WO2015064425A1 - 手術用ロボットアーム及びその不動点誤差修正方法 - Google Patents

手術用ロボットアーム及びその不動点誤差修正方法 Download PDF

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WO2015064425A1
WO2015064425A1 PCT/JP2014/077980 JP2014077980W WO2015064425A1 WO 2015064425 A1 WO2015064425 A1 WO 2015064425A1 JP 2014077980 W JP2014077980 W JP 2014077980W WO 2015064425 A1 WO2015064425 A1 WO 2015064425A1
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WO
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support arm
spring
surgical instrument
arm
load
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/077980
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English (en)
French (fr)
Inventor
慧 見上
耕太郎 只野
Original Assignee
国立大学法人 東京工業大学
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/50—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms
    • A61B2090/5025—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms with a counter-balancing mechanism

Definitions

  • the present invention relates to a technique for correcting an error between an operating point when operating a surgical instrument such as a forceps or an endoscope of a surgical robot arm and a fixed point of a port attached to a patient.
  • This stereoscopic endoscope system has a holding portion for holding a surgical instrument such as an endoscope, a support arm having a crank mechanism for supporting the holding portion at a predetermined position, and the support arm at a predetermined position in the vertical direction.
  • a drive mechanism such as a pneumatic cylinder to be rotated, and a rotation mechanism that rotates around the support end of the support arm.
  • This stereoscopic endoscope system is used by adjusting and fixing a surgical instrument in accordance with the position of a patient port to be operated.
  • the above-described stereoscopic endoscope operation system is premised on the operation of the surgical instrument at the position once installed, for example, the position of the fixed point of the port and the position of the operating point of the surgical instrument due to the patient's breathing or the like
  • the operation accuracy of the surgical instrument is deteriorated, and an extra burden is placed around the patient's port.
  • the stereoscopic endoscope operation system when an error occurs in the position between the fixed point of the port and the operating point of the surgical instrument, there is a problem that it is impossible to quickly correct the error.
  • a measurement mechanism that measures the force of the external force applied to the surgical instrument and a motor of the robot arm that supports the surgical instrument so as to absorb the external force measured by the measurement mechanism are controlled.
  • a control mechanism was required, and the configuration was complicated.
  • the conventional surgical robot always measures and controls the external force when, for example, the affected part moves due to the patient's breathing or the like, and the operating point of the surgical instrument deviates from the center point of the incision hole. Therefore, the calculation speed and the control mechanism are high-performance, and the economic burden is large.
  • the conventional surgical robot requires a measuring device for measuring the external force of the surgical instrument, it is necessary to set it from the initial state when a shortage such as a power failure occurs.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and has a simple structure and a low economic burden as compared with the prior art. Further, even if there is no drive source such as a motor, It is an object of the present invention to provide a surgical robot arm capable of correcting the operating point of a surgical instrument and a method for correcting a fixed point error thereof.
  • the surgical robot arm and the method for correcting the fixed point error thereof according to the present invention have the following configurations.
  • the surgical robot arm is a surgical robot arm on which a surgical instrument is mounted, and supports a first movement support arm that supports the surgical instrument and moves it horizontally, and supports the first movement support arm.
  • a second moving support arm that supports the lifting mechanism and moves it in the horizontal direction
  • one of the first moving support arm and the second moving support arm is A horizontal articulated arm having a pivot shaft that is movable in the horizontal direction so as to be driven by an external force applied to the surgical instrument, and the elevating mechanism supports the first movement support arm and guides it up and down.
  • Serial surgical instrument is configured to set the spring constant of supporting an external force applied to the first moving support arm and the surgical instrument mounted.
  • the surgical robot arm is configured such that the fixed point of the port attached to the patient coincides with the operating point of the surgical instrument in a state where the first movement support arm and the surgical instrument are biased upward by the elastic member. Is set at the beginning.
  • an external force may be applied to the surgical instrument so that the fixed point and the operating point are shifted due to, for example, patient breathing.
  • the surgical robot arm moves the surgical instrument down or up by the elastic member of the lifting mechanism following the load corresponding to the external force, and the horizontal articulated arm moves in the horizontal direction.
  • the surgical robot arm maintains the posture of the surgical instrument set in the port by the lifting mechanism and the horizontal articulated arm being driven by the external force applied to the surgical instrument, and determines the fixed point of the port and the operating point of the surgical instrument.
  • the error is corrected so that it always matches.
  • the surgical robot arm has a horizontal articulated arm and a movable support arm that can move the surgical instrument more than four degrees of freedom (the surgical instrument is moved around the fixed point in roll, pitch, yaw, zoom (longitudinal direction)) and more. Become.
  • the elastic member is composed of a constant load spring and a tension spring, the spring constant is set so that the constant load spring is larger than the tension spring, and the constant load is set. It is good also as a structure which installed the spring and the said tension spring in parallel. With this configuration, the surgical robot arm supports a large proportion of the load of the first moving support arm and the surgical instrument with the constant load spring, and supports the remaining load and the load corresponding to the external force applied to the surgical instrument with the tension spring. Thus, the error correction between the fixed point of the port and the operating point of the surgical instrument can be performed smoothly.
  • the constant load spring may be disposed in the center, and the tension spring may include a first tension spring and a second tension spring disposed on the left and right of the constant load spring.
  • the constant load spring is set to a spring constant that is supported in a load sharing range of 50% to 100% of the load of the first moving support arm on which the surgical instrument is mounted,
  • the first tension spring and the second tension spring are added by a spring constant that supports the remaining load of the constant load spring or by the external force that is preset when the load sharing of the load spring is 100%.
  • the spring constant that supports the load is equally divided. With such a configuration, the surgical robot arm can increase the load sharing ratio of the constant load spring to be greater than the load sharing ratio of the first tension spring and the second tension spring, thereby applying a load corresponding to the external force applied to the surgical instrument. It can be absorbed by the first tension spring and the second tension spring.
  • the slide means is detachably fixed to a base attached to the second movement support arm, a slider installed on the fixed portion, and moves along the slider.
  • a long slide rail, and an attachment portion having an arm attachment mechanism provided on the slide rail and attaching the first movement support arm, and the elastic member is provided over the fixed portion and the attachment portion. It is good.
  • the elastic member in a lifting mechanism for a surgical robot arm, when a downward external force is applied to the surgical instrument, the elastic member extends and the attachment portion follows downward. Moreover, in the raising / lowering mechanism of the surgical robot arm, when an upward external force is applied to the surgical instrument, the elastic member contracts and the attachment portion is driven upward.
  • the surgical robot arm is driven by an external force in the vertical direction applied to the surgical instrument by the elastic member of the lifting mechanism, and the horizontal arm applied to the surgical instrument by at least one articulated arm of the first movement support arm and the second movement support arm.
  • the surgical robot arm always aligns the fixed point and the action point without using a driving source such as a motor, and does not apply an extra load around the port, so that the operation accuracy of the surgical instrument can be improved. High and easy to operate.
  • the surgical robot arm is set in parallel with the constant load spring having a larger load sharing ratio than the tension spring, making it easy to adjust the error correction of the operating point of the surgical instrument and the fixed point of the port, and error correction Therefore, the first moving support arm that moves up and down is likely to be stably stationary.
  • the surgical robot arm Since the surgical robot arm has the first tension spring and the second tension spring arranged on the left and right of the constant load spring, the error correction of the operating point of the surgical instrument and the fixed point of the port can be performed more smoothly in a balanced manner. it can. Then, the surgical robot arm performs the correction operation to make the error between the operating point of the surgical instrument and the fixed point of the port smoothly by making the load to be shared a predetermined ratio between the constant load spring and the tension spring. Can do. In particular, the surgical robot arm shares the entire amount of the first moving support arm on which the surgical instrument is mounted with a constant load spring, and the tension spring shares the amount of change applied to the surgical instrument by an external force. Corrections can be made stably and optimally.
  • the attachment part moves up and down by an external force (load) applied to the surgical instrument.
  • load an external force applied to the surgical instrument.
  • the operating point of the surgical instrument and the fixed point of the port can be maintained to coincide with each other.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing a surgical robot arm according to the present invention with a part thereof omitted.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing a surgical robot arm according to the present invention with a part of the lifting mechanism being omitted.
