JPWO2017208395A1 - マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

マニピュレータシステム（１）は、医療デバイス（１００）を保持する保持部（１０）と、保持部（１０）に連結された遠位関節部（１３）と、遠位関節部（１３）に連結された中間関節部（１７）と、中間関節部（１７）に連結された基端部（２０）と、中間関節部（１７）の能動関節（１８）を動作させる動力を発生させる駆動部（２１）と、駆動部（２１）を動作させる指令を生成して駆動部（２１）へ出力可能な制御部（３０）と、能動関節（１８）を動作させるために操作者が操作可能な操作部（２３）と、を有し、遠位関節部（１３）は、保持部（１０）と中間関節部（１７）とを屈曲又は回転可能に連結する受動関節（１４）と、受動関節（１４）の姿勢を検知する姿勢検知部（１６）とを有し、制御部（３０）は、姿勢検知部（１６）によって検知された姿勢及び能動関節（１８）の姿勢に基づいて前記指令を生成する。

Description

本発明は、マニピュレータシステムに関する。

トロカールを通じて体内に挿入された医療デバイスを遠隔操作するマニピュレータシステムが知られている。このようなマニピュレータシステムの使用時には、体壁に複数のトロカールを取り付けて、あるトロカールに挿入された医療デバイスを抜去して別のトロカールへと挿入することによって、体内への医療デバイスの挿入位置を変更する場合がある。たとえば特許文献１には、鉗子などの医療デバイスの体内への挿入位置の変更などに柔軟に対応可能な遠隔操作型手術システムが開示されている。特許文献１に開示された技術によれば、遠隔操作型手術システムの多自由度ロボットアームの可動域の範囲内で医療デバイスを移動させることによって、体内への医療デバイスの挿入位置を容易に変更することができる。

国際公開第２０１３／０１８９０８号

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、多自由度ロボットアームの可動域に限界があるので、医療デバイスの挿入位置を変更した後における医療デバイスの使用時に可動域が不足する可能性がある。
本発明は、医療デバイスの可動域が広いマニピュレータシステムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、医療デバイスを保持する保持部と、前記保持部に連結された遠位関節部と、前記遠位関節部に連結され、能動関節を有する中間関節部と、前記中間関節部に連結された基端部と、前記基端部に連結され前記能動関節を動作させる動力を発生させる駆動部と、前記能動関節の姿勢を取得可能であるとともに前記駆動部を動作させる指令を生成して前記駆動部へ出力可能な制御部と、前記制御部に接続され前記能動関節を動作させるために操作者が操作可能な操作部と、を有し、前記遠位関節部が、前記保持部と前記中間関節部とを屈曲又は回転可能に連結する受動関節と、前記受動関節に接続されているとともに前記制御部に接続され前記受動関節の姿勢を検知する姿勢検知部と、を有し、前記制御部は、前記姿勢検知部によって検知された姿勢及び前記能動関節の姿勢に基づいて前記指令を生成する、マニピュレータシステムである。

前記受動関節はトルクリミッタを有していてもよい。

前記制御部は、前記トルクリミッタの作動の有無を検知可能であってもよく、前記トルクリミッタが作動したことを検知した場合に前記操作部に対する操作に基づく前記能動関節の動作を停止させてもよい。

前記保持部は、前記医療デバイスの長手方向が前記能動関節の回動中心軸方向と直交する方向になるように前記医療デバイスを保持可能であってもよい。

前記遠位関節部は、前記遠位関節部と前記中間関節部とを着脱可能とする着脱部を有していてもよい。

本発明によれば、医療デバイスの可動域が広いマニピュレータシステムを提供することができる。

本発明の第１実施形態のマニピュレータシステムの全体図である。 同マニピュレータシステムの保持部近傍の拡大図である。 同マニピュレータシステムのブロック図である。 同マニピュレータシステムの動作説明図である。 同マニピュレータシステムの動作説明図である。 本発明の第２実施形態のマニピュレータシステムのブロック図である。 本発明の第３実施形態のマニピュレータシステムにおける保持部近傍の拡大図である。 本発明の第４実施形態のマニピュレータシステムにおける保持部近傍の拡大図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態のマニピュレータシステムの全体図である。図２は、マニピュレータシステムの保持部近傍の拡大図である。図３は、マニピュレータシステムのブロック図である。

