対し、他方のセグメント４ｂは突条４８の頂部４８ａ（溝４３の底部４３ａ）を中心として回動することができる。このような隣接するセグメント４ａ、４ｂの相対的な回動によって、関節２５が屈伸する。

また、突条４８の板厚方向Ｚの寸法Ｄ１は、溝４３の板厚方向Ｚの寸法Ｄ２よりも大きい。これにより、関節２５が伸びているときに、溝４３の縁部４３ｂが突条４８を除くセグメント４ｂの第２面４２と接触せず、隣接するセグメント４ａ、４ｂの相対的な回動が許容される。なお、突条４８の板厚方向Ｚの寸法Ｄ１とは、セグメント４ｂの第２面４２から突条４８の頂部４８ａまでの板厚方向Ｚの大きさである。また、溝４３の板厚方向Ｚの寸法Ｄ２とは、セグメント４ａの第１面４１から溝４３の底部４３ａまでの板厚方向Ｚの大きさである。

更に、溝４３の底部４３ａと縁部４３ｂとを繋ぐ線分Ｌの長さをＤ３と規定したときに、突条４８の板厚方向Ｚの寸法Ｄ１は、長さＤ３よりも小さい。これにより、関節２５が曲がると、溝４３の縁部４３ｂが突条４８を除くセグメント４ｂの第２面４２と当接して、隣接するセグメント４ａ，４ｂの相対的な回動が規制される。

以上に説明したように、本実施形態に係る外科機器１は、関節２５を具備するロボットアーム２と、ロボットアーム２の先端に設けられたエンドエフェクタ２４とを備えている。

そして、本実施形態に係るロボットアーム２の関節２５は、ロボットアーム２のリンク２２間を連結する関節２５であって、板厚方向Ｚに並べられた複数の板状のセグメント４と、複数のセグメント４の第１方向Ｙの中央を介して当該第１方向Ｙの両側において、複数のセグメント４に亘って板厚方向Ｚに通された操作ワイヤ７１ａ，７１ｂとを備えている。なお、本実施形態において各セグメント４の外形は円形であるが、これに限定されず、矩形、円形、などであってもよい。

上記関節２５の隣接するセグメント４において板厚方向Ｚに対峙している２つの主面４１，４２のうち、一方の主面（第１面４１）の第１方向Ｙの中央に第２方向Ｘへ延伸する横断面部分円形状の溝４３が設けられ、他方の主面（第２面４２）の第１方向Ｙの中央に第２方向Ｘに延伸する横断面部分円形状の突条４８が設けられている。そして、突条４８の横断面形状の曲率は溝４３の横断面形状の曲率よりも大きく、突条４８は溝４３に嵌って溝４３の底部４３ａと突条４８の頂部４８ａとが接触しており、突条４８の板厚方向Ｚの寸法Ｄ１が、溝４３の板厚方向Ｚの寸法Ｄ２よりも大きく、且つ、溝４３の底部４３ａと縁部４３ｂを繋ぐ線分Ｌの長さＤ３より小さい。

上記構成の関節２５において、操作ワイヤ７１ａ，７１ｂのうち一方を緊張させ、他方を弛緩させることにより、伸びている関節２５を曲げることができる。また、２本の操作ワイヤ７１ａ，７１ｂの両方を弛緩させることにより、曲がっている関節２５を伸ばすことができる。関節２５は、板厚方向Ｚと第２方向Ｘにより規定される平面内で屈伸するので、関節２５の屈伸の制御や関節２５よりも先端側に設けられた関節（手首２３を含む）やエンドエフェクタ２４の制御が複雑にならない。また、本実施形態に係る外科機器１のように、ロボットアーム２に２つ以上の関節２５を含む場合には、各関節２５が同じ平面内で屈曲するように構成されていることが望ましい。関節２５の屈伸の制御や関節２５よりも先端側に設けられた関節やエンドエフェクタ２４の制御が複雑とならない。