  • (A)-(c) is the front view, rear view, and side view which show typically the structure from the front of the raising / lowering mechanism of the surgical robot arm which concerns on this invention.
  • (A)-(c) is a schematic diagram for demonstrating typically the operation state of the raising / lowering mechanism of the surgical robot arm which concerns on this invention.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a part of the second moving support arm of the surgical robot arm according to the present invention with a part thereof omitted.
  • (A)-(c) is a schematic diagram which shows typically the operation state in the 2nd movement support arm of the robot arm for a surgery which concerns on this invention.
  • (A)-(d) is a schematic diagram which shows typically the flow from installation of the robot arm for a surgery which concerns on this invention to a surgical operation.
  • the surgical robot arm 1 mechanically holds a surgical instrument OP such as forceps or an endoscope at a position where a patient C (see FIGS. 7A to 7C) operates. It is what.
  • the surgical robot arm 1 includes a first moving support arm 10 that detachably supports the surgical instrument OP, an elevating mechanism 30 that urges and supports the first moving support arm 10 upward, and moves up and down.
  • a second movement support arm 20 that detachably supports the mechanism 30.
  • the surgical robot arm will be described as a configuration in which the second movement support arm 20 is a horizontal articulated arm in which the second movement support arm 20 is installed in a fixing means such as a fixed column PL (see FIG. 7A).
  • the surgical instrument OP is an instrument such as forceps or an endoscope that is necessary when performing surgery on a patient C (see FIGS. 7A to 7C), and is particularly limited. Is not to be done.
  • the surgical instrument OP used here one that is formed in advance so as to be detachably mounted by the first moving support arm 10 is used.
  • the first movement support arm 10 has a configuration in which the surgical instrument OP is detachably supported and moved in a predetermined direction using air pressure as a drive source.
  • the first movement support arm 10 includes an air cylinder 11 that is driven by air pressure, a link mechanism 12 that operates by driving the air cylinder 11, and supports the base end side of the link mechanism 12 in the vertical direction (up and down direction).
  • a vertical mechanism 13 for moving the link mechanism 12 and an instrument attaching / detaching mechanism 14 for detachably supporting the surgical instrument OP provided on the distal end side of the air cylinder 11 and the link mechanism 12 are provided.
  • the first moving support arm 10 is configured here, for example, so that the surgical instrument OP can be moved with four degrees of freedom (the surgical instrument is moved around the fixed point in a roll, pitch, yaw, zoom (longitudinal direction)). .
  • the instrument attaching / detaching mechanism 14 includes a connecting column 14a that connects the air cylinder 11 and the tip of the link mechanism 12, a shield plate 14b that faces the connecting column 14a, and a surgical instrument OP that is provided on the shield plate 14b.
  • the holding part 14c is mainly provided.
  • the first moving support arm 10 holds the holding mechanism 14c by extending and retracting the link mechanism 12 by expanding and contracting the air cylinder 11, and adjusting the vertical position of the link mechanism 12 by driving the vertical mechanism 13.
  • the position of the surgical instrument OP is set.
  • the first movement support arm 10 is not particularly limited as long as the first movement support arm 10 can be set so as to match the fixed point D1 (see FIG. 7B) of the port P attached to the patient C with the surgical instrument OP to be supported. Is not to be done.
  • the instrument attaching / detaching mechanism 14 is not limited as long as it has an existing configuration capable of supporting and operating the surgical instrument OP.
  • the elevating mechanism 30 supports the first moving support arm 10 so as to be movable up and down by urging the first moving support arm 10 upward.
  • the elevating mechanism 30 is connected between the second movement support arm 20 and the first movement support arm 10.
  • the elevating mechanism 30 includes a slide means 31 and an elastic member 36 installed on the slide means 30 along the slide direction of the slide means 31.
  • the sliding means 31 includes a fixing portion 32 for detachably fixing the base B attached to the second moving support arm 20, a slider 33 (see FIG. 3C) installed on the fixing portion 32, and the slider 33.
  • a long slide rail 34 (see FIG. 3C) that moves along the slide rail 34, and a mounting portion 35 to which the first movement support arm 10 provided on the slide rail 34 is attached.
  • the slide means 31 has a slider 33 and a slide rail 34 arranged on one side and an elastic member 36 arranged on the other side. The elastic member 36 is installed over the fixed portion 32 and the mounting portion 35. Yes.
  • the fixing portion 32 is provided on the base support portion 32 a for inserting and fixing the base B, and fixes one end side of the elastic member 36 and a slider. And a fixed plate portion 32b on which 33 is installed.
  • the base support portion 32a is connected to the insertion portion 322a that protrudes to the side opposite to the side where the elastic member 36 is provided to form the insertion hole of the base B, and the insertion portion 322a, and supports the fixed plate portion 32b. And a fixed block 321a.
  • the insertion portion 322a is configured such that the base B is inserted and the base B is fixed by a fixing means such as a screw at a predetermined position in the longitudinal direction of the base. Further, the insertion portion 322a is configured such that a flange 323a is formed on the fixed block 321a side, and the screw hole of the flange 323a is connected to the fixed block 321a with a screw or the like.
  • the fixed block 321a supports the upper end side of the fixed plate portion 32b by being overlapped with the flange 323a of the insertion portion 322a and being fixed with a screw or the like.
  • the fixed block 321a is formed in a rectangular parallelepiped shape and has a thickness greater than that of the fixed plate portion 32b.
  • the fixed block 321a is configured such that a through hole 324a is formed in the vertical direction at the center in the longitudinal direction, and the other end side of the slide rail 34 to be described later can be inserted.
  • the fixed plate portion 32b includes, on one side plate surface, a constant load spring 37 (a wound spring portion 37a and a bracket 37b) that is an elastic member 36, and a first tension spring 38a and a second tension spring 38b that are elastic members 36. One end is attached, and a slider 33 is provided on the other side plate surface.
  • the fixed plate portion 32b is here parallel to the first guide fixed plate 321b and with a predetermined interval facing the first guide fixed plate 321b.
  • the second guide fixing plate 322b is provided.
  • the first guide fixing plate 321b is fixed with a screw or the like with its upper end held between the fixing block 321a and the flange 323a of the insertion portion 322a.
  • the second guide fixing plate 322b faces the first guide fixing plate 321b in a state where one end of the second guide fixing plate 322b is in contact with the lower surface of the fixing block 321a, and is fixed with screws or the like with an interval at which the slider 33 can be installed. Has been.
  • the slider 33 is inserted through the slide rail 34 and guided up and down.
  • the slider 33 is fixed to the other side plate surface of the second guide fixing plate 322b, and is provided between the first guide fixing plate 321b and the second guide fixing plate 322b.
  • the slider 33 is disposed at the center of the fixed plate portion 32b.
  • the bracket 37b of the constant load spring 37 and one end of each of the first tension spring and the second tension spring are attached to one side plate surface of the second guide fixing plate 322b.
  • the constant load spring 37 which is an elastic member 36, includes a spring portion 37a wound in a coil shape and a bracket 37 that supports the spring portion 37a so as to be wound or pulled out.
  • the constant load spring 37 is urged in the winding direction (upward) with a constant load by pulling out the tip of the spring portion 37a.
  • the constant load spring 37 is configured to have a spring constant that supports the load of the first moving support arm 10 and the surgical instrument OP. For example, if the load of the first moving support arm 10 and the surgical instrument OP is 98 N (10 Kgf), the constant load spring 37 is configured to have a spring constant that supports 98 N (10 Kgf) as a constant load.
  • the first tension spring 38a and the second tension spring 38b which are elastic members 36, are installed in parallel on both sides of the constant load spring 37 as a center.
  • the first tension spring 38a and the second tension spring 38b are set to spring constants capable of supporting a load due to an external force applied to the surgical instrument OP.
  • the first tension spring 38 a and the second tension spring 38 b can support half of 10 N, 5 to 20 N, respectively.
  • spring constants that are effective in the range of 10 to 30N are used, and the total is set so that 20N can be effectively supported.
  • a coil spring is used, and one end thereof is engaged with the fixed plate portion 32b and the other end is engaged with the attachment portion 35.
