JPWO2018105001A1

JPWO2018105001A1 - 軟性マニピュレータ

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Publication number: JPWO2018105001A1
Application number: JP2018555335A
Authority: JP
Inventors: 満彰長谷川
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2036-12-05
Also published as: US20190060016A1; US10987180B2; JP6715949B2; WO2018105001A1

Abstract

挿入部のあらゆる湾曲長さに対して、複数の動力伝達部材の経路長差の発生を抑制できるとともに、動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止することを目的として、本発明に係る軟性マニピュレータ（１）は、細長い軟性のチューブ状に形成され、中心軸に対して径方向外側に長手方向に貫通する２以上の経路を備える長尺部材（２）と、長尺部材の先端に配置された可動部（４）と、長尺部材の基端に配置された駆動部（５）と、長尺部材の経路を貫通して配置され、駆動部の動力を可動部に伝達する２以上の細長い動力伝達部材（６）と、長尺部材の湾曲長さを測定する湾曲長測定部（７）と、湾曲長測定部により測定された長尺部材の湾曲長さが所定の長さとなるように長尺部材の基端近傍を湾曲させる湾曲長調整部（８）とを備える。

Description

本発明は、軟性マニピュレータに関するものである。

軟性の挿入部の内部において、可動部を駆動するための２本のワイヤをそれぞれ案内する２つのルーメンが挿入部の長手方向に沿って真っ直ぐに形成されている場合に、挿入部が湾曲すると、２本のワイヤの経路長に差が発生し、一方のワイヤが突っ張って他方が緩むため、可動部が意図しない方向に移動してしまう。この不都合を防止するために、挿入部の長手軸回りに螺旋状に捻られた複数のルーメンを有する軟性マニピュレータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１によれば、螺旋状のルーメンの捻りのピッチを所定の範囲に収めることで、経路長差を軽減し、可動部が意図しない方向に移動してしまうことを抑制することができる。

ＷＯ２０１５／０９３６０２号公報

軟性マニピュレータの挿入部の湾曲長さは、挿入経路に応じて変化するので、あらゆる湾曲長さに対して、予め定められた捻りのピッチを有する螺旋状のルーメンによって、上記不都合を解消しようとする場合には、十分に短いピッチでルーメンを捻っておく必要がある。しかしながら、捻りピッチを短くすると、内部に配置されているワイヤとの摩擦が大きくなって可動部の制御性が低下する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、挿入部のあらゆる湾曲長さに対して、複数の動力伝達部材の経路長差の発生を抑制できるとともに、動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止することができる軟性マニピュレータを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、細長い軟性のチューブ状に形成され、中心軸に対して径方向外側に長手方向に貫通する２以上の経路を備える長尺部材と、該長尺部材の先端に配置された可動部と、前記長尺部材の基端に配置された駆動部と、前記長尺部材の前記経路を貫通して配置され、前記駆動部の動力を前記可動部に伝達する２以上の細長い動力伝達部材と、前記長尺部材の前記湾曲長さを測定する湾曲長測定部と、該湾曲長測定部により測定された前記長尺部材の前記湾曲長さが所定の長さとなるように前記長尺部材の基端近傍を湾曲させる湾曲長調整部とを備える軟性マニピュレータである。

本態様によれば、長尺部材の基端に配置された駆動部を作動させると、発生した動力が動力伝達部材によって形成された経路内を貫通している動力伝達部材によって、挿入部の先端に配置されている可動部に伝達され、可動部が作動させられる。細長い軟性の挿入部を湾曲させると、その湾曲とともに動力伝達部材を貫通させる長尺部材内の経路の形状も変化させられる。

この場合において、挿入部の湾曲形状は、挿入される相手方、例えば、患者の体内の目的臓器までの体腔の形状等によって決定されるので、その湾曲長さは一定ではない。これに対し、本態様によれば、湾曲長測定部により長尺部材の湾曲長さが測定され、湾曲長調整部により、長尺部材の基端近傍が湾曲させられることにより、経路長差を解消する所定の湾曲長さに調整することができる。

例えば、経路が長尺部材の長手方向に沿って真っ直ぐに延びている場合には、長尺部材が一方向に湾曲することにより発生する経路長差は、長尺部材の他の部分を逆方向に同じ湾曲長さだけ湾曲させることにより解消することができる。また、例えば、経路が長尺部材の中心軸に沿って所定のピッチの螺旋状に延びている場合には、長尺部材が一方向に湾曲することにより発生する経路長差は、総湾曲長さがピッチの整数倍となるように長尺部材の他の部分を湾曲させることにより解消することができる。