図１に示すように、本実施形態のマニピュレータシステム１は、トロカール１０７を通じて患者Ｐの体内へ挿入される医療デバイス１００を取り付け可能なシステムである。本実施形態のマニピュレータシステム１に取り付けて使用される医療デバイス１００の例は、腹腔鏡視下手術において使用される鉗子や切開具などである。

たとえば、医療デバイス１００は、細長のシャフト１０１と、シャフト１０１の先端に配された処置部１０２と、シャフト１０１の基端に配された本体部１０５とを有している。
処置部１０２は、例えば、開閉動作可能な一対のジョー１０３と、処置部１０２をシャフト１０１に対して首振り可能に連結するジョイント１０４とを有している。
また、本実施形態では、処置部１０２を動作させるための動力源１０６が本体部１０５の内部に配されている。本体部１０５内の動力源１０６の動作は後述する制御部３０によって制御される。

図１から図３までに示すように、マニピュレータシステム１は、保持部１０と、遠位関節部１３と、中間関節部１７と、基端部２０と、駆動部２１と、制御部３０と、操作部２３とを備えている。

保持部１０は、医療デバイス１００を保持する。本実施形態の保持部１０は、医療デバイス１００のシャフト１０１を挿入可能な筒状部１１と、シャフト１０１を挟み込んで固定する固定機構１２とを有している。固定機構１２がシャフト１０１を固定したり開放したりする動作は、手動であってもよいし、制御部３０によって制御されてもよい。

遠位関節部１３は、保持部１０に連結されているとともに、中間関節部１７に連結されている。遠位関節部１３は、受動関節１４と、姿勢検知部１６とを有している。

受動関節１４は、遠位関節部１３が直線状態にあるときに互いに直交する３軸線をそれぞれ回転中心とする回転関節１５（第一関節１５ａ，第二関節１５ｂ，第三関節１５ｃ）を含む。
第一関節１５ａは、中間関節部１７の先端に配された先端関節（能動関節１８）に対して回転可能な関節である。
第二関節１５ｂは、第一関節１５ａの回転中心に対して直交する方向に延びる軸線を回転中心とする関節である。
第三関節１５ｃは、第二関節１５ｂの回転中心に対して直交する方向に延びる軸線を回転中心とする関節である。
受動関節１４が設けられていることによって、中間関節部１７の先端に対して保持部１０が首振り及び回転可能である。

受動関節１４に含まれる各回転関節１５は、医療デバイス１００の自重によって各回転関節１５が動いてしまうことが無いように、動作が制限されている。たとえば、医療デバイス１００の自重を支えることができる程度に各回転関節１５が動きにくくなるように、摩擦によって動作が制限されている。また、医療デバイス１００を保持する場合には各回転関節１５が固定され、医療デバイス１００を操作者が移動させる場合には各回転関節１５を自在に移動可能とするためのクラッチを各回転関節１５が有していてもよい。

姿勢検知部１６は、受動関節１４に接続されているとともに、制御部３０に接続されている（図３参照）。
姿勢検知部１６は、受動関節１４に含まれる回転関節１５の姿勢を検知する。姿勢検知部１６は、例えば、ロータリーエンコーダを含む。

図１に示すように、中間関節部１７は、遠位関節部１３に連結されている。
中間関節部１７は、複数の能動関節１８と、各能動関節１８の姿勢を検知するエンコーダ１９とを有している。
複数の能動関節１８は、不図示の動力伝達部材によって駆動部２１に接続されている。
エンコーダ１９は、中間関節部１７に設けられた複数の能動関節１８の姿勢を検知する。エンコーダ１９は、制御部３０に接続されている。

基端部２０は、中間関節部１７に連結されている。
基端部２０は、本実施形態のマニピュレータシステム１を用いた手術の対象となる患者が載置される載置台１１０に取り付けられている。基端部２０は、載置台１１０における複数の位置のいずれかに取り付け可能である。また、基端部２０は、載置台１１０に対して所定の範囲で移動可能となるように載置台１１０に連結されていてもよい。