  • the best condition of the constant load spring 37 and the first tension spring 38a and the second tension spring 38b used here is (the exertion force of the constant load spring + (the spring constant of the tension spring ⁇ the elongation of the spring). )) Is preferably (total load of the first movable support arm and the surgical instrument).
  • the position of the slide rail 34 with respect to the slider 33 is the middle in the movement direction. It is preferable that it comes to be located in.
  • the slide rail 34 is preferably set in a state where it can move an equal distance up and down. .
  • the attachment portion 35 is provided so as to be able to approach and separate from the fixed portion 32.
  • the attachment portion 35 is formed in a plate shape, and on one side plate surface, the distal end side of the constant load spring 37 is fixed, and the other end sides of the first tension spring 38a and the second tension spring 38b are engaged to be a fixed portion.
  • 32 is provided to be movable up and down.
  • the mounting portion 35 is provided in a state where one end of the slide rail 34 is fixed with a screw or the like on the other side plate surface, the other end side of the slide rail 34 projects upward, and the slide rail 34 can be inserted into the slider 33.
  • the slide rail 34 is preferably provided with a stopper (not shown) at the other end so as not to fall out of the slider 33.
  • the mounting portion 35 includes an arm mounting mechanism 40 that detachably supports the proximal end side of the first moving support arm 10 below the position where the constant load spring 37 is fixed.
  • the mounting portion 35 is specified by the slider 33 and the slide rail 34 when the slide rail 34 is guided to the slider 33 by the expansion and contraction of the constant load spring 37, the first tension spring 38a, and the second tension spring 38b. Move up and down (up and down direction) on the track.
  • the arm attachment mechanism 40 of the attachment portion 35 may adopt an existing configuration, and is formed corresponding to the first moving support arm 10 to be used.
  • the arm attachment mechanism 40 is formed in a rod shape orthogonal to the plate surface of the attachment portion 35.
  • the arm mounting mechanism 40 is supported by a vertical movement mechanism 13 that supports the proximal end side of the link mechanism 12 and moves the link mechanism 12 so as to be movable up and down.
  • the base end side of the air cylinder 11 is connected via a connection jig (not shown in the drawing).
  • the elevating mechanism 30 When the external force applied to the surgical instrument OP is in the ascending / descending direction, the elevating mechanism 30 configured as described above operates the surgical instrument OP by moving the first moving support arm 10 up and down following the load of the external force. The point and the fixed point D1 of the port P (see FIG. 7D) are prevented from shifting. For example, when the surgical instrument OP moves downward from the set position due to the breathing of the patient C, the elevating mechanism 30 operates as follows.
  • a force for moving the first movement support arm 10 downward is applied as the surgical instrument OP moves downward.
  • the lifting mechanism 30 is pulled downward from the set position by a load corresponding to the force that the constant load spring 37 moves downward, and the first tension spring 38a and the second tension spring 38b are also applied downward. Extends in response to load.
  • the elevating mechanism 30 is guided by the slide rail 34 inserted through the slider 33.
  • the first movement support arm 10 is lowered by moving the part 35 in the direction away from the fixed part 32.
  • the elevating mechanism 30 lowers the surgical instrument OP by moving the first movement support arm 10 following the external force applied to the surgical instrument OP, thereby maintaining the posture of the surgical instrument OP, and the operating point of the surgical instrument OP. And the fixed point D1 of the port P (see FIG. 7D) are operated so as not to deviate.
  • the elevating mechanism 30 moves the first movement support arm 10 by following the downward force, thereby changing the posture of the surgical instrument OP.
  • the operating point of the surgical instrument OP and the fixed point of the port P are kept in agreement with each other without shifting.
  • the elevating mechanism 30 corresponds to the force that the constant load spring 37 tries to move.
  • the first tension spring 38a and the second tension spring 38b are retracted by an amount corresponding to the upward force (load).
  • the elevating mechanism 30 is guided by the slide rail 34 inserted through the slider 33 when the constant load spring 37 is wound and the first tension spring 38a and the second tension spring 38b contract.
  • the first moving support arm 10 is raised by moving the mounting portion 35 in the direction approaching the fixed portion 32.
  • the elevating mechanism 30 raises the surgical instrument OP by moving the first movement support arm 10 following the external force and holds the posture of the surgical instrument OP. It operates so that the position with respect to the fixed point D1 does not shift.
  • the posture of the surgical instrument OP is maintained by following the upward force, and the surgical instrument OP action point S1 and the fixed point D1 of the port P (see FIG. 7 (d)) is maintained in a consistent state without deviation.
  • the second movement support arm 20 supports the elevating mechanism 30 and can move in the horizontal direction.
  • a horizontal articulated arm (scalar type passive arm) is used as the second movement support arm 20, and when an external force is applied, the second movement support arm 20 is moved in the horizontal direction following the applied force (load). It is configured to be freely movable.
  • the second moving support arm 20 includes a holding part 21 that holds the base B, a tip support part 22 that rotatably supports the holding part 21, and a first support part 22 that supports the tip support part 22 at a predetermined angle in the vertical direction.
  • the third joint arm 25 is attached to a fixed object such as the fixed column PL shown in FIG. 7A via a third rotating shaft 26a.
  • the second movement support arm 20 is in a state in which the holding portion 21, the second rotation shaft 25a, and the third rotation shaft 26a can freely rotate in the horizontal direction without a drive source such as a motor. . Therefore, the second movable support arm 20 can be driven in the horizontal direction as shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c). In FIG. 6, the horizontal follow will be described by schematically showing the first fixed shaft 24 a to the third rotating shaft 26 a.
  • the second joint arm is moved along the horizontal force. 24 and the third joint arm 25 are driven by the rotation of the second rotation shaft 25a and the third rotation shaft 26a, and the position of the operating point of the surgical instrument OP is shifted from the position of the fixed point of the port P. Not to work.
  • the second movement support arm 20 can operate as a horizontal articulated arm and can follow the surgical instrument OP in the horizontal direction.
  • the surgical robot arm 1 is first prepared by being attached to a fixed column PL installed near the operating table. Then, as shown in FIGS. 7B and 7C, the surgical robot arm 1 is adjusted so that the surgical instrument OP is positioned at the position of the port P attached to the patient C when the surgery is started, The first moving support arm 10 is operated to set the operating point S1 of the surgical instrument OP and the fixed point D1 of the port P (see FIG. 7D).
  • the position of the port P moves due to the breathing of the patient C or the operation of the surgical instrument OP, and the action of the fixed point D1 of the port P and the surgical instrument OP.
  • the surgical robot arm 1 When an external force is applied to the surgical instrument OP, the surgical robot arm 1 is driven by the second movement support arm 20 corresponding to the external force in the horizontal direction, and the lifting mechanism 30 corresponds to the external force in the vertical direction (lifting direction).
  • the lifting mechanism 30 corresponds to the external force in the vertical direction (lifting direction).
  • it is driven by the force (load) applied to the surgical instrument OP in the horizontal direction and the vertical direction.
  • the elevating mechanism 30 lowers or raises the first moving support arm 10 supporting the surgical instrument OP, and the second moving support arm moves the elevating mechanism 30 in the horizontal direction.
  • the elevating mechanism 30 and the second movement support arm 20 follow the external force (load) received by the surgical instrument OP without using a drive mechanism such as a motor.
  • the first moving support arm is moved in the up-and-down direction and the horizontal direction, so that the operating point S1 of the surgical instrument OP and the fixed point D1 of the port P are securely held so as not to shift. it can.
  • the operator operates the surgical instrument OP in a state where the operating point S1 of the surgical instrument OP installed in advance so as to be aligned with the fixed point D1 of the port P is held without deviation. Therefore, it is possible to reduce the burden on the patient in the minimally invasive operation on the patient C and to easily handle the surgical instrument OP.
  • the surgical robot arm 1 has been described above, but may be configured as follows.
  • the surgical robot arm 1 is configured to use the constant load spring 36, the first tension spring 38a, and the second tension spring 38b as the elastic member 36 to move the first moving support arm 10 up and down passively.
  • the elastic member 38 may be configured by a constant load spring 36 and one tension spring, and may be installed in parallel by changing the installation height (distance from the plate surface) at the center position of the constant load spring.