本態様によれば、湾曲長調整部が長尺部材の基端近傍に設けられているので、長尺部材の先端が体内に挿入された状態であっても、体外に配置される基端近傍において、経路長差を解消するように調整することができ、長尺部材のあらゆる湾曲長さに対して、複数の動力伝達部材の経路長差の発生を抑制できるとともに、動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止することができる。

上記態様においては、前記経路が、前記中心軸回りに螺旋状に形成されており、前記所定の長さが、前記経路のピッチの整数倍であってもよい。
このようにすることで、長尺部材に形成された螺旋状の経路のピッチを固定したままの状態で、総湾曲長さが螺旋状の経路のピッチの整数倍となるように湾曲長さを簡易に調整することができ、複数の動力伝達部材の経路長差の発生を抑制できるとともに、動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止することができる。

また、上記態様においては、前記所定の長さが、前記湾曲長測定部により測定された前記湾曲長さとの差が最小となる長さであってもよい。
このようにすることで、湾曲長さの調整量を最も少なくし、動力伝達部材にかかる摩擦の増大を抑制して可動部の制御性の低下を防止することができる。

また、上記態様においては、前記湾曲長調整部が、前記長尺部材の基端近傍に、該長尺部材の径方向外方から接触させられる押圧部材と、該押圧部材を前記長尺部材の径方向に移動させる押圧部材駆動機構とを備えていてもよい。
このようにすることで、押圧部材駆動機構の作動により押圧部材を長尺部材の径方向外方から径方向内方に押し付けることにより、長尺部材を簡易に湾曲させて、経路長差を解消することができる。

また、上記態様においては、前記押圧部材駆動機構による前記押圧部材の移動に同期して、前記駆動部を前記長尺部材の長手軸方向に移動させる直動機構を備えていてもよい。
このようにすることで、長尺部材の湾曲長さが増大することによる長尺部材の長手軸方向の移動を直動機構によって駆動部を移動させることにより補償することができる。これにより、長尺部材の先端に配置されている可動部を長尺部材の長手方向に移動させずに済む。

また、上記態様においては、前記押圧部材が、前記長尺部材を周方向に沿わせるように配置された所定半径の円筒状の外周面を有していてもよい。
このようにすることで、押圧部材が押し付けられることにより湾曲する長尺部材の湾曲半径を円筒状の外周面の半径以上にすることができ、急激に湾曲させられることを防止することができる。

また、上記態様においては、前記押圧部材がプーリであってもよい。
このようにすることで、プーリによって所定半径の円筒状の外周面を有する押圧部材を簡易に構成できるとともに、長尺部材に押し付けられる押圧部材と長尺部材との摩擦をプーリの回転により逃がすことができる。

本発明によれば、挿入部のあらゆる湾曲長さに対して、複数の動力伝達部材の経路長差の発生を抑制できるとともに、動力伝達部材にかかる摩擦を低減して可動部の制御性の低下を防止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軟性マニピュレータを示す全体構成図である。図１の軟性マニピュレータの挿入部を示す側面図である。図１の軟性マニピュレータの制御部を説明するブロック図である。図１の軟性マニピュレータによる湾曲長の調整動作を説明する模式図である。図３の変形例を示すブロック図である。図４の変形例を示す模式図である。図６の動作を説明する模式図である。図２の変形例を示す縦断面図である。図４の変形例を示す模式図である。図４の変形例を示す模式図である。

本発明の一実施形態に係る軟性マニピュレータ１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る軟性マニピュレータ１は、図１および図２に示されるように、患者の体腔内に挿入される内視鏡の鉗子チャネルを介して患者の体腔内に挿入される複数の内孔（経路）２ａを備える挿入部（長尺部材）２と、該挿入部２の先端に配置された関節および把持鉗子等の処置部３を有する可動部４と、挿入部２の基端に配置され、可動部４を作動させる駆動部５と、内孔２ａを長手方向に貫通して駆動部５により発生した動力を可動部４に伝達するワイヤ（動力伝達部材）６と、挿入部２の総湾曲長（湾曲長さ）を測定する湾曲長測定部７と、挿入部２の総湾曲長を調整する湾曲長調整部８とを備えている。

挿入部２は、長手方向の全長または一部を湾曲させることができる軟性のチューブ状に構成されている。
駆動部５は、図示しないモータを備え、ワイヤ６を基端側に牽引するようになっている。