駆動部２１は、基端部２０に連結されている。駆動部２１は、動力伝達部材（不図示）を介して能動関節１８に接続されている。駆動部２１は、制御部３０に電気的に接続されている。駆動部２１は、制御部３０による指令に従って、能動関節１８を動作させるための動力を発生させる。
なお、駆動部２１が基端部２０に連結されていることに代えて、中間関節部１７の各能動関節１８にアクチュエータ（不図示）を有し、制御部３０から各能動関節１８のアクチュエータへ指令が出力されるようになっていてもよい。
また、本実施形態の駆動部２１は、医療デバイス１００に対して、制御部３０による指令に従って、医療デバイス１００を動作させるための動力を伝達することができる。

操作部２３は、制御部３０に接続されている。操作部２３は、例えば、能動関節１８を動作させて医療デバイス１００の位置や姿勢を変化させるためのマスタアーム２４を有している。マスタアーム２４は、医療デバイス１００の処置部１０２を動作させる操作入力を行うための入力デバイス２５を有している。

図１及び図３に示すように、制御部３０は、中間関節部１７の各エンコーダ１９と、遠位関節部１３の姿勢検知部１６と、駆動部２１と、医療デバイス１００の本体部１０５と、操作部２３とに対して、電気的に接続されている。
制御部３０は、操作部２３からの入力を受け付ける操作入力部３１と、能動関節１８及び受動関節１４の姿勢に基づいて保持部１０及び医療デバイス１００の姿勢を算出する姿勢算出部３２と、操作入力部３１に対する入力に基づいて駆動部２１に対して指令を生成して出力する駆動制御部３３とを有している。

姿勢算出部３２は、保持部１０及び医療デバイス１００の姿勢を、所定の原点を基準とする座標系における座標データ等として取得する。

駆動制御部３３は、姿勢算出部３２が取得した座標データ等を始点として、操作入力部３１に対する入力に対応するように医療デバイス１００の移動方向及び移動速度を含む指令を生成し、この指令を駆動部２１へ出力する。

本実施形態では、受動関節１４の姿勢は操作者等によって手動で変更されるものであり、能動関節１８の姿勢は操作部２３における操作に従って制御部３０が駆動部２１を動作させることによって変更されるものである。ここで、制御部３０は、姿勢検知部１６において受動関節１４の姿勢を検知可能であり、操作者等が受動関節１４の姿勢を変更した場合に、変更後の姿勢を認識することができる。このため、制御部３０は、操作者等が受動関節１４の姿勢を変更したり、外力が医療デバイス１００にかかって受動関節１４の姿勢が変化したりする場合であっても、医療デバイス１００の位置及び姿勢を正しく認識することができる。

本実施形態のマニピュレータシステム１の作用について説明する。図４及び図５は、本実施形態のマニピュレータシステム１の動作説明図である。
本実施形態のマニピュレータシステム１の使用時には、図１に示すように医療デバイス１００の位置や姿勢を変化させるために、制御部３０が駆動部２１を動作させる。医療デバイス１００は、患者の体壁に留置されたトロカール１０７を通じて患者の体内へ導入される。体壁に対するトロカール１０７の留置位置は、患者に対する処置の内容に応じて決定される。また、体壁に複数のトロカール１０７が留置される場合もある。

マニピュレータシステム１の制御部３０は、医療デバイス１００がトロカール１０７を通じて体内に導入されたら、その状態の医療デバイス１００の姿勢を初期姿勢として認識するとともに、トロカール１０７の位置を不動点として設定する。制御部３０によって不動点が設定された後、制御部３０は、不動点を揺動中心として医療デバイス１００が揺動するように、操作部２３に対する操作に基づいて駆動部２１を動作させる。また、制御部３０は、医療デバイス１００のシャフト１０１をその軸線方向に進退させるように駆動部２１を動作させることもできる。この場合、医療デバイス１００における不動点の位置はシャフト１０１の進退に応じて変化する。