また、上記関節２５によれば、突条４８の曲率が溝４３の曲率よりも大きいことから、突条４８の頂部４８ａの第１方向Ｙの両側では、溝４３と突条４８との間に間隙が存在する。この間隙を利用して、隣接するセグメント４のうち一方のセグメント４は他方のセグメント４に対して、突条４８の頂部４８ａを中心として回動することができる。このような隣接するセグメント４の相対的な回動によって関節２５が屈伸するが、関節２５の曲げの大小にかかわらず、溝４３の底部４３ａと突条４８の頂部４８ａとの接触が維持される。よって、複数のセグメント４に亘って隣接するセグメント４の接点を板厚方向Ｚに繋いだ線（関節２５の中心軸線）の長さの変化が小さい。つまり、関節２５の中心軸線が関節２５の屈曲にかかわらず実質的に一定である。そして、この線と重複するように関節２５の屈伸に関与しない配線類７２を配線することによって、これらの配線類７２の関節２５の屈伸に伴う弛緩又は緊張を抑えることができる。

上記に加えて、突条４８の板厚方向Ｚの寸法Ｄ１が溝４３の板厚方向Ｚの寸法Ｄ２よりも大きいことから、関節２５が伸びているときに溝４３の縁部４３ｂが突条４８を除く第２面４２と接触しない。また、突条４８の板厚方向Ｚの寸法Ｄ１が溝４３の底部４３ａと縁部４３ｂを繋ぐ線分Ｌの長さＤ３より小さいことから、関節２５が曲がると溝４３の縁部４３ｂが突条４８を除く第２面４２と当接して、隣接するセグメント４の相対的な回動が規制される。このような、突条４８と溝４３の寸法関係により、隣接するセグメント４の相対的な回動を許容しつつ、隣接するセグメント４の対峙する主面４１，４２を板厚方向Ｚに近づけることができる。

上記のような突条４８と溝４３の寸法関係によれば、関節２５の板厚方向Ｚの所定の寸法内により多くのセグメント４を配置することが可能となる。所定の寸法内のセグメント４の数が大きいほど、関節２５の屈曲形状は円弧に近づく。関節２５の屈曲形状が円弧に近づけば、関節２５の曲げはリール７３の回転のみで制御できる程度に単純となり得る。加えて、所定の寸法内のセグメント４の数を適切に選択することによって関節２５の屈曲半径を小さくすることができる。このようにして、関節２５を「曲がる管」ではなく、恰も「ピンジョイント」のように動作させることが可能となる。

また、本実施形態に係る関節２５において、複数のセグメント４の貫通孔４５は連通しており、ここに、関節２５よりも先端側に配置された関節（手首２３を含む）、エンドエフェクタ２４などの配線類７２が挿通されている。これらの貫通孔４５により形成された配線類７２の経路長は、上記のように関節２５が屈伸しても影響を受けず、殆ど変化しない。よって、関節２５よりも先端側に配置された関節、エンドエフェクタ２４などの配線類７２の操作に、関節２５の屈伸に伴う経路長の変動を考慮しなくてもよいので、これらの手首２３やエンドエフェクタ２４を独立して制御することが容易となる。また、突条４８と溝４３はセグメント４の第２方向Ｘのほぼ全域に亘って延びており、この範囲に貫通孔４５を設けることができるので、より多くの配線類７２を通すことが可能である。

また、本実施形態において、複数のセグメント４のうち少なくとも１つのセグメント４は、当該セグメント４の第１方向Ｙの中央を介して第１方向Ｙの一方側及び他方側の少なくとも一方において、当該セグメント４の板厚が溝４３又は突条４８の縁部から第１方向Ｙの端部に向けて漸次小さくなっている。

本実施形態に係るセグメント４においては、セグメント４の第１方向Ｙの中央を介して第１方向Ｙの一方側及び他方側の両方において、溝４３又は突条４８の縁部からセグメント４の第１方向Ｙの周縁部に向けて板厚が漸次小さくなるように、セグメント４の第１面４１及び第２面４２の少なくとも一方に第１方向Ｙ（基準面Ｐ）に対する傾きが設けられている。