図２に示す例では、説明を簡単にするために挿入部２に設けられた内孔２ａは、所定のピッチで螺旋状に設けられることにより、挿入部２の中心軸から径方向外側にずれた位置において挿入部２を長手方向に貫通している。
駆動部５のモータの動力により、一方のワイヤ６の張力を増大させ、他側のワイヤ６の張力を減少させて、２本のワイヤ６の張力差を動力として、挿入部２の先端に配置されている可動部４に伝達し、可動部４の関節を揺動させることができるようになっている。

湾曲長測定部（以下、光ファイバセンサとも言う。）７は、例えば、光ファイバセンサであり、挿入部２の総湾曲長を測定することができる。光ファイバセンサ７は、挿入部２の長手方向に沿って全長にわたって配置され、挿入部２の湾曲に倣って同じ湾曲長だけ湾曲するようになっている。光ファイバセンサ７の基端側から入射した光と光ファイバセンサ７の基端側に戻って検出される光との差により、挿入部２に与えられた総湾曲長を測定することができるようになっている。

湾曲長調整部８は、挿入部２の基端近傍に配置され、挿入部２の外面に径方向外方から接触させられる押圧部材９と、挿入部２を押圧する方向に押圧部材９を移動させる押圧部材駆動機構１０と、押圧部材駆動機構１０を制御する制御部１１と、押圧部材駆動機構１０による押圧部材９の移動に同期して、駆動部５を挿入部２の長手軸方向に移動させる直動機構１２とを備えている。

押圧部材（以下、プーリとも言う。）９は、挿入部２の長手軸を含む平面に直交する軸線回りに回転可能に設けられ、所定の外径寸法の円筒状の外周面を有するプーリである。プーリ９の外周面の外径寸法は、光ファイバセンサ７が挿入されている挿入部２の最小曲げ半径より大きく設定されている。

押圧部材駆動機構１０は、プーリ９を回転可能に支持するとともに上記平面に沿う方向に直線移動可能に支持されたスライダ１３と、該スライダ１３の直線移動を案内するガイドレール１４と、スライダ１３を駆動するモータ１５およびボールネジ１６とを備えている。モータ１５およびボールネジ１６を作動させてスライダ１３を一方向に直線移動させると、スライダ１３に搭載されているプーリ９の外周面によって挿入部２が径方向に押圧され、挿入部２がプーリ９の外周面に周方向に沿うように湾曲させられるようになっている。

挿入部２を挟んでプーリ９とは反対側には、プーリ９と略同等の外径寸法を有する円弧状の案内面を有する案内部材１７が、スライダ１３の移動範囲を挟んで両側に間隔をあけて配置されている。挿入部２がプーリ９によって一方向に湾曲させられると、プーリ９による湾曲の両側に逆方向に湾曲させられる部分が発生するため、それらの部分が挿入部２の最小曲げ半径より小さな半径で曲げられないように案内部材１７の案内面によって湾曲を案内するようになっている。

直動機構１２は、駆動部５を搭載するスライダ１８と、該スライダ１８を挿入部２の長手方向に直線移動可能に支持するガイドレール１９とを備えている。
制御部１１は、光ファイバセンサ７により測定された挿入部２の総湾曲長が、挿入部２内の内孔２ａのピッチの整数倍となるように、押圧部材駆動機構１０のモータ１５を制御するようになっている。制御部１１は、図３に示されるように、挿入部２内の内孔２ａのピッチを記憶するメモリ２０と、メモリ２０から読み出したピッチと光ファイバセンサ７により測定された総湾曲長とに基づいて押圧部材駆動機構１０によるプーリ９の移動量を算出する湾曲長調整量算出部２１とを備え、モータ１５の駆動指令を生成するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る軟性マニピュレータ１の作用について以下に説明する
本実施形態に係る軟性マニピュレータ１を用いて体内の患部の処置を行うには、挿入部２を可動部４側から患者の体内に挿入し、基端側を患者の体外に露出した状態に配置する。

これにより、挿入部２は患者の体腔の形状に倣って湾曲し、先端の可動部４が患部を処置するのに適した位置に配置される。この状態で、湾曲長測定部である光ファイバセンサ７に検出光が供給され、先端において戻ってくる光を検出することにより、挿入部２の総湾曲長Ｌ_０が測定される。

そして、制御部１１内の湾曲長調整量算出部２１が、湾曲長測定部７により測定された挿入部２の総湾曲長Ｌ_０と、メモリ２０に記憶されている内孔２ａのピッチＰとに基づいて、プーリ９の移動量Ｓを算出し、該移動量Ｓに対応する指令信号を押圧部材駆動機構１０のモータ１５に出力する。
すなわち、プーリ９の移動量Ｓは、移動したプーリ９によって挿入部２が径方向に押されることにより、新たに発生する湾曲長ΔＬを、光ファイバセンサ７により測定された総湾曲長Ｌ_０に加えて算出される新たな総湾曲長（所定の長さ）Ｌ_１が、ピッチＰの整数倍となるように、下式に基づいて算出される。