体壁に複数のトロカール１０７が留置されている場合に、医療デバイス１００が挿入されるトロカール１０７を、あるトロカール１０７（例えば図１に示す第一トロカール１０７ａ）から別のトロカール１０７（例えば図１に示す第二トロカール１０７ｂ）へと変更する場合がある。このとき、本実施形態では、操作者が受動関節１４（図２参照）を動作させることによって、別のトロカール１０７ｂ近傍へと医療デバイス１００を移動させた後に医療デバイス１００を処置に適した初期姿勢とすることができ、且つ、中間関節部１７における各能動関節１８が極端に屈曲していない状態とすることができる。
図４及び図５は、トロカール１０７ｂへ挿入されて適切な初期位置に配された医療デバイス１００を保持するマニピュレータシステム１における２つの異なる姿勢の例を示している。図４は、受動関節１４が直線状である場合のマニピュレータシステム１の姿勢を示している。図５は、受動関節１４を構成する回転関節１５のうち第二関節１５ｂが動作して受動関節１４が屈曲状態とされた場合のマニピュレータシステム１の姿勢を示している。
図４に示す姿勢と比較して、図５に示す姿勢では、中間関節部１７の姿勢に余裕がある。これにより、受動関節１４がなければ中間関節部１７の可動域を消費して医療デバイス１００の姿勢を調整しなければならないことに対して、本実施形態では中間関節部１７の可動域を広く残しておくことができる。

以上に説明したように、本実施形態のマニピュレータシステム１は、遠位関節部１３が受動関節１４を有していることによって、中間関節部１７の能動関節１８を使用せずに医療デバイス１００の姿勢を変更することができる。その結果、本実施形態のマニピュレータシステム１は、医療デバイス１００の可動域が広い。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態に開示された構成要素と同様の構成要素には、第１実施形態と同一の符号が付され、重複する説明は省略される。図６は、本実施形態のマニピュレータシステムのブロック図である。

図６に示すように、本実施形態のマニピュレータシステム２は、受動関節１４がトルクリミッタ４０を有している。また、本実施形態のマニピュレータシステム２の制御部３０は、姿勢算出部３２においてトルクリミッタ４０の作動の有無を検知可能であり、トルクリミッタ４０が作動したことを検知した場合には、操作部２３に対する操作に基づく能動関節１８の動作を停止させることができる。

本実施形態において、トルクリミッタ４０が作動する程度に受動関節１４に外力がかかった場合には、受動関節１４の姿勢は外力に応じて変化する。たとえば、駆動部２１が医療デバイス１００を移動させたときに医療デバイス１００が他の器具等に衝突した場合には、医療デバイス１００がこの器具等から受ける外力によって、トルクリミッタ４０が作動する。すると、受動関節１４の姿勢が変化するとともに、能動関節１８の動作が停止する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図７は、本実施形態のマニピュレータシステムにおける保持部近傍の拡大図である。

図７に示すように、本実施形態のマニピュレータシステム３における中間関節部１７は、中間関節部１７における最も遠位側の能動関節１８がロール関節１８ａとされており、このロール関節１８ａによって遠位関節部１３と接続されている。
また保持部１０は、医療デバイス１００の長手方向Ｌ２がこのロール関節１８ａの回動中心軸が延びる方向Ｌ１と直交する方向になるように医療デバイス１００を保持可能である。

本実施形態では、医療デバイス１００の本体部１０５が中間関節部１７に干渉しにくいので、中間関節部１７の可動範囲を広く確保することができる。
なお、本実施形態において、医療デバイス１００の長手方向Ｌ２がロール関節１８ａの回転中心軸が延びる方向Ｌ１と直交していなくてもよい、例えば、医療デバイス１００の長手方向がロール関節１８ａの回転中心軸が延びる方向に対して所定の角度で交差する方向となっていてもよい。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図８は、本実施形態のマニピュレータシステムにおける保持部近傍の拡大図である。

図８に示すように、本実施形態のマニピュレータシステム４の遠位関節部１３は、遠位関節部１３と中間関節部１７とを着脱可能とする着脱部４１を有している。
着脱部４１が設けられていることによって、本実施形態では、中間関節部１７に対して遠位関節部１３を交換可能である。本実施形態では、姿勢検知部１６と制御部３０（図３参照）とは、接点若しくは非接触通信手段によって、着脱可能である。

例えば、本実施形態では、医療デバイス１００の寸法等に対応した遠位関節部１３（例えば、図８に示す第一遠位関節部１３Ａ及び第二遠位関節部１３Ｂ）を中間関節部１７に取り付けることができる。
また、本実施形態では、医療デバイス１００の重量に対応して各回転関節１５の動作制限状態（例えば摩擦の大きさ）が設定された遠位関節部１３を中間関節部１７に取り付けることができる。たとえば、重い医療デバイス１００Ａに対応する遠位関節部１３Ａの回転関節１５Ａは、軽い医療デバイス１００Ｂに対応する遠位関節部１３Ｂの回転関節１５Ｂよりも摩擦が大きく設定されている。