特に、本実施形態に係る中間セグメント４Ｃは、セグメント４の第１方向Ｙの中央を介して第１方向Ｙの一方側及び他方側において、当該セグメント４の板厚が溝４３又は突条４８の縁部からセグメント４の第１方向Ｙの周縁部に向けてテーパ状に漸次小さくなっている。

上記のように、セグメント４の第１方向Ｙの中央を介して第１方向Ｙの一方側及び他方側の少なくとも一方において先細りになっていることによって、隣接するセグメント４のうち一方のセグメント４に対し他方のセグメント４を第１方向Ｙのうち板厚が先細りとなっている側へ回動させることができる。そして、セグメント４の板厚の先細りの程度に応じて、関節２５の最大屈曲角度を決定することができる。

また、本実施形態の外科機器１において、ロボットアーム２は、柔軟性及びトルク伝達性を有する軟性シャフト２６と、エンドエフェクタ２４と連結された手首２３と、軟性シャフト２６と手首２３の間に設けられた複数のリンク２２と、複数のリンク２２の間を連結する関節２５とを有する。

上記外科機器１では、関節２５は或る一平面内で屈伸するが、軟性シャフト２６によってリンク２２をその軸心周りに回転させることができる。結果として、関節２５を所望の方向及び角度に屈曲させることができ、エンドエフェクタ２４を三次元空間において所望の位置に移動させることができる。

〔変形例１〕
次に、上記実施形態の外科機器１におけるロボットアーム２の関節２５の変形例１を説明する。図７は、変形例１に係るロボットアーム２の関節２５Ａの概略構成を示す断面図である。図８Ａは、変形例１に係る関節２５Ａの第１エンドセグメント４Ａの中心線Ｃを含む板厚方向Ｚ−第１方向Ｙの断面図であり、図８Ｂは、変形例１に係る関節２５Ａの中間セグメント４Ｃの中心線Ｃを含む板厚方向Ｚ−第１方向Ｙの断面図であり、図８Ｃは、変形例１に係る関節の第２エンドセグメント４Ｂの中心線Ｃを含む板厚方向Ｚ−第１方向Ｙの断面図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

図１に示すように、上記実施形態では、関節２５を第１方向Ｙの一方側と他方側の両方へ屈曲させることが可能であった。これに対し、図７に示すように、変形例１に係る関節２５Ａでは、関節２５Ａを第１方向Ｙの一方側へのみ屈曲させることができる。上記実施形態に係る関節２５に対し、変形例１に係る関節２５Ａはセグメント４の主面４１，４２の傾きが相違する。そこで、以下では、セグメント４の主面４１，４２の傾きについて詳細に説明する。

図８Ｂに示すように、変形例１に係る関節２５Ａのセグメント４（中間セグメント４Ｃ）では、第１面４１を中心線Ｃによって第１方向Ｙの一方側の半面４１ｂと他方側の半面４１ａとに分け、第２面４２を中心線Ｃによって第１方向Ｙの一方側の半面４２ｂと他方側の半面４２ａとに分けたときに、一方側の半面４１ｂと一方側の半面４２ｂに第１方向Ｙ（基準面Ｐ）に対する傾きが設けられている。これにより、セグメント４の中心線Ｃから第１方向Ｙの一方側の半分では、溝４３又は突条４８の縁部から第１方向Ｙの周縁部に向けて板厚が先細りとなっている。特に、中間セグメント４Ｃでは、中間セグメント４Ｃの中心線Ｃから第１方向Ｙの一方側の半分において、溝４３及び突条４８の縁部から第１方向Ｙの周縁部に向けて板厚がテーパ状に先細りとなっている。

図８Ａに示すように、変形例１に係る関節２５Ａの第１エンドセグメント４Ａは、上記セグメント４に対し、第２面４２に突条４８が設けられていない点、及び、第２面４２に基準面Ｐからの傾きが設けられていない（即ち、第２面４２が基準面Ｐと平行な平面状である）点で相違し、他は実質的に同様の構成（形状）を有している。