Ｌ_１＝Ｌ_０＋ΔＬ＝ｋＰ
Ｓ＝ｆ（ΔＬ）
ここで、ｆ（ΔＬ）はΔＬの関数であり、ｋは正の整数である。

新たに発生する湾曲長ΔＬには、プーリ９の外周面に沿って湾曲する部分と、案内部材１７の案内面に沿って湾曲する部分の両方が含まれる。ここでは、プーリ９の移動量Ｓが、新たな湾曲長ΔＬの関数ｆ（ΔＬ）として、湾曲長調整量算出部２１に記憶されていることとしているが、プーリ９の移動量Ｓと湾曲長ΔＬとが対応付けられて記憶されていてもよい。

また、本実施形態においては、新たに発生する湾曲長ΔＬが最も小さくなるように設定されることが好ましい。これにより、総湾曲長の過度の増大を防止して、ワイヤ６と内孔２ａ内壁との摩擦の過度の増大を抑制することができる。

図４に示されるように、モータ１５の駆動によりスライダ１３が直線移動させられてプーリ９が挿入部２の外面に押し付けられ、挿入部２が湾曲させられると、挿入部２に張力が発生して駆動部５が先端側に牽引されるが、駆動部５は挿入部２の長手方向に移動可能に支持されているので、ガイドレール１９に沿ってスライダ１８を直線移動させることで、過度の張力が挿入部２に作用することが回避される。

そして、プーリ９に押されることによる新たな湾曲長がΔＬだけ湾曲させられると、光ファイバセンサ７により検出された総湾曲長が内孔２ａのピッチの整数倍となる。これにより、内孔２ａの経路長差が解消され、挿入部２の内孔２ａ内を貫通しているワイヤ６における、挿入部２の湾曲に起因する張力差の発生を防止することができる。

このように、本実施形態に係る軟性マニピュレータ１によれば、挿入部２の湾曲による経路長差の発生を防止するので、可動部４が予期しない方向に動いてしまうことを防止することができるという利点がある。
特に、本実施形態によれば、体外に露出している挿入部２の基端近傍を湾曲させるだけで、内孔２ａの経路長差を簡易に解消できるという利点がある。

なお、本実施形態においては、挿入部２を内孔２ａのピッチの異なる他の挿入部２に変更する場合に、各挿入部２に識別情報を記憶する図示しない記憶部を備え、図５に示されるように、制御部１１に識別情報を読み取る読取部２２を備えていてもよい。この場合、メモリ２０には内孔２ａのピッチと挿入部２の識別情報とが対応づけて記憶されていればよい。このようにすることで、挿入部２を交換した場合に、新たに設定を行うことなく、自動的に内孔２ａのピッチが読み出されて、経路長差を解消することができる。

また、上記実施形態においては、駆動部５をスライダ１８に搭載し、ガイドレール１９に沿って挿入部２の長手方向に移動可能に支持することとしたが、これに代えて、図６および図７に示されるように、挿入部２の基端近傍に、可動プーリ２３と案内部材２４と、可動プーリ２３を付勢する弾性部材２５とを設けることにしてもよい。可動プーリ２３は、挿入部２の径方向に移動可能に設けられている。また、弾性部材２５は可動プーリ２３を案内部材２４から離れる方向に付勢している。

可動プーリ２３および案内部材２４に挿入部２を湾曲させた状態に巻き掛け、可動プーリ２３と案内部材２４との間に挿入部２が直線状に延びる部分を設けることにより、図７に示されるように、可動プーリ２３が移動しても、直線状部分の長さが変動するだけで、湾曲長が変化しないようにすることができる。
押圧部材駆動機構１０によりプーリ９を駆動して挿入部２を湾曲させると、挿入部２に発生した張力が弾性部材２５の付勢力に抗して可動プーリ２３を移動させる結果、駆動部５を固定したままの状態で、挿入部２に過大な張力が作用することを防止することができる。

また、本実施形態においては、挿入部２の内孔２ａが所定のピッチで螺旋状に形成されている場合について説明したが、これに代えて、図８に示されるように、挿入部２の長手方向に沿って直線状に延びる内孔２ａを有している場合に適用してもよい。
この場合には、湾曲長調整部８として、図９に示されるように、挿入部２を異なる方向に湾曲させる２以上のプーリセット２６，２７を挿入部２の長手方向の異なる位置に配置すればよい。