  • the surgical robot arm 1 may be configured to use only a tension spring as the elastic member 36.
  • a tension spring When only the tension spring is used as the elastic member 36, the load of the first moving support arm 10 and the surgical instrument OP and a spring constant (spring stiffness) within a range that can support the load applied as an external force to the surgical instrument OP are provided. Just do it.
  • the lifting mechanism 30 can use a tension spring having a smaller spring constant when used by a combination of the constant load spring 37 and the tension spring, compared to the case where only the tension spring is used, the lifting mechanism 30 is small. It can be configured to be sensitive to external forces.
  • the constant load spring 37 supports the entire load of the first moving support arm 10 and the surgical instrument OP, and the first tension spring 38a and the second tension spring 38b have an external force applied to the surgical instrument OP.
  • the ratio may be as follows. That is, the constant load spring 37 is set to a range of 50 to 100% of the total load of the first moving support arm 10 and the surgical instrument OP, and the tension spring (in the case of one or two) bears the remaining load. Good. It is more preferable to increase the proportion of the load of the constant load spring 37, and to share a small load with the tension spring, so that the follow-up adjustment is easier and the lifting operation is more stable.
  • the first movement support arm 10 may be a horizontal articulated arm, and the second movement support arm may include a drive source.
  • the elastic member 36 has been described as a configuration of a constant load spring and a tension spring, the elastic member 36 is not limited as long as it can perform the same operation even with other configurations such as an air spring.
  • the fixing portion 32 has been described with the fixing plate portion 32 as the first guide fixing plate 321b and the second guide fixing plate 322b.
  • the slider 33 and the elastic member 36 are installed on the front and back of one plate material. It doesn't matter.
  • the first tension spring 38a and the second tension spring 38b may be housed in a spring housing cylinder.
  • the spring storage cylinder is configured to expand and contract in accordance with the expansion and contraction state of the spring. For example, one of the cylindrical cases having different diameters is inserted into the other, and the insertion depth is changed by the expansion and contraction of the spring. It may be configured.
  • one end of the cylinder is supported by the fixing portion 32 and the other end of the cylinder is supported by the mounting portion, so that it can serve as a slide guide. It can be used as a guide means instead of the slide rail 34, or can be used as a guide means in combination with the slider 33 and the slide rail 34.
  • the lifting mechanism 30 has been described as a configuration in which the slider 33 and the slide rail 34 for guiding the mounting portion 35 are arranged at the center of the plate surface, the lifting mechanism 30 is equivalent to the slider 33 on both side ends of the fixed portion 32 and the mounting portion 35. It is possible to provide a structure that guides the ascending / descending operation of the mounting portion 35 by providing a guide having the above function and inserting a rail having the same function as the slide rail 34 through the guide. That is, the attachment position of the slider 33 and the slide rail 34 is not limited as long as it is a configuration that can guide the lifting operation of the attachment portion 35. In addition, you may make it the raising / lowering mechanism 30 accommodate the whole structure with a cover body. As described above, it goes without saying that the surgical robot arm 1 according to the present invention can be variously modified without departing from the present invention.

Abstract

　構成が簡単で従来と比較して経済的な負担が小さく、また、モータ等の駆動源がなくても整合できる手術用ロボットアーム及びその不動点誤差修正方法を提供すること。　手術用ロボットアーム１は、第１移動支持アーム１０と、この第１移動支持アームを支持して上下方向に移動させる昇降機構３０と、この昇降機構を支持する第２移動支持アーム２０と、を備え、前記の両移動支持アームのいずれか一方は、前記手術器具にかかる外力により従動するように、水平方向に移動自在となる回動軸を有する水平多関節アームであり、前記昇降機構は、前記第１移動支持アームを支持し案内してスライドさせるスライド手段３１と、このスライド手段のスライド方向に沿って前記第１移動支持アームを支持する弾性部材３６と、を有し、前記弾性部材は前記手術器具が装着された第１移動支持アーム、前記手術器具にかかる外力を支持するバネ定数に設定した構成である。