図８Ｃに示すように、変形例１に係る関節２５Ａの第２エンドセグメント４Ｂは、上記セグメント４に対し、第１面４１に溝４３が設けられていない点、及び、第１面４１に基準面Ｐからの傾きが設けられていない（即ち、第１面４１が基準面Ｐと平行な平面状である）点で相違し、他は実質的に同様の構成（形状）を有している。

上記構成の関節２５Ａでは、セグメント４の第１方向Ｙの中央を介して第１方向Ｙの一方側において溝４３又は突条４８の縁部から当該セグメント４の第１方向Ｙの周縁部に向けて板厚が漸次小さくなっている。そして、図７に戻って、上記構成の関節２５Ａは、突条４８の頂部４８ａ（溝４３の底部４３ａ）を中心として第１方向Ｙの一方にのみ曲がることができる。このように、関節２５Ａの曲げの自由度を制限することによって、関節２５Ａの屈曲方向を安定化させ、関節２５Ａ及びその先端側に設けられた関節やエンドエフェクタ２４の制御を簡易とすることができる。

〔変形例２〕
次に、上記実施形態の外科機器１におけるロボットアーム２の関節２５の変形例２を説明する。図９は、変形例２に係るロボットアーム２の関節２５Ｂの概略構成を示す断面図である。図１０Ａは、変形例２に係る関節２５Ｂの第１エンドセグメント４Ａの中心線Ｃを含む板厚方向Ｚ−第１方向Ｙの断面図であり、図１０Ｂは、変形例１に係る関節２５Ｂのセグメント４（中間セグメント４Ｃ）の中心線Ｃを含む板厚方向Ｚ−第１方向Ｙの断面図であり、図１０Ｃは、変形例１に係る関節２５Ｂの第２エンドセグメント４Ｂの中心線Ｃを含む板厚方向Ｚ−第１方向Ｙの断面図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

図１に示すように、上記実施形態では、関節２５を第１方向Ｙの一方側と他方側の両方へ屈曲させることが可能であった。これに対し、図９に示すように、変形例２に係る関節２５Ｂでは、関節２５Ｂを第１方向Ｙの一方側へのみ屈曲させることができる。上記実施形態に係る関節２５と、変形例２に係る関節２５Ｂでは、各セグメント４の主面４１，４２の傾きが相違する。そこで、以下では、各セグメント４の主面４１，４２の傾きについて詳細に説明する。

図１０Ｂに示すように、変形例２に係る関節２５Ｂのセグメント４（中間セグメント４Ｃ）では、第１面４１を中心線Ｃによって第１方向Ｙの一方側の半面４１ｂと他方側の半面４１ａとに分けときに、第１面４１の一方側の半面４１ｂにのみ第１方向Ｙ（基準面Ｐ）に対する傾きが設けられている。これにより、中間セグメント４Ｃの中心線Ｃから第１方向Ｙの一方側の半分では、溝４３又は突条４８の縁部から第１方向Ｙの周縁部に向けて板厚が先細りとなっている。なお、セグメント４の第２面４２は基準面Ｐと平行であり、第２面４２には実質的に傾きが設けられていない。

図１０Ａに示すように、変形例２に係る関節２５Ｂの第１エンドセグメント４Ａは、上記セグメント４に対し、第２面４２に突条４８が設けられていない点、及び、第１面４１に基準面Ｐからの傾きが設けられていない（即ち、第１面４１が基準面Ｐと平行な平面状である）点で相違し、他は実質的に同様の構成（形状）を有している。

図１０Ｃに示すように、変形例２に係る関節２５Ｂの第２エンドセグメント４Ｂは、上記セグメント４に対し、第１面４１に溝４３が設けられていない点、及び、第１面４１に基準面Ｐからの傾きが設けられていない（即ち、第１面４１が基準面Ｐと平行な平面状である）点で相違し、他は実質的に同様の構成（形状）を有している。