また、本実施形態では、着脱部４１を含んだ遠位側の機器を清潔域の機器とし、中間関節部１７を含んだ近位側の機器を不潔域の機器として設定するために、着脱部４１と中間関節部１７との間にドレープを挟むことができる。

本実施形態のマニピュレータシステム４によれば、医療デバイス１００の構成に対応した遠位関節部１３を有していることによって、マニピュレータシステム４に取り付け可能な医療デバイス１００の選択の幅を広げることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
また、上述の各実施形態において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

本発明は、マニピュレータシステムに利用することができる。

１，２，３，４ マニピュレータシステム
１０ 保持部
１１ 筒状部
１２ 固定機構
１３ 遠位関節部
１４ 受動関節
１５ 回転関節
１５ａ 第一関節
１５ｂ 第二関節
１５ｃ 第三関節
１６ 姿勢検知部
１７ 中間関節部
１８ 能動関節
１８ａ ロール関節
１９ エンコーダ
２０ 基端部
２１ 駆動部
２３ 操作部
２４ マスタアーム
２５ 入力デバイス
３０ 制御部
３１ 操作入力部
３２ 姿勢算出部
３３ 駆動制御部
４０ トルクリミッタ
４１ 着脱部
１００ 医療デバイス
１０１ シャフト
１０２ 処置部
１０３ ジョー
１０４ ジョイント
１０５ 本体部
１０６ 動力源
１０７ トロカール
１１０ 載置台

本発明の一態様は、医療デバイスを保持する保持部と、前記保持部に連結された遠位関節部と、前記遠位関節部に連結され、能動関節を有する中間関節部と、前記中間関節部に連結された基端部と、前記基端部に連結され前記能動関節を動作させる動力を発生させる駆動部と、前記能動関節の姿勢を取得可能であるとともに前記駆動部を動作させる指令を生成して前記駆動部へ出力可能な制御部と、前記制御部に接続され前記能動関節を動作させるために操作者が操作可能な操作部と、を有し、前記遠位関節部が、前記保持部と前記中間関節部とを屈曲又は回転可能に連結する受動関節と、前記受動関節に接続されているとともに前記制御部に接続され前記受動関節の姿勢を検知する姿勢検知部と、を有し、前記制御部は、前記姿勢検知部によって検知された姿勢及び前記能動関節の姿勢に基づいて前記指令を生成し、前記受動関節はトルクリミッタを有するマニピュレータシステムである。

Claims (5)

1. 医療デバイスを保持する保持部と、
   前記保持部に連結された遠位関節部と、
   前記遠位関節部に連結され、能動関節を有する中間関節部と、
   前記中間関節部に連結された基端部と、
   前記基端部に連結され前記能動関節を動作させる動力を発生させる駆動部と、
   前記能動関節の姿勢を取得可能であるとともに前記駆動部を動作させる指令を生成して前記駆動部へ出力可能な制御部と、
   前記制御部に接続され前記能動関節を動作させるために操作者が操作可能な操作部と、
   を有し、
   前記遠位関節部は、
   前記保持部と前記中間関節部とを屈曲又は回転可能に連結する受動関節と、
   前記受動関節に接続されているとともに前記制御部に接続され前記受動関節の姿勢を検知する姿勢検知部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記姿勢検知部によって検知された姿勢及び前記能動関節の姿勢に基づいて前記指令を生成する
   マニピュレータシステム。
2. 前記受動関節はトルクリミッタを有する、請求項１に記載のマニピュレータシステム。
3. 前記制御部は、前記トルクリミッタの作動の有無を検知可能であり、前記トルクリミッタが作動したことを検知した場合に前記操作部に対する操作に基づく前記能動関節の動作を停止させる、請求項２に記載のマニピュレータシステム。
4. 前記保持部は、前記医療デバイスの長手方向が前記能動関節の回動中心軸方向と直交する方向になるように前記医療デバイスを保持可能である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のマニピュレータシステム。
5. 前記遠位関節部は、前記遠位関節部と前記中間関節部とを着脱可能とする着脱部を有する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のマニピュレータシステム。

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