Description

手術用ロボットアーム及びその不動点誤差修正方法
　本発明は、手術用ロボットアームの鉗子や内視鏡等の手術用器具を動作させるときの作用点と、患者に取り付けるポートの不動点との誤差を修正する技術に関するものである。
　従来、手術用ロボットアームに使用される鉗子や内視鏡等の手術器具は、ポートと呼ばれる冶具を患者に取り付け、そのポートの不動点を起点として使用される。そのため、手術器具が体内で小さな負荷で操作できるように、ポートの不動点と手術器具の作用点とが一致した状態に設定されている。例えば、立体内視鏡操作システムとして、非特許文献１に記載されているような構成が知られている。
　この立体内視鏡システムは、内視鏡等の手術器具を保持する保持部と、この保持部を所定位置に支持するクランク機構を有する支持アームと、この支持アームを上下方向の所定位置に配置させる空気圧シリンダ等の駆動機構と、前記支持アームの支持端部を中心に回転させる回転機構とを備えている。
　そして、この立体内視鏡システムは、施術する患者のポートの位置に合わせて手術器具を位置調整して固定されることで使用されている。
　しかし、前記した立体内視鏡操作システムは、一旦設置された位置での手術器具の操作が前提となっているので、例えば、患者の呼吸等によりポートの不動点と手術器具の作用点の位置が変化した場合、手術器具の操作精度が悪くなり、患者のポート周辺に対して余計な負担をかけてしまう。また、立体内視鏡操作システムでは、ポートの不動点と手術器具の作用点との位置に誤差が発生した場合に、その誤差を迅速に修正する対応ができないという問題が発生した。
　そこで、従来、ポートの不動点と手術器具の作用点の位置が施術中に変化しても対応して調整できる手術用ロボットアームが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この手術ロボットアームは、手術器具が装着されたロボットアームに作用する外力を算出し、切開孔の中心点が設定されると、ロボットアームに作用する外力をフィルタリングし、切開孔の中心点から外れた手術器具が切開孔の中心点に復帰するようにする仮想力を算出し、算出された仮想力をフィルタリングされた外力に追加して、ロボットアームの動きを制御するものである。
特開２０１３－１３２７４７号公報
只野耕太郎、川嶋健嗣、田中直文、小嶋一幸（空気圧駆動ロボットアームとヘッドマウントディスプレイを用いた立体内視鏡操作システム）　医工学治療（ＮＰＯ日本医工学治療学会　機関紙）２０１２　Ｖｏｌ．２４ｎｏ．３（通巻８２号）P.177-184　２０１２年１１月１日発行
　しかし、前記した手術用ロボットアームでは、手術器具に係る外力の力を測定する測定機構及びその測定機構で測定した外力を吸収するように手術器具を支持しているロボットアームのモータ等を制御する制御機構が必要となり、構成が複雑になってしまった。また、従来の手術用ロボットは、例えば、患者の呼吸等による患部の移動が発生することで、手術器具の作用点と切開孔の中心点とがずれた場合、常に外力を測定して制御する必要があり、演算速度と制御機構とが高性能なものとなり、経済的な負担が大きかった。さらに、従来の手術用ロボットでは、手術器具の外力を測定する測定装置が必要であるため、停電等の不足の事態が発生すると初期状態から設定が必要になってしまった。
　本発明は、前記した問題点に鑑みてなされたものであって、構成が簡単で従来と比較して経済的な負担が小さく、また、モータ等の駆動源がなくてもポートの不動点と手術器具の作用点の修正ができる手術用ロボットアーム及びその不動点誤差修正方法を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するために本発明に係る手術用ロボットアーム及びその不動点誤差の修正方法では、以下に示す構成とした。
　すなわち、手術用ロボットアームは、手術器具が装着される手術用ロボットアームであって、前記手術器具を支持して水平方向に移動させる第１移動支持アームと、この第１移動支持アームを支持して上下方向に移動させる昇降機構と、この昇降機構を支持して水平方向に移動させる第２移動支持アームと、を備え、前記第１移動支持アーム及び前記第２移動支持アームのいずれか一方は、前記手術器具にかかる外力により従動するように、水平方向に移動自在となる回動軸を有する水平多関節アームであり、前記昇降機構は、前記第１移動支持アームを支持し上下に案内してスライドさせるスライド手段と、このスライド手段に設けられスライド方向に沿って前記第１移動支持アームを上方に付勢する弾性部材と、を有し、前記弾性部材は前記手術器具が装着された第１移動支持アーム及び前記手術器具にかかる外力を支持するバネ定数に設定した構成とした。
　かかる構成により、手術用ロボットアームは、弾性部材により第１移動支持アーム及び手術器具が上方に付勢された状態で、患者に取り付けたポートの不動点と、手術器具の作用点が一致するように初めに設定される。そして、手術用ロボットアームは、手術を行うときに、例えば患者の呼吸等により、前記した不動点と作用点がずれるように手術器具に外力がかかることがある。手術用ロボットアームは、手術器具に外力がかかると、昇降機構の弾性部材がその外力に対応する荷重に従動して手術器具を降下あるいは上昇させることと、さらに、水平多関節アームが水平方向に従動する。手術用ロボットアームは、昇降機構及び水平多関節アームが手術器具にかかる外力により従動することで、ポートに設定された手術器具の姿勢を維持し、ポートの不動点と手術器具の作用点とを常に一致させるように誤差修正している。なお、手術用ロボットアームでは、水平多関節アームと、４自由度（手術器具を不動点周りにロール、ピッチ、ヨー、ズーム（長手方向））以上に移動させることができる移動支持アームの構成となる。
　また、手術用ロボットアームにおいて、前記弾性部材は、定荷重ばねと引張ばねとで構成され、前記引張ばねよりも前記定荷重ばねのほうが大きくなるように前記バネ定数を設定して、前記定荷重ばねと前記引張ばねとを並列に設置した構成としてもよい。
　かかる構成により、手術用ロボットアームは、第１移動支持アーム及び手術器具の荷重の多くの割合を定荷重ばねで支持し、残りの荷重及び手術器具にかかる外力に対応する荷重を引張ばねで支持するようになり、ポートの不動点と手術器具の作用点の誤差修正をスムーズに行うことができる。
　さらに、手術用ロボットアームにおいて、前記定荷重ばねは、中央に配置され、前記引張ばねは、前記定荷重ばねの左右に配置さる第１引張ばね及び第２引張ばねを有する構成としてもよい。
　かかる構成により、手術用ロボットアームは、定荷重ばねと第１引張ばね及び第２引張ばねの構成のバランスがよく、ポートの不動点と手術器具の作用点の誤差修正をよりスムーズに行うことができる。
　そして、手術用ロボットアームにおいて、前記定荷重ばねは、前記手術器具を装着した第１移動支持アームの荷重の５割から１０割の荷重分担範囲で支持するバネ定数に設定し、
前記第１引張ばね及び前記第２引張ばねは、前記定荷重ばねの残りの荷重を支持するバネ定数、又は、前記荷重ばねの荷重分担が１０割のときに予め設定される前記外力により付加される荷重を支持するバネ定数を等分して設定した構成としても構わない。
　かかる構成により、手術用ロボットアームは、定荷重ばねの荷重分担の割合を第１引張ばね及び第２引張ばねの荷重分担の割合よりも大きくすることで、手術器具にかかる外力に対応する荷重を第１引張ばね及び第２引張ばねで吸収することができる。
　また、手術用ロボットアームにおいて、前記スライド手段は、前記第２移動支持アームに取り付けられるベースに着脱自在に固定された固定部と、この固定部に設置されたスライダと、このスライダに沿って移動する長尺状のスライドレールと、このスライドレールに設けられ前記第１移動支持アームを取り付けるアーム取付機構を有する取付部と、を備え、前記弾性部材は、前記固定部及び取付部にわたって設けられる構成としてもよい。
　かかる構成により、手術用ロボットアームは、手術器具に外力が加わると、第２移動支持アームに固定された固定部に対して、弾性部材により上方に付勢され、かつ、スライダ及びスライドレールにより案内される取付部が、アーム取付機構に第１移動支持アームを取り付けた状態で、外力がかかる方向に従動することとなる。例えば、手術用ロボットアームの昇降機構では、手術器具に下方の外力が付加されれば、弾性部材が伸長して取付部が下方に従動する。また、手術用ロボットアームの昇降機構では、手術器具に上方の外力が付加されれば、弾性部材が収縮して取付部が上方に従動する。
　本発明に係る手術用ロボットアーム及び手術用ロボットアームの不動点誤差修正方法によれば、以下に示すような優れた効果を奏する。
　手術用ロボットアームは、昇降機構の弾性部材で手術器具にかかる上下方向の外力に従動し、第１移動支持アーム及び第２移動支持アームの少なくとも一方の多関節アームにより手術器具にかかる水平方向の外力に従動することで、ポートの不動点と手術器具の作用点とがずれないようにしているので、簡易な構成で不動点と作用点の誤差を常に一致させることができる。したがって、手術用ロボットアームは、不動点と作用点とをモータ等の駆動源を使用することなく常に整合させることになり、ポートの周辺に余計な負荷をかけることがなく、手術器具の操作精度が高く、かつ操作もしやすい。
　手術用ロボットアームは、定荷重ばねが引張りばねよりも荷重分担の割合を大きくして並列に設定しているため、手術器具の作用点とポートの不動点の誤差修正を調整しやすく、誤差修正のために昇降移動する第１移動支持アームが安定静止しやすい。