上記構成の関節２５Ｂでは、中間セグメント４Ｃの第１方向Ｙの中央を介して第１方向Ｙの一方側において当該中間セグメント４Ｃの一方の主面のみが第１方向Ｙに対して傾いている。そして、図９に戻って、このような構成の関節２５Ｂでは、突条４８の頂部４８ａ（溝４３の底部４３ａ）を中心として第１方向Ｙの一方にのみ曲がることができる。このように、関節２５Ｂの曲げの自由度を制限することによって、関節２５Ｂの屈曲方向を安定化させ、関節２５Ｂ及びその先端側に設けられた関節やエンドエフェクタ２４の制御を簡易とすることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態（及び変形例）を説明した。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 ：外科機器
２ ：ロボットアーム
４ ：セグメント
４Ａ ：第１エンドセグメント
４Ｂ ：第２エンドセグメント
４Ｃ ：中間セグメント
２１ ：ベース
２２ ：リンク
２３ ：手首
２４ ：エンドエフェクタ
２５，２５Ａ，２５Ｂ ：関節
２６ ：軟性シャフト
４１，４２ ：主面
４３ ：溝
４３ａ ：底部
４３ｂ ：縁部
４４ ：操作孔
４５ ：貫通孔
４８ ：突条
４８ａ ：頂部
７１ａ，７１ｂ ：操作ワイヤ
７２ ：配線類
Ｃ ：中心線

Claims (7)

1. ロボットアームのリンク間を連結する関節であって、
   板厚方向に並べられた複数の板状のセグメントと、
   前記複数のセグメントの前記板厚方向と直交する第１方向の中央を介して当該第１方向の両側において、前記複数のセグメントに亘って前記板厚方向に通された操作ワイヤとを備え、
   隣接するセグメントにおいて前記板厚方向に対峙している２つの主面のうち、一方の主面の前記第１方向の中央に前記第１方向と直交する第２方向へ延伸する横断面部分円形状の溝が設けられ、他方の主面の前記第１方向の中央に前記第２方向に延伸する横断面部分円形状の突条が設けられており、
   前記突条の横断面形状の曲率は前記溝の横断面形状の曲率よりも大きく、
   前記突条は前記溝に嵌って前記溝の底部と前記突条の頂部とが接触しており、
   前記突条の前記板厚方向の寸法が、前記溝の前記板厚方向の寸法よりも大きく、且つ、前記溝の底部と縁部を繋ぐ線分の長さより小さい、
   ロボットアームの関節。
2. 前記複数のセグメントは、前記溝及び前記突条を通って前記複数のセグメントを前記板厚方向に貫通する貫通孔を有する、請求項１に記載のロボットアームの関節。
3. 前記溝及び前記突条の前記第２方向の寸法と、前記複数のセグメントの前記第２方向の寸法が実質的に等しい、請求項１又は２に記載のロボットアームの関節。
4. 前記複数のセグメントのうち少なくとも１つのセグメントは、当該セグメントの前記第１方向の中央を介して前記第１方向の一方側及び他方側の少なくとも一方において、当該セグメントの板厚が前記溝又は前記突条の縁部から前記第１方向の端部に向けて漸次小さくなっている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットアームの関節。
5. 前記少なくとも１つのセグメントは、当該セグメントの前記第１方向の中央を介して前記第１方向の一方側及び他方側の少なくとも一方において、当該セグメントの板厚が前記溝又は前記突条の縁部から前記第１方向の端部に向けてテーパ状に漸次小さくなっている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットアームの関節。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットアームの関節を具備するロボットアームと、
   前記ロボットアームの先端に設けられたエンドエフェクタとを備える、
   外科機器。
7. 前記ロボットアームは、柔軟性及びトルク伝達性を有する軟性シャフトと、前記エンドエフェクタと連結された手首と、前記軟性シャフトと前記手首の間に設けられた複数のリンクと、前記複数のリンクの間を連結する前記ロボットアームの関節とを有する、請求項６に記載の外科機器。

Images