各プーリセット２６，２７は、略平行な軸線回りにそれぞれ回転可能に図示しないスライダに支持された２つのプーリ２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂを備え、両プーリ２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂの外周面の間に挿入部２を径方向に挟んでいる。各プーリセット２６，２７により挿入部２を挟む方向を異ならせ、各プーリセット２６，２７を支持するスライダの移動平面を図９に矢印で示すように異ならせることにより、挿入部２の長手方向の異なる位置において異なる方向に湾曲させることができるようになっている。

また、この場合には、湾曲長測定部である光ファイバセンサ７は、挿入部２の湾曲長を３次元的な湾曲方向に対応づけて検出できるものであることが好ましい。
また、内孔２ａが直線状である場合には、光ファイバセンサ７は、挿入部２の一方向への湾曲をプラス、逆方向への湾曲をマイナスとして検出することが好ましい。

この場合の内孔２ａの経路長差は、挿入部２が逆方向（Ｓ次状）に同じ長さだけ湾曲させられることにより相殺されるので、光ファイバセンサ７によっても、逆方向の湾曲については符号を異ならせて検出されることが好ましい。
さらに、２つのプーリ２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂによって挿入部２を挟むことにより、一方のプーリ２６ａ，２７ａ側へのプーリセット２６，２７の移動と他方のプーリ２６ｂ，２７ｂ側へのプーリセット２６，２７の移動とで挿入部２の湾曲方向を逆方向に変更することができる。

これにより、湾曲方向に符号を付けて積算した総湾曲長が湾曲方向毎に検出されるので、これら湾曲方向毎の総湾曲長を各プーリセット２６，２７による湾曲方向の成分に分解して、それぞれ湾曲長を調整するためのプーリセット２６，２７の移動量を求めることにより、３次元的な湾曲による経路長差を解消することができる。

プーリセット２６，２７は、３以上設けてもよい。
また、図１０に示されるように、単一のプーリセット（湾曲長調整部）２８を設け、該プーリセット２８を支持する図示しないスライダの移動方向を、駆動部５から真っ直ぐに延びる挿入部２の長手軸回りに回転可能にすることにしてもよい。

１軟性マニピュレータ
２挿入部（長尺部材）
２ａ内孔（経路）
４可動部
５駆動部
６ワイヤ（動力伝達部材）
７光ファイバセンサ（湾曲長測定部）
８湾曲長調整部
９プーリ（押圧部材）
１０押圧部材駆動機構
１２直動機構
２６，２７，２８プーリセット（湾曲長調整部）
Ｌ_０総湾曲長（湾曲長さ）
Ｌ_１総湾曲長（所定の長さ）

Claims

細長い軟性のチューブ状に形成され、中心軸に対して径方向外側に長手方向に貫通する２以上の経路を備える長尺部材と、
該長尺部材の先端に配置された可動部と、
前記長尺部材の基端に配置された駆動部と、
前記長尺部材の前記経路を貫通して配置され、前記駆動部の動力を前記可動部に伝達する２以上の細長い動力伝達部材と、
前記長尺部材の前記湾曲長さを測定する湾曲長測定部と、
該湾曲長測定部により測定された前記長尺部材の前記湾曲長さが所定の長さとなるように前記長尺部材の基端近傍を湾曲させる湾曲長調整部とを備える軟性マニピュレータ。
前記経路が、前記中心軸回りに螺旋状に形成されており、
前記所定の長さが、前記経路のピッチの整数倍である請求項１に記載の軟性マニピュレータ。
前記所定の長さが、前記湾曲長測定部により測定された前記湾曲長さとの差が最小となる長さである請求項２に記載の軟性マニピュレータ。
前記湾曲長調整部が、前記長尺部材の基端近傍に、該長尺部材の径方向外方から接触させられる押圧部材と、該押圧部材を前記長尺部材の径方向に移動させる押圧部材駆動機構とを備える請求項３に記載の軟性マニピュレータ。
前記押圧部材駆動機構による前記押圧部材の移動に同期して、前記駆動部を前記長尺部材の長手軸方向に移動させる直動機構を備える請求項４に記載の軟性マニピュレータ。
前記押圧部材が、前記長尺部材を周方向に沿わせるように配置された所定半径の円筒状の外周面を有する請求項４または請求項５に記載の軟性マニピュレータ。
前記押圧部材がプーリである請求項６に記載の軟性マニピュレータ。