　手術用ロボットアームは、定荷重ばねの左右に第１引張ばね及び第２引張ばねを配置しているので、バランス良く手術器具の作用点とポートの不動点の誤差修正をよりスムーズに行うことができる。
　そして、手術用ロボットアームは、分担する荷重を定荷重ばねと引張ばねで所定の割合にすることで、手術器具の作用点とポートの不動点との誤差を一致させる修正動作をスムーズに行うことができる。特に、手術用ロボットアームは、定荷重ばねで手術器具を装着している第１移動支持アームの全量を分担し、外力により手術器具にかかる変化量の荷重について引張ばねが分担することで、誤差修正を安定して最適に行うことができる。
　手術用ロボットアームは、昇降機構のスライド手段を、固定部、スライダ、スライドレール及び取付部とすることで、構成が簡易であっても、手術器具にかかる外力（荷重）により取付部が昇降するように従動して、手術器具の作用点とポートの不動点を一致させるように維持することができる。
本発明に係る手術用ロボットアームを一部省略して模式的に示す斜視図である。 本発明に係る手術用ロボットアームの昇降機構を一部省略して模式的に示す斜視図である。 （ａ）～（ｃ）は、本発明に係る手術用ロボットアームの昇降機構を正面からの構成を模式的に示す正面図、背面図、側面図である。 （ａ）～（ｃ）は本発明に係る手術用ロボットアームの昇降機構の動作状態を模式的に説明するための模式図である。 本発明に係る手術用ロボットアームの第２移動支持アームの一部を省略して模式的に示す斜視図である。 （ａ）～（ｃ）は本発明に係る手術用ロボットアームの第２移動支持アームにおける動作状態を模式的に示す模式図である。 （ａ）～（ｄ）は、本発明に係る手術用ロボットアームの設置から手術動作までの流れを模式的に示す模式図である。
　本発明に係る手術用ロボットアーム及び不動点誤差修正方法について、図面を参照して説明する。なお、各図面において各構成の位置や大きさを誇張して示す場合がある。
　図１に示すように、手術用ロボットアーム１は、鉗子や内視鏡等の手術器具ＯＰを患者Ｃ（図７（ａ）～（ｃ）参照）の手術する位置に機械的に保持した状態とするものである。この手術用ロボットアーム１は、手術器具ＯＰを着脱自在に支持する第１移動支持アーム１０と、この第１移動支持アーム１０を上方に付勢し支持して昇降させる昇降機構３０と、この昇降機構３０を着脱自在に支持する第２移動支持アーム２０と、を備えている。なお、手術用ロボットアームは、第２移動支持アーム２０が、固定柱ＰＬ等（図７（ａ）参照）の固定手段に設置され、水平多関節アームである構成として説明する。
　図１に示すように、手術器具ＯＰは、患者Ｃ（図７（ａ）～（ｃ）参照）に対して手術を行う場合に、必要な鉗子や内視鏡等の器具であり、特に限定されるものではない。ここで使用される手術器具ＯＰは、予め第１移動支持アーム１０で着脱自在に装着できるように形成されているものが使用されている。
　第１移動支持アーム１０は、一例として、手術器具ＯＰを着脱自在に支持して所定方向に空気圧を駆動源として移動する構成を備えている。この第１移動支持アーム１０は、空気圧で駆動するエアシリンダ１１と、このエアシリンダ１１の駆動により動作するリンク機構１２と、リンク機構１２の基端側を支持する共に上下方向（昇降方向）にリンク機構１２を移動させる上下機構１３と、エアシリンダ１１及びリンク機構１２の先端側に設けられた手術器具ＯＰを着脱自在に支持する器具着脱機構１４とを備えている。なお、第１移動支持アーム１０は、例えば、手術器具ＯＰを４自由度（手術器具を不動点周りにロール、ピッチ、ヨー、ズーム（長手方向））で移動できるようにここでは構成されている。
　器具着脱機構１４は、エアシリンダ１１及びリンク機構１２の先端を接続する接続柱体１４ａと、この接続柱体１４ａに対面した設けたシールド板１４ｂと、このシールド板１４ｂに設けた手術器具ＯＰの保持部１４ｃとを主に備えている。
　この第１移動支持アーム１０は、エアシリンダ１１の伸縮でリンク機構１２の伸縮駆動を行い、また、上下機構１３の駆動でリンク機構１２の上下位置を調整することで、保持部１４ｃに保持する手術器具ＯＰの位置を設定している。
　この第１移動支持アーム１０は、支持する手術器具ＯＰを患者Ｃに取り付けたポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｂ）参照）に合うように設定することができる構成であれば、特に限定されるものではない。また、器具着脱機構１４は、手術器具ＯＰを支持して操作できる既存の構成であれ、限定されるものではない。
　図１及び図２に示すように、昇降機構３０は、第１移動支持アーム１０を上方に付勢して昇降自在に支持するものである。昇降機構３０は、第２移動支持アーム２０と第１移動支持アーム１０との間に接続されている。この昇降機構３０は、スライド手段３１と、このスライド手段３１のスライド方向に沿ってスライド手段３０に設置された弾性部材３６とを備えている。
　スライド手段３１は、第２移動支持アーム２０に取り付けられるベースＢを着脱自在に固定する固定部３２と、この固定部３２に設置されたスライダ３３（図３（ｃ）参照）と、このスライダ３３に沿って移動する長尺状のスライドレール３４（図３（ｃ）参照）と、このスライドレール３４に設けられた第１移動支持アーム１０を取り付ける取付部３５と、を備えている。なお、スライド手段３１は、一側にスライダ３３及びスライドレール３４を配置し、他側に弾性部材３６を配置している、また、弾性部材３６は、固定部３２及び取付部３５にわたって設置されている。
　図２及び図３に示すように、固定部３２は、ベースＢを挿通して固定するベース支持部３２ａと、このベース支持部３２ａに設けられ、弾性部材３６の一端側を固定すると共に、スライダ３３が設置される固定板部３２ｂと、を備えている。
　ベース支持部３２ａは、弾性部材３６が設けられる側とは反対側に突出してベースＢの挿通穴を形成した挿通部３２２ａと、この挿通部３２２ａが接続されると共に、固定板部３２ｂを支持する固定ブロック３２１ａとを備えている。なお、挿通部３２２ａは、ベースＢが挿通されてベース長手方向の所定位置でネジ等の固定手段によりベースＢを固定するように構成されている。また、挿通部３２２ａは、固定ブロック３２１ａ側にフランジ３２３ａを形成し、このフランジ３２３ａのネジ穴にネジ等で固定ブロック３２１ａに接続されるように構成されている。さらに、固定ブロック３２１ａは、固定板部３２ｂの上端側を、挿通部３２２ａのフランジ３２３ａと重ねてネジ等で固定して支持している。この固定ブロック３２１ａは、直方体形状に形成され固定板部３２ｂよりも厚みをもっている。そして、固定ブロック３２１ａは、長手方向の中央で上下方向に貫通穴３２４ａが形成され、後記するスライドレール３４の他端側が挿通できるように構成されている。
　固定板部３２ｂは、一側板面において、弾性部材３６である定荷重ばね３７（巻回したばね部３７ａ、ブラケット３７ｂ）と、弾性部材３６である第１引張ばね３８ａ及び第２引張りばね３８ｂの一端と、が取り付けられ、他側板面においてスライダ３３が設けられている。なお、図３（ａ）～（ｃ）に示すように、固定板部３２ｂは、ここでは第１案内固定板３２１ｂと、この第１案内固定板３２１ｂに対向して所定間隔を空けて平行に設けた第２案内固定板３２２ｂとにより構成されている。そして、第１案内固定板３２１ｂは、その上端側を固定ブロック３２１ａと挿通部３２２ａのフランジ３２３ａとの間に挟持された状態でネジ等により固定されている。また、第２案内固定板３２２ｂは、その一端側を固定ブロック３２１ａの下面に当接させた状態で、第１案内固定板３２１ｂと対面させ、スライダ３３を設置できる間隔を空けてネジ等で固定されている。
　図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、スライダ３３は、スライドレール３４を挿通して上下に案内するものである。このスライダ３３は、第２案内固定板３２２ｂの他側板面に固定され、第１案内固定板３２１ｂと第２案内固定板３２２ｂとの間に設けられている。スライダ３３は、ここでは固定板部３２ｂの中央に配置されている。 
　なお、定荷重ばね３７のブラケット３７ｂと、第１引張ばね及び第２引張ばねのそれぞれの一端とが、第２案内固定板３２２ｂの一側板面に取り付けられている。
　弾性部材３６である定荷重ばね３７は、コイル状に巻回したばね部３７ａと、このばね部３７ａを巻取りあるいは引出し自在に支持するブラケット３７とを備えている。この定荷重ばね３７は、ばね部３７ａの先端が引き出されて一定の荷重で巻取り方向（上方向）に付勢されるものである。この定荷重ばね３７は、第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの荷重を支えるばね定数となるように構成されている。例えば、定荷重ばね３７は、第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの荷重が９８Ｎ（１０Ｋｇｆ）であれば、その９８Ｎ（１０Ｋｇｆ）を定荷重として支えるバネ定数となるように構成されている。
　弾性部材３６である第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、定荷重ばね３７を中央としてその両側に並列して設置されている。この第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、手術器具ＯＰにかかる外力による荷重を支持できるバネ定数に設定されている。例えば、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、手術器具ＯＰにかかる外力が２０Ｎ（１９．６Ｋｇｆ）であると設定した場合には、半分の１０Ｎをそれぞれが支えることができる５～２０Ｎあるいは１０～３０Ｎの範囲で有効なバネ定数のものが使用され、合計で２０Ｎを有効に支持できるように設定される。この第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、例えば、コイルスプリングが使用され、その一端を固定板部３２ｂに係合し、その他端を取付部３５に係合している。
　なお、ここで使用される定荷重ばね３７と、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂとの最良である条件は、（定荷重ばねの発揮力＋（引張ばねのばね定数×ばねの伸び））が、（第１移動支持アームと手術器具の合計荷重）となっていることが好ましい。そして、定荷重ばね３７と第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂとで、第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰを支持したときに、スライダ３３に対するスライドレール３４の位置が移動方向における真ん中に位置するようになることが好ましい。つまり、弾性部材３６が手術器具ＯＰ及び第１移動支持アーム１０を上方に付勢して支持されたときに、スライドレール３４が上下に均等な距離を移動できる状態に設定されていることが好ましい。
　図２及び図３（ａ）～（ｃ）に示すように、取付部３５は、固定部３２から近接離間自在に設けられている。この取付部３５は、板状に形成され、一側板面において、定荷重ばね３７の先端側が固定され、かつ、第１引張ばね３８ａ及び第２引張りばね３８ｂの他端側が係合して固定部３２に昇降可能に設けられている。また、取付部３５は、他側板面においてスライドレール３４の一端がネジ等で固定され、スライドレール３４の他端側を上方に突出してスライドレール３４がスライダ３３に挿通できる状態で設けられている。なお、スライドレール３４は、スライダ３３から抜け落ちないように、その他端に図示しないストッパが形成されていることが好ましい。
　さらに、取付部３５は、定荷重ばね３７を固定した位置の下方に第１移動支持アーム１０の基端側を着脱自在に支持するアーム取付機構４０を備えている。この取付部３５は、定荷重ばね３７、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂの伸縮により、スライドレール３４がスライダ３３に案内されることで、そのスライダ３３及びスライドレール３４で特定される軌道上を上下方向（昇降方向）に移動する。
　図１に示すように、取付部３５のアーム取付機構４０は、既存の構成を採用すればよく、使用される第１移動支持アーム１０に対応して形成されている。このアーム取付機構４０は、ここでは、取付部３５の板面に直交する棒状に形成されている。アーム取付機構４０は、リンク機構１２の基端側を支持して上下動自在に移動させる上下動機構１３が取り 
付けられると共に、エアシリンダ１１の基端側が接続冶具（図面上は省略）を介して接続されている。
　以上のように構成されている昇降機構３０は、手術器具ＯＰにかかる外力が昇降方向であったときには、その外力の荷重に従動して第１移動支持アーム１０を昇降させて手術器具ＯＰの作用点とポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｄ）参照）とがずれないようにしている。
　例えば、手術器具ＯＰが患者Ｃの呼吸により設定位置から下方向に移動した場合について昇降機構３０は次のように動作する。
　つまり、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、手術器具ＯＰの下方の移動に伴って第１移動支持アーム１０に下方に移動させる力がかかる。そのとき昇降機構３０は、定荷重ばね３７がその下方に移動せる力の分の荷重だけ、設定位置から下方に引き出され、併せて、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂが下方にかかる荷重に対応して伸長する。
　そして、昇降機構３０は、定荷重ばね３７が引き出され、かつ、第１引張ばね３８ａ，第２引張ばね３８ｂが伸長するときに、スライダ３３に挿通しているスライドレール３４が案内されて、取付部３５を固定部３２から離間する方向に移動さることで、第１移動支持アーム１０を降下させる。
　したがって、昇降機構３０は、第１移動支持アーム１０を手術器具ＯＰにかかる外力に従動して降下させることで、手術器具ＯＰを降下させて手術器具ＯＰの姿勢を保ち、手術器具ＯＰの作用点とポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｄ）参照）との位置がずれないように動作することになる。
　このように、昇降機構３０は、手術器具ＯＰに外力として下方向に力がかかると、その下方向の力に従動して第１移動支持アーム１０を移動させることで、手術器具ＯＰの姿勢を保ち、手術器具ＯＰ作用点とポートＰの不動点がずれることなく一致した状態を維持する。
　また、手術器具ＯＰが患者Ｃの呼吸により設置位置から上方向に移動した場合、図４（ｃ）に示すように、昇降機構３０は、定荷重ばね３７がその移動しようとする力に対応する分だけ上方に巻き取られ、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂが上方にかかった力（荷重）に対応する分だけ収縮する。
　そして、昇降機構３０は、定荷重ばね３７が巻き取られ、かつ、第１引張ばね３８ａ，第２引張ばね３８ｂが収縮するときに、スライダ３３に挿通しているスライドレール３４が案内されて、取付部３５を固定部３２に近接する方向に移動することで、第１移動支持アーム１０を上昇させる。
　したがって、昇降機構３０は、第１移動支持アーム１０を外力に従動して上昇させることで、手術器具ＯＰを上昇させて手術器具ＯＰの姿勢を保持し、手術器具ＯＰの作用点とポートＰの不動点Ｄ１との位置がずれないように動作する。
　このように、手術器具ＯＰに外力として上方向に力がかかると、その上方向の力に従動して手術器具ＯＰの姿勢を保ち、手術器具ＯＰ作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｄ）参照）がずれることなく一致した状態を維持する。
　つぎに、図５に示すように、第２移動支持アーム２０は、昇降機構３０を支持して水平方向に移動することができるものである。この第２移動支持アーム２０は、例えば、水平多関節アーム（スカラ型パッシブアーム）が使用され、外部からの力がかかると、そのかかった力（荷重）に従動して移動できるように水平方向に移動自在に構成されている。第２移動支持アーム２０は、ベースＢを挟持する挟持部２１と、この挟持部２１を回動自在に支持する先端支持部２２と、この先端支持部２２を垂直方向に所定角度に支持する第１関節アーム２３と、この第１関節アーム２３を、第１固定軸２４ａを介して支持する第２関節アーム２４と、この第２関節アーム２４を、第２回動軸２５ａを介して水平方向に回動自在に支持する第３関節アーム２５とを備えている。なお、第３関節アーム２５は、ここでは、図７（ａ）に示す固定柱ＰＬ等の固定物に第３回動軸２６ａを介して取り付けられている。
　この第２移動支持アーム２０は、モータ等の駆動源がない状態で、挟持部２１、第２回動軸２５ａ、第３回動軸２６ａが水平方向に自在に回動できる状態となっている。したがって、第２移動支持アーム２０は、図６（ａ）～（ｃ）に示すように、水平方向に従動することができる。なお、図６では、第１固定軸２４ａから第３回動軸２６ａまでを模式的に示して水平方向の従動について説明する。
　設定位置として仮定する図６（ａ）に示す位置から、手術器具ＯＰにかかる外力の水平方向であるｘ方向の力であった場合、その水平方向の力に沿って第２関節アーム２４及び第３関節アーム２５が、第２回動軸２５ａから第３回動軸２６ａが回動することで従動して、手術器具ＯＰの作用点の位置をポートＰの不動点の位置からずらさないように動作する。つまり、第２移動支持アーム２０は、水平方向に力がかかったときに、ベースＢの水平方向おける位置を従動して移動させ、手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１とが常に一致している状態を維持する。
　また、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、手術器具ＯＰにかかる外力の水平方向にかかる力がｙ方向であった場合、その水平方向の力に沿って第２関節アーム２４及び第３関節アーム２５が、第２回動軸２５ａ及び第３回動軸２６ａが回動することで従動して、手術器具ＯＰの作用点の位置をポートＰの不動点の位置からずらさないように動作する。
　以上のように第２移動支持アーム２０は、ここでは、水平多関節アームとして作動して手術器具ＯＰを水平方向に従動することができる。
　つぎに、手術用ロボットアーム１の動作を説明する。
　手術用ロボットアーム１は、図７（ａ）に示すように、はじめに、手術台の近くに設置された固定柱ＰＬに取り付けられ準備される。そして、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、手術用ロボットアーム１は、手術が開始され、患者Ｃに取り付けたポートＰの位置に、手術器具ＯＰが位置するように調整され、第１移動支持アーム１０を操作して、手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１（図７（ｄ）参照）とが一致するように設定される。
　そして、手術が進んでいくことに伴い、例えば、患者Ｃの呼吸等によりポートＰの位置が移動することや、あるいは、手術器具ＯＰの動作により、ポートＰの不動点Ｄ１と手術器具ＯＰの作用点Ｓ１との位置関係にずれが発生する原因が生じる場合がある。つまり、手術器具ＯＰに外力がかかることで、ポートＰの不動点Ｄ１と手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とのずれる原因が生じることになる。
　手術用ロボットアーム１は、手術器具ＯＰに外力がかかった場合に、第２移動支持アーム２０が水平方向の外力に対応して従動し、昇降機構３０が上下方向（昇降方向）の外力に対応して従動し、手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１とを一致した状態を、モータ等の駆動源がなくても保持することができる。
　具体的には、すでに図４（ａ）～（ｃ）及び図６（ａ）～（ｃ）に示すように、水平方向および昇降方向において、手術器具ＯＰにかかる力（荷重）により従動して、昇降機構３０が手術器具ＯＰを支持している第１移動支持アーム１０を降下あるいは上昇させ、第２移動支持アームが水平方向に昇降機構３０を移動させている。
　したがって、手術用ロボットアーム１は、昇降機構３０及び第２移動支持アーム２０が、モータ等の駆動機構を使用することなく、手術器具ＯＰに受けた外力（荷重）に従動するので、手術中における手術器具ＯＰにかかる外力に合わせて昇降方向および水平方向に第１移動支持アームを移動させ、手術器具ＯＰの作用点Ｓ１とポートＰの不動点Ｄ１とがずれないように確実に保持することができる。
　そして、手術用ロボットアーム１では、予めポートＰの不動点Ｄ１に整合するように設置された手術器具ＯＰの作用点Ｓ１がずれることなく保持された状態で手術器具ＯＰを施術者が操作することが可能となり、患者Ｃに対して最小侵襲性手術において患者の負担を小さくし、かつ、手術器具ＯＰの扱いもし易くなるものである。
　なお、手術用ロボットアーム１は、以上のように説明したが、以下に示すような構成であっても構わない。
　手術用ロボットアーム１は、弾性部材３６として、定荷重ばね３６と、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂとを用いて第１移動支持アーム１０を従動的に昇降させる構成としたが、弾性部材３８として、定荷重ばね３６と、一つの引張ばねとで構成し、定荷重ばねの中心位置に設置高さ（板面からの距離）を変えて並列に設置する構成としても構わない。
　また、手術用ロボットアーム１は、弾性部材３６として、引張ばねのみを使用する構成としても構わない。引張ばねのみを弾性部材３６として使用する場合には、第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの荷重と、手術器具ＯＰに外力としてかかる荷重を支持できる範囲のバネ定数（バネ剛性）を備えていればよい。なお、昇降機構３０は、引張ばねのみの使用した場合に比較して、定荷重ばね３７及び引張ばねの組み合わせにより使用されるほうが、より小さいばね定数の引張ばねを使用することができるので、小さい外力にも敏感に従動するように構成することが可能になる。
　また、手術用ロボットアーム１では、定荷重ばね３７に第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの全荷重を支持させ、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂに手術器具ＯＰにかかる外力の荷重を担うように設定する構成として説明したが、その割合を次のようにしても構わない。つまり、定荷重ばね３７に第１移動支持アーム１０及び手術器具ＯＰの全荷重の５割から１０割の範囲とし、引張ばね（１つまたは２つの場合）に残りの荷重を担うようにしてもよい。定荷重ばね３７の荷重の分担の割合をおおきく、引張ばねで小さな荷重を分担させるほうが従動する調整がし易く、昇降動作が安定してより好ましい。
　また、第２移動支持アーム２０を水平多関節アームとして説明したが、第１移動支持アーム１０を水平多関節アームとし、第２移動支持アームに駆動源を備える構成としても構わない。
　さらに、弾性部材３６として定荷重ばねと引張ばねとの構成として説明したが、空気ばね等の他の構成であっても同等の動作をすることができるものであれば、限定されるものではない。
　また、固定部３２は、固定板部３２を第１案内固定板３２１ｂ及び第２案内固定板３２２ｂの２枚として説明したが、１枚の板材の表裏にスライダ３３及び弾性部材３６を設置する構成としても構わない。
　そして、第１引張ばね３８ａ及び第２引張ばね３８ｂは、ばね収納筒体に収納される構成としても構わない。そして、ばね収納筒体は、ばねの伸縮状態にあわせて、伸縮するように構成され、例えば、直径が異なる円筒ケースの一方が他方に挿入さればねの伸縮で挿入深さが変わり伸縮できるように構成されていても構わない。ばね収納筒体を使用する場合には、筒体一端が固定部３２に支持され、筒体他端が取付部に支持されることで、スライドガイドの役割を担うことが可能となり、スライダ３３及びスライドレール３４の代わりのガイド手段として使用することや、スライダ３３及びスライドレール３４と併せてガイド手段として使用することも可能となる。
　さらに、昇降機構３０は、取付部３５を案内するスライダ３３及びスライドレール３４が、板面の中央に配置される構成として説明したが、固定部３２及び取付部３５の両側端にスライダ３３と同等の機能となるガイドを設け、そのガイドにスライドレール３４と同等の機能となるレールを挿通させることで、取付部３５の昇降動作を案内する構成としても構わない。つまり、スライダ３３及びスライドレール３４の取付位置は、限定されず取付部３５の昇降動作を案内することができる構成であれば限定されるものではない。
　なお、昇降機構３０は、その構成全体をカバー体で収納するようにしても構わない。
　以上説明したように、本発明にかかる手術用ロボットアーム１は、本発明を逸脱しない範囲で、種々の変更ができることは勿論である。
　１　　　手術用ロボットアーム
　１０　　第１移動支持アーム
　１１　　エアシリンダ
　１２　　リンク機構
　１３　　上下機構
　１４　　器具着脱機構
　１４ａ　接続柱体
　１４ｂ　シールド板
　１４ｃ　保持部
　２０　　第２移動支持アーム
　２１　　挟持部
　２２　　先端支持部
　２３　　第１関節アーム
　２４　　第２関節アーム
　２４ａ　第１固定軸
　２５　　第３関節アーム
　２５ａ　第２回動軸
　２６ａ　第３回動軸
　３０　　昇降機構
　３１　　スライド手段
　３２　　固定部
　３２ａ　ベース支持部
　３２ｂ　固定板部
　３３　　スライダ
　３４　　スライドレール
　３５　　取付部
　３６　　弾性部材
　３７ａ　ドラム
　３７ｂ　ブラケット
　３８　　弾性部材
　４０　　アーム取付機構
　３２１ａ　固定ブロック
　３２１ｂ　第１案内固定板
　３２２ａ　挿通部
　３２２ｂ　第２案内固定板
　３２３ａ　フランジ
　３２４ａ　貫通穴
　Ｂ　　　ベース
　Ｃ　　　患者
　Ｄ１　　不動点
　ＯＰ　　手術器具
　Ｐ　　　ポート
　ＰＬ　　固定柱
　Ｓ１　　作用点
 

Claims (5)

  1. 　手術器具が装着される手術用ロボットアームであって、
    　前記手術器具を支持して水平方向に移動させる第１移動支持アームと、この第１移動支持アームを支持して上下方向に移動させる昇降機構と、この昇降機構を支持して水平方向に移動させる第２移動支持アームと、を備え、
    　前記第１移動支持アーム及び前記第２移動支持アームのいずれか一方は、前記手術器具にかかる外力により従動するように、水平方向に移動自在となる回動軸を有する水平多関節アームであり、
    　前記昇降機構は、
    　前記第１移動支持アームを支持し上下に案内してスライドさせるスライド手段と、このスライド手段に設けられスライド方向に沿って前記第１移動支持アームを上方に付勢する弾性部材と、を有し、
    　前記弾性部材は前記手術器具が装着された第１移動支持アームの荷重及び前記手術器具にかかる外力による荷重を支持するバネ定数に設定した手術用ロボットアーム。
  2. 　前記弾性部材は、定荷重ばねと引張ばねとで構成され、前記引張ばねよりも前記定荷重ばねのほうが大きくなるように前記バネ定数を設定して、前記定荷重ばねと前記引張ばねとを並列に設置している請求項１に記載の手術用ロボットアーム。
  3. 　前記定荷重ばねは、中央に配置され、前記引張ばねは、前記定荷重ばねの左右に配置さる第１引張ばね及び第２引張ばねを有する請求項２に記載の手術用ロボットアーム。
  4. 　前記定荷重ばねは、前記手術器具を装着した第１移動支持アームの荷重の５割から１０割の荷重分担範囲で支持するバネ定数に設定し、
    　前記第１引張ばね及び前記第２引張ばねは、前記定荷重ばねの残りの荷重を支持するバネ定数、又は、前記荷重ばねの荷重分担が１０割のときに予め設定される前記外力により付加される荷重を支持するバネ定数を等分して設定した請求項３に記載の手術用ロボットアーム。
  5. 　前記スライド手段は、前記第２移動支持アームに取り付けられるベースに着脱自在に固定された固定部と、この固定部に設置されたスライダと、このスライダに沿って移動する長尺状のスライドレールと、このスライドレールに設けられ前記第１移動支持アームを取り付けるアーム取付機構を有する取付部と、を備え、
    　前記弾性部材は、前記固定部及び取付部にわたって設けられる請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の手術用ロボットアーム